基于電力載波通信的助航燈光單燈監控系統研究與應用

任立平，曾思博，劉功貴

(廣州白云國際機場建設發展有限公司，廣東 廣州 510403)

引言

機場目視助航燈光是機場目視助航工程的主要設施，對助航燈光和燈具的布置有四個“C”要求，為在滑行、起飛或進場著陸的飛機提供燈光指示信號，是夜間使用或低能見度條件下運行安全的重要保障設施。然而隨著機場業務量的激增以及智慧機場建設的要求下，傳統巡檢方式人力投入大、效率低、成本高，特別對于大型繁忙樞紐機場、山區機場高塔進近燈光帶區域等，人工巡檢難度高、人工巡檢安全隱患大等問題尤為突出，可靠性及時效性等都難以滿足機場運營的需要。而采用自動巡檢方式的單燈監控系統是解決上述問題的有效方式，機場助航燈光單燈監控系統能夠實現對助航燈的監控和自動巡檢，在助航燈發生故障時及時將故障信息上報監控中心通知工作人員進行維修[1]，并能將故障位置在監視界面上進行定位顯示，維修人員能快速做出響應，大幅提升故障解決速率。當前助航燈光單燈監控系統多采用電力載波通信技術實現，通信與電力傳輸復用燈光回路一次電纜，不需要敷設附加線纜，大大降低了線纜成本，并提升了施工的安全性。本文借鑒智慧城市道路照明領域單燈監控系統研究與應用情況，結合公司在中西部地區兩機場助航燈光項目單燈監控系統應用實踐，對國內某廠商民航機場助航燈光單燈監控系統ICMS系列產品展開研究探討，詳細闡述了其工作原理、信道建立、關鍵技術、調制與解調等內容，并進行了總結，為后期開展更深入地研究和應用提供參考。

1 單燈監控系統研究情況

單燈監控系統在智慧城市道路照明領域應用較為普遍，參與研究的廠家較多，品類齊全。通過文獻研究，道路照明領域實現單燈監控的通信技術主要包括電力載波方式、無線傳輸方式和其他傳輸方式[2]，其中以電力載波和ZigBee、NB-IoT、LoRa為代表的通信技術應用相對較多[3-6]。而在民航機場目視助航燈光領域，眾多學者對單燈監控系統傳輸方式進行了深入研究，其中文獻[1]中提出將無線傳感器網絡引入機場助航燈光單燈監控系統，可以很好地避免舊機場重新鋪設管道線纜施工等問題，并提出了基于簇的層次化能耗均衡路由協議，通過仿真研究得出其能有效降低無線網絡節點能耗開銷的結論。王丙元等[7]提出了基于無線傳感網絡GPRS/GSM技術的助航燈光單燈監控系統數據傳輸方案，通過實驗測試得出其能夠穩定可靠進行數據傳輸。許名華[8]通過分析無線傳感器網絡能耗的特點，從硬件、軟件以及路由協議三方面提出了節能措施，設計了基于無線傳感器網絡低功耗助航燈光監控系統并進行了實驗測試。目前，基于無線傳輸的助航燈光單燈監控系統仍然面臨安全性、可靠性與穩定性等問題，實際應用還存在諸多難題，而以電力載波通信實現助航燈光單燈監控因技術成熟、安全可靠等優勢贏得業內好評，是目前業內主流的應用方式。2021年民航局先后發布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》與《航空5G機場場面寬帶移動通信系統建設應用實施方案(2022—2025)》，提出要大力推進新一代航空寬帶通信的應用，助力智慧民航系統的建設與運行，目前5G專網及其5G助航燈的研發引起華為等公司的重視，相信在不遠的將來，基于無線傳輸技術的助航燈光單燈監控系統會在民航業步入實際應用。

