機場智能鳥防系統(tǒng)研究

袁 紅，王羽玥，郭愛強，杜城威，陸 珂，吳然然，陳帷瀅

（1.天津濱海國際機場飛行區(qū)管理部，天津 300300；2.北京黑森智能科技有限公司，北京 101399）

鳥擊是指航空器起降或飛行過程中與鳥類、蝙蝠等動物相撞的事件，或者是因為動物活動影響到正常飛行活動的事件。隨著航班量的持續(xù)增長和生態(tài)環(huán)境的不斷好轉(zhuǎn)，中國機場的鳥擊防范工作壓力越來越大。傳統(tǒng)的驅(qū)鳥手段主要為人為巡視驅(qū)趕和設(shè)備固定式部署、隨機式開啟的單機運行狀態(tài)，此種方法已經(jīng)逐漸不太適應(yīng)新時期鳥防業(yè)務(wù)工作要求[1]。近年來，探測設(shè)備的快速發(fā)展給鳥防工作帶來了一定的便利，但探測設(shè)備種類繁多，同時存在行業(yè)遷移的匹配適應(yīng)性問題，增加機場實際應(yīng)用的試錯成本。本研究對探鳥雷達、探鳥光電及機場鳥擊防范業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進行綜述分析，在天津濱海國際機場實踐融合應(yīng)用此類設(shè)備，形成了一套完整的探、驅(qū)、識、治一體化的機場智能鳥防系統(tǒng)，為全國機場驅(qū)鳥工作的開展提供參考[2]。

1 鳥防科技產(chǎn)品

1.1 探鳥雷達

雷達發(fā)明于20世紀40年代，初期主要用于防空預(yù)警。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，各式體制的雷達已在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雷達鳥情探測技術(shù)的難點在于對“低、慢、小”目標的探測，同時由于鳥類種類繁多、飛行活動的多樣性與不確定性，與傳統(tǒng)對空探測雷達不同，鳥類探測雷達的技術(shù)核心在于對飛鳥的特殊信號處理與目標跟蹤算法。鳥情探測雷達可以提供鳥類活動位置、高度、速度等基本信息，常見掃描范圍水平約5 km，高度約1 km。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，國際上已經(jīng)研制出了相對成熟的“雷達探鳥系統(tǒng)”，最具代表性的是美國的Merlin雷達、加拿大的Accipiter雷達、荷蘭的Robin雷達等，上述3個廠家均有成熟的機場鳥類探測雷達產(chǎn)品。國內(nèi)方面，部分廠家也相繼開展了探鳥雷達技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品在中國多個機場進行了大量測試[3]。

探鳥雷達在機場的實際應(yīng)用仍需要解決無線電頻率和產(chǎn)品應(yīng)用形式2個問題。首先，機場無線電設(shè)備眾多，探鳥雷達也屬于無線電設(shè)備，因此，探鳥雷達進入機場應(yīng)用前，確保不與機場現(xiàn)有無線電設(shè)備相互干擾影響成為首要考慮問題。其次，探鳥雷達僅為探測設(shè)備，而機場驅(qū)鳥目前已經(jīng)有初步的管理形態(tài)，探鳥雷達的引進必將對驅(qū)鳥工作的管理帶來新的模式。因此，探鳥雷達的產(chǎn)品應(yīng)用形式需要針對國內(nèi)機場管理工作進行深度定制。探鳥雷達如圖1所示。

圖1 探鳥雷達

1.2 探鳥光電

探鳥光電主要為自搜索光電和雷達引導(dǎo)光電2種類型。其中，自搜索光電可以依據(jù)高速視頻對比及邊緣計算核心算法，自動識別搜索范圍內(nèi)晝夜區(qū)域內(nèi)的鳥情信息，不需要鳥情探測雷達引導(dǎo)即可自主工作。同時，自搜索光電后期可升級識別算法，滿足鳥種辨認、行為判別等工作，亦可通過坐標系設(shè)定計算出目標鳥類的位置、高度、速度等信息。雷達引導(dǎo)類光電需要依靠鳥情探測雷達提供鳥類的位置、高度信息完成視野追蹤。目前，鳥情探測光電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢主要集中在自動搜索光電，其核心技術(shù)特點為造價低、算法可升級。但因光電設(shè)備受雨、雪、霧天氣影響嚴重，且探測距離短，因此未來適用場景主要集中于小范圍區(qū)域（場區(qū)內(nèi)或起飛降落航徑）的鳥情探測。

探鳥光電的主要作用為完成鳥類圖像信息的拍攝，為機場管理人員提供本場鳥情信息數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的管理模式下，驅(qū)鳥人員僅憑肉眼觀察對本場的鳥情信息進行觀察和統(tǒng)計。光電的引入將極大提高一線人員的工作效率和鳥情觀測的準確性。探鳥光電如圖2所示。

圖2 探鳥光電

1.3 機場智能鳥防系統(tǒng)