2 助航燈光單燈監控系統

單燈監控系統最大的優勢在于可以實現單燈監控、按需照明，減少巡燈工作量，當光源及其附件出現故障時，單燈監控系統會報警[9]。單燈監控系統用于單個燈具的監視和控制，可以在不敷設任何附加電纜的情況下，對機場跑道燈光進行逐燈檢測和控制，并能將壞燈報警、隔離變壓器二次短路、壞燈百分率等燈狀態信息以圖形化的方式直觀、準確地反映到計算機界面和模擬顯示屏上，不再需要人巡來確?！傲翢袈省?，當故障燈數量達到設定比率后，才進行修燈[10]，從而可以大大提升故障排除效率，最大程度上保證飛行安全。

2.1 工作原理

結合先前機場工程項目應用實踐，闡述基于電力載波通信的助航燈光單燈監控系統工作原理如圖1所示。

圖1 助航燈光單燈監控系統工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of navigation light single lamp monitoring system

針對助航燈光電氣回路原理可參考筆者先前發表的研究論文[11]，本文不再對助航燈光電氣原理進行闡述。助航燈光單燈監控系統工作原理如下：

(1)調光器開機以后，現場控制主機(CPC)通過CAN總線向通信控制單元(CCU)發送查詢命令，CCU將查詢命令通過隔離變壓器耦合到串聯燈光回路；

(2)單燈監控單元BMC將接收到的載波信息經過硬件濾波、軟件濾波及校驗后，將監測到的助航燈狀態通過隔離變壓器耦合到燈光回路；

(3)CCU將接收到的載波信息經過硬件濾波、軟件濾波和計算，將助航燈狀態通過CAN總線上傳到CPC，由CPC執行顯示、報警等功能，助航燈光監控系統(ALCMS)或單燈監控系統監控終端通過快速以太網或工業控制RS485總線從CPC得到所有相關數據，在界面上顯示被監視燈的狀態和報警信息；

(4)在操作控制場合，CPC接收來自ALCMS或單燈監控系統監控終端的控制指令，并通過CCU將指令發送到BMC，由BMC執行對應燈位或燈段的開、關控制。

2.2 通信傳輸信道

電力載波通信技術是以電力線作為傳輸媒介來實現數據傳輸和信息交換的通信技術，是通過對信號源發出的信號進行編碼和調制，把信息上傳至信道上，并通過電力線進行傳輸，在接收端將耦合的信息解調，再譯碼后送給用戶端，從而完成信息傳遞[12]。文獻[12]中提供了“配電變壓器會阻隔電力線中載波信號，故電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送”的結論。

本文單燈監控系統設定5 kHz信號通道中心頻率，為構建完整的信號傳輸通道，在調光器輸出端安裝一臺以LC器件為主體、中心頻率為5 kHz的無源通信濾波單元(CFU)，通信信號將以燈光回路一次電纜和隔離變壓器初級繞組側為介質，在通信濾波單元與通信介質構建的通信信號閉合回路中流動，該信號傳輸通道的建立可避免恒流調光回路中升壓變壓器對通信信號的阻隔。

圖2 單燈監控系統通信傳輸信道示意圖Fig.2 Schematic diagram of communication transmission channel of single lamp monitoring system

李豐[13]研究結果表明基于電力載波通信的單燈監控系統，負載電容對電力載波信號有很大的影響，這是由于電容器高頻信號的阻抗較小，會使電力載波高頻信號有較大的衰減，可能造成區域性通信故障。對于采用助航燈光串聯回路中進行電力線載波的技術而言，構建如圖2所示的通信信道只能滿足基本通信的要求，針對每種回路對地的電容分布特性，助航燈光單燈監控系統必須要解決該電容分布特性對通信信號的衰減問題。有關研究表明，任何一種基于中高頻為數字傳輸頻點的載波方式，在以非屏蔽電纜構建的串聯回路上的傳輸都是非常理想的，衰減幾乎可忽略不計，而在以屏蔽電纜構建的回路上，由于隔離變壓器相對于助航燈光一次回路屏蔽電纜的不均勻分布，造成了非常復雜的分布電容特性，該特性會在局部對通信信號產生極大的衰減，同時在另一個相對位置對通信信號產生放大作用，造成信號傳輸失真等問題，給單燈監控系統運行造成嚴重影響。