科技的進步必然會帶來業(yè)務(wù)方式的改變，機場驅(qū)鳥工作同樣如此。在傳統(tǒng)的機場驅(qū)鳥工作模式下，各個模塊獨立運行，驅(qū)鳥人員負責(zé)日常巡視和設(shè)備維護，驅(qū)鳥設(shè)備根據(jù)設(shè)定的時間隨機進行驅(qū)鳥工作，生態(tài)管理部門則負責(zé)生態(tài)的調(diào)研、割草、打藥工作。同時，市場上的探測設(shè)備、驅(qū)鳥設(shè)備的供應(yīng)商又僅提供設(shè)備本身的技術(shù)指導(dǎo)，使得新的科技產(chǎn)品短期內(nèi)無法匹配現(xiàn)有的驅(qū)鳥業(yè)務(wù)工作模式。因此，基于新一代的探測技術(shù)和驅(qū)鳥業(yè)務(wù)邏輯逐漸衍生了機場智能鳥防系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 機場智能鳥防系統(tǒng)

機場智能鳥防系統(tǒng)是機場鳥擊防范業(yè)務(wù)的核心中樞系統(tǒng)，系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)系“探、驅(qū)、識、治”一體聯(lián)動的效能，及業(yè)務(wù)開展的智能化程度，對于整體機場驅(qū)鳥體系建設(shè)十分關(guān)鍵。機場鳥擊防范管理系統(tǒng)由感知單元、判斷單元、執(zhí)行單元、評估單元組成，形成了完整統(tǒng)一、不斷迭代的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建精良，動態(tài)的機場鳥情分區(qū)圖，采用先進的GIS地理信息單元及數(shù)字孿生技術(shù)，將鳥擊防范業(yè)務(wù)所涉及的鳥情、設(shè)備、人員、生態(tài)等多要素進行疊加，經(jīng)業(yè)務(wù)智能分析后，可實現(xiàn)多種分析與呈現(xiàn)。此外，系統(tǒng)可結(jié)合國內(nèi)科研領(lǐng)域?qū)ｍ棊?，為各機場個性化創(chuàng)建鳥類分析與識別庫，其內(nèi)容涵蓋了鳥類圖鑒、生境、質(zhì)量、速度、習(xí)性、食性、規(guī)律等多種內(nèi)容，同時將各種鳥類的防范技巧與手段進行動態(tài)融合，依托智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提供內(nèi)容強大詳實的專業(yè)性參考。系統(tǒng)融合多種自動化探測領(lǐng)域雷達、光電技術(shù)，打通與驅(qū)鳥設(shè)備聯(lián)動控制接口，為數(shù)據(jù)的交互提供兼容性極高的通信、數(shù)據(jù)格式，確保各類選型設(shè)備均能與驅(qū)鳥業(yè)務(wù)適配，實現(xiàn)新時期機場智能鳥防業(yè)務(wù)的開展。

2 機場智能鳥防系統(tǒng)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的機場驅(qū)鳥工作中，發(fā)現(xiàn)手段和巡查的方法是采用視頻監(jiān)控設(shè)備及結(jié)合人工駕駛車輛巡防的方式，沿著巡視路線按照有關(guān)要求進行現(xiàn)場巡查。主要存在以下缺點：①雖投入相當(dāng)多的人力物力，但效率極低，效果不明顯，巡視比較盲目，針對性不強；②受巡查時間、范圍、道路等因素的影響，對大范圍的圍界、場區(qū)面積，靠人工手段巡查困難；③驅(qū)鳥設(shè)備都是相對獨立工作，設(shè)備監(jiān)控狀態(tài)不能實時掌握，缺乏統(tǒng)一管理調(diào)度等功能；④以往統(tǒng)計的鳥情數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)性和全天候數(shù)據(jù)，不利于指導(dǎo)鳥擊防范工作；⑤傳統(tǒng)的觀測手段受氣候等惡劣條件的影響，存在看不遠、看不清等不足。

為保障機場運行安全，提高鳥害入侵預(yù)警及防范效率，節(jié)省人力物力，實現(xiàn)探鳥、識鳥、驅(qū)鳥、治理一體化的管理體系，天津濱海國際機場自2017年起開始研究利用探鳥雷達等新技術(shù)，探索了一套高效可行的方法。

在實際探索應(yīng)用中，天津濱海國際機場采用了探鳥雷達、現(xiàn)有驅(qū)鳥設(shè)備并結(jié)合光電目標識別技術(shù)，針對機場研究開發(fā)了一套智能管理系統(tǒng)，建立科學(xué)的鳥情預(yù)警、探驅(qū)聯(lián)動、鳥類識別為一體的體系，對機場及周邊的空域鳥情進行實時監(jiān)測及防范管理，給國內(nèi)機場驅(qū)鳥工作的開展提供技術(shù)路線實踐參考。

2.1 探驅(qū)一體化

探驅(qū)一體化將探鳥雷達與定向聲波驅(qū)鳥器、全向聲波驅(qū)鳥器及煤氣炮驅(qū)鳥器等各類驅(qū)鳥設(shè)備組網(wǎng)聯(lián)動，可實現(xiàn)全天候、全自動24 h不間斷驅(qū)鳥，使探測、預(yù)警、避讓、驅(qū)趕、監(jiān)測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計成為有機的整體，全自動聯(lián)合工作。讓鳥防人員、飛行區(qū)運行指揮人員及時得到鳥情信息并及時采取相應(yīng)措施，保證飛行安全，實現(xiàn)信息、設(shè)備及人員的集中統(tǒng)一管理，可最大化發(fā)揮系統(tǒng)的工作效益。

由于各驅(qū)鳥器的布防距離雷達和智能驅(qū)鳥管理系統(tǒng)較遠，分布較分散，機場飛行區(qū)跑道兩側(cè)缺乏有線通訊網(wǎng)絡(luò)接口，不便于各設(shè)備之間的通訊，為了使各設(shè)備之間能夠暢通的通訊及達到綜合管理控制的目的，本項目實施時采用4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊方式完成各設(shè)備之間的通訊及聯(lián)動控制，通過采購4G通訊模塊進行系統(tǒng)集成實現(xiàn)。

在通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，需進行硬件電路設(shè)計、器件選型等工作，在雷達站、驅(qū)鳥設(shè)備和探驅(qū)一體管理系統(tǒng)上分別加裝4G通訊硬件，通過軟、硬件調(diào)試，完成探驅(qū)一體化的系統(tǒng)搭建。探驅(qū)一體示意圖如圖4所示。

圖4 探驅(qū)一體示意圖

2.2 探、識、治一體化

探鳥雷達和探鳥光電的引入可實現(xiàn)探、識、治一體化管理。天津濱海國際機場在實際探索中利用探鳥雷達及探鳥光電對整個空域進行搜索，確定目標的威脅等級，通過光電探測設(shè)備對目標進行跟蹤及識別，獲取空中鳥類目標圖像數(shù)據(jù)，并將圖像、位置數(shù)據(jù)通過4G傳輸至驅(qū)鳥工作人員客戶端。驅(qū)鳥工作人員可實時查看人員、鳥類位置關(guān)系，通過辨別圖像數(shù)據(jù)可對鳥情信息有初步的判斷，從而及時采取針對性的驅(qū)趕、治理措施。多種探測手段的聯(lián)合應(yīng)用可指導(dǎo)決策管理人員對本場鳥情信息進行全方位的了解，為驅(qū)鳥工作的開展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

本次天津濱海國際機場應(yīng)用目標識別系統(tǒng)設(shè)計時隨動系統(tǒng)采用高精度云臺進行響應(yīng)捕獲，云臺具有大角度旋轉(zhuǎn)及上下90°的俯仰動作能力，跟蹤鏡頭可采用廣角鏡頭和變焦距硬件，實現(xiàn)目標的遠距離識別能力，為了保證目標識別設(shè)備白天和黑夜的工作能力，光電識別設(shè)備研發(fā)時可設(shè)計紅外探測器等硬件。

探鳥光電探測輸出的數(shù)據(jù)中包含鳥類圖像信息、目標的位置信息、目標的高度信息及其種類信息。此類目標數(shù)據(jù)可做2方面的應(yīng)用：①數(shù)據(jù)實時傳輸至驅(qū)鳥人員端口，為驅(qū)鳥工作提供實時探測數(shù)據(jù)支撐；②數(shù)據(jù)在后臺分析模塊中進行存儲，在后臺分析人員分析數(shù)據(jù)時，將圖像數(shù)據(jù)融合雷達數(shù)據(jù)、人工巡視數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)等多數(shù)據(jù)源，綜合呈現(xiàn)鳥、生態(tài)、設(shè)備之間的潛在關(guān)聯(lián)，為生態(tài)治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)驅(qū)鳥工作探、識、驅(qū)、治一體化管理。

3 結(jié)論

隨著科技的進步，機場驅(qū)鳥工作的業(yè)務(wù)形態(tài)也會產(chǎn)生變化。新技術(shù)的應(yīng)用需要適應(yīng)機場業(yè)務(wù)開展的實際需求，不能簡單地分項引進、簡單拼湊，機場管理部門需要的是一套貼近實際的完整解決方案。本研究實際應(yīng)用了探鳥雷達、探鳥光電、智能驅(qū)鳥系統(tǒng)等先進設(shè)備，同時針對各個設(shè)備的特性和設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，定制了機場智能鳥防系統(tǒng)。機場智能鳥防系統(tǒng)的應(yīng)用可將單一的探測設(shè)備、驅(qū)鳥設(shè)備及業(yè)務(wù)流程完全整合在一起，形成一套適應(yīng)中國民航機場的鳥防業(yè)務(wù)模式，為國內(nèi)機場管理方提供參考依據(jù)。