2.3 關鍵技術

為解決電容分布特性對通信信號的衰減問題，ICMS系統采用一個以LC諧振為機理、中心頻點為發生衰減頻段的濾波設備(SFU)的應對方案，如圖3所示，SFU安裝在該調光回路的物理中心點(在靠近回路物理中心點附近的燈箱內增加一個隔離變壓器，SFU安裝在隔離變壓器的副邊，SFU的大小與BMC相同)，以此抬升由于分布電容造成的較低的信號幅度，這是以頻移鍵控(FSK)為核心載波技術的同類型單燈監控系統普遍采用的調制方法，經過現場驗證，這種方法非常有效，在一條回路中可安裝和控制不少于130盞燈，通信能力可達到15 km回路長度。

圖3 單燈監控系統通信傳輸信道優化方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication transmission channel optimization scheme of single lamp monitoring system

2.4 電力載波信號調制與解調

在載波通信技術中，同步信號的選取和信號傳輸時機是非常重要的，也是調制和解調的基礎。交流電在過零點附近具有阻抗連續、諧波污染值低、相位與周期穩定等特點[14]，彭建軍[15]采用過零檢測電路作為電力載波通信收發同步的基準，效果較好。在民航機場目視助航工程中，目前還存在可控硅恒流調光器，其輸出的電流波形在理想情況下才是正弦波，其他條件下均為斷續波，若采用過零檢測將難以建立有效的同步信號基準。為此，ICMS系統的通信控制單元和單燈監控單元以回路電流峰值點作為信號同步點，并以實時高速采樣勾畫每周期的電流包絡線，數字信號只有加載到電流包絡線上才能夠得到有效的傳輸。電流峰值點是電力線載波的相對穩定的合理參照點，根據電流包絡線進行信號傳輸是系統適應不同類型負載的基礎。

(1)信號調制方面，ICMS系統中的CCU的信號發送通過耦合變壓器和隔離變壓器耦合到燈光回路，調試人員將根據回路的實際情況、以單燈監控單元反饋的信號接收幅度進行功率適應性調節。BMC的信號調制不設功率調節，直接采用隔離變壓器作為耦合變壓器，在電流包絡線上進行數字信號的載波傳輸。

(2)信號解調方面，系統中CCU和BMC采用相近的硬件濾波電路和濾波頻點，在硬件上確保信號的不失真解調，兩種設備在軟件控制和算法上采用相同的信號采樣頻率，并以上下行信號的頻率進行相應倍率的抽值、濾波和運算，以此解調并還原來自通信信道的數字信號。數據的校驗采用CRC校驗方法，保證數據還原的完整性和準確性。CCU的信號接收功率也可調，調試人員將根據回路的實際情況及單燈監控單元的反饋信號幅度進行適應性調節。在信號通道建立完整的基礎上，ICMS系統的載波通信幾乎達到了近百萬分之一的誤碼率，這也是ICMS系統能夠穩定運行并得以應用的最大前提[16]。

3 助航燈光單燈監控系統應用

3.1 工程概況

2020年，中西部地區兩新建4C民用機場跑道主降端均設置Ⅰ類精密進近燈光系統；兩機場跑道主降方向地勢落差均較大，部分位置均需在山體間架設鐵塔。I類精密進近燈光系統，由一行位于跑道中線延長線上，間距30 m，從跑道端延伸至距跑道入口900 m、長4 m的短排進近燈具和一排在距跑道入口300 m、長30 m橫排燈具組成，燈具為輕型易折式燈具或設置易碎桿，其中在鐵塔上的進近燈均設置單燈監控裝置。

3.2 監控需求

由于兩機場位于山區，尤其是跑道主降端進近燈光帶均設置在地勢高差極大的山澗、溝壑地區，日常檢修維護極為困難。

如按傳統建設模式，雖然減少了單燈監控系統的建設成本，但運營期依靠人工巡檢燈塔難度極大，成本很高，且巡檢與故障處理不及時對機場運行造成較大安全隱患(圖4)。綜合考慮，兩機場均對機場主降方向安裝在鐵塔架上的進近燈光設置助航燈光單燈監控系統。

圖4 中南地圖某機場跑道主降端進近燈塔Fig.4 Approach lighthouse at the main landing end of an airport runway on the map of Central South China

3.3 系統配置

兩機場單燈監控系統配置方面，應根據回路數量、需監控的助航燈數量進行配置。配置依據為：

(1)在燈光站設置1臺CPC，每條監控回路各配備1臺CFU、1臺CCU以及每個需監控的燈位配套的BMC單元。

(2)跑道主降端進近燈均設計為兩個調光回路，采用兩路能分五級調光的串聯回路供電。

3.4 設備安裝與功能

CPC安裝在燈光站內，是單燈監控系統的中樞，其主要功能為：1)運行單燈監控系統軟件，接收來自上位機的控制和查詢命令，執行控制命令，反饋控制狀態、單燈運行狀態；2)通過安裝在計算機內的智能CAN通信單元和現場控制總線與控制站內的CCU建立通信；3)解析并執行來自上位機的控制命令；4)解析并上傳來自CCU的底層監控對象的數據。

CFU安裝在調光器升壓變壓器輸出兩端，用于抑制回路中的高次諧波干擾，建立CCU、BMC的載波通信信道。

CCU安裝在燈光站內，通過一個標準隔離變壓器接入回路，用于接收集中控制計算機發來的控制和查詢指令，通過電力線載波通信方式向BMC發出查詢和控制命令，并接收BMC返回的助航燈狀態信息，經過信號處理，再把數據上傳到集中控制計算機。

BMC安裝在前端連接在隔離變壓器和受監控的燈具間，每個BMC都有自身的地址碼，通過接收串聯回路上傳送過來的命令字來進行打開/關閉所控制的單燈，并將所控單燈的狀態信息上傳給CCU。

SFU安裝在前端進近燈兩個回路物理中點附件，采用燈箱進行安裝，連接于隔離變壓器次級繞組，用于消除回路電容分布參數對信號傳輸的影響。

3.5 系統運行總結

系統投運后，各項功能滿足要求，達到了單燈監控的目的。根據運行情況，單燈監控系統有如下特性，以供參考。

(1)系統參數設定好后無需定期調校，在燈光回路正常工作情況下，可實現良好的載波通信，通信質量好；

(2)在通信信道構建好之后，單燈監控系統的運行參數只與負載大小有關；

(3)在運行過程中，若回路負載發生變化達到一定數值后，如隔離變壓器及燈具的增加或減少超過預警數量，會引起回路電容分布參數不對稱問題，從而影響到載波通信質量，需要根據負載情況重新調校；

(4)對單芯多股鎧裝屏蔽燈光電纜，在對地懸浮的通信信道下，電纜芯對地絕緣大小甚至包括一點接地均不會對通信信道產生任何影響。

4 結束語

目前，單燈監控系統核心部件還依賴國外供應，實施成本相對較高，現階段難以做到機場助航燈光全覆蓋。單燈監控系統電力載波通信信道受負載變化影響較大，自動參數補償還需進一步研究，單燈監控模塊集成到助航燈也是待研究的課題等。隨著“四型機場”、“品質工程”建設的要求下，以數字化、智能化、智慧化為發展主線的智慧民航正催生機場新一輪技術革命，隨著高級場面活動引導和控制系統(A-SMGCS)的快速發展，單燈監控系統作為其必不可少的組成部分順應智慧化發展方向，必將迎來更廣闊的發展前景。