物联网驱动模式下的跑道防侵入方法及应用研究

强国而努力奋斗》的重要讲话，首次全面阐述了民航强国建设的意义、作用、目标、战略、途径和保障措施。他提出“我们民航要抓住当前国家有利的产业政策机遇，加快物联网在民航领域中的应用研究，促进物联网在民航业的快速发展，真正利用物联网带来的科技创新为民航强国建设提供强有力的支撑。本文结合中小型机场航班量、运营成本及设备维护等特点，采用基于物联网关键传感器技术用于跑道保护区域航空器和人员活动的监测，研究一套能提供地面保护区实时状态和告警功能的跑道防入侵系统，能有效地弥补管制员在极端的天气条件下，对场道的监控的缺失，从而保障跑道的安全运行。

1.国内外跑道防侵入方法

据统计，空中交通管理中68%的事故发生在地面阶段，2003至2006年度美国NAS内的500多家机场共计发生了1306次跑道侵入事件，其中有4次导致了相撞事故，虽然没有造成人员伤亡，但极大影响了机场的正常运行，造成了巨大的经济损失，据ICAD针对跑道侵入的统计显示，截止到2008年，全球航空业由于跑道侵入而造成的损失平均每年超过1亿美元。针对跑道防侵入的方法，国内外对其进行了深人的研究，并提出了几种方法来防止跑道侵入事件的发生。

在国外，尤其是美国在这方面投入大量的科研经费，其主要的研究成果包括：Steven Young等结合NASA和其他的合作伙伴开发一款高级平面器件运动指引和监控系统（ASMGCS），用来解决跑道侵入和提高操作的可能性；Rick cassell等提出跑道侵入劝告及预警系统（RIAAs），该系统利用航天器的位置进行监控，RIAAS原型系统采用ADS-B和TIS的数据来分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的规则进行判断，从而做出预警；Denise Jones针对防跑道侵入系统的评估，采用NASA研究中心的数据采用模拟仿真的方法对跑道侵入事件进行防范，以提高操作性和避免跑道侵入事件的发生；Sharma等通过探测物体的位置采用一系列的控制器，如导航控制器、交通信息控制器等收集到的信息集成到一个监控系统，对跑道侵入可能性进行分析，从而为塔台工作人员提供有用的决策信息及支持。

我国相关的研究及技术还处在起步发展阶段，王宇等基于计算机视觉原理，针对机场跑道异物检测和识别系统，提出一种基于边缘特征的异物检测方法，采用Gabor纹理的异物特征提取方法，通过模拟实验表明该方法的可行性，但这方面的研究还处于实验室阶段，没有真正应用于实际，而且该方法没有考虑实际机场环境下天气、尘粒等干扰因素的影响；目前的主要措施包括采用先进的机场地面检测设备和机场活动区域案例系统等高度自动化的计算机系统，防范跑道侵入，一旦发生，立即做出响应和警报，以此给管制员以足够的时间和空间来避免和解决跑道侵入；机场跑道区域，以及机场航空器、车辆等运行区域，尤其在跑道入侵发生概率高的区域，将所有的标记、信号灯等進行规范化便与飞行员与管制员之间的协调；并在此区域建设隔离栏，防止车辆和行人在未经许可下，进行到此区域，而影响到管制员的控制与管理；跑道入侵中30%的原因来源于管制员的失误与偏差，而管制员的失误与偏差主要来源于管制员的责任意识不强相关安全意识不够，管制员使用的机场用语不标准，因此要不断加强管制员的专业知识和职业责任意识的培训。管制员是保障跑道安全的最重要因素，罗定宇从塔台工作人手，参考FAA的先进经验，提出全面扫视的工作模式，帮助塔台管制员更好地了解运行错误产生的原因，建立良好情景意识，建立正确的工作模式，缓解工作压力，从而减少错误的产生。但是目前大多数的中小型机场主要采用视频监控、人员巡查、对讲机通讯等传统的“目视化”管理模式对跑道侵入问题进行管理，这些传统的方式极易受到天气、人为因素的影响，从而造成大量人力、物力、财力的资源开销，但是投入与产出却远远达不到预期值，表现为监视效率低、结果不明显、容易出错等。

2.系统总体架构设计

针对中小型机场跑道侵入问题，遵循“加强资源整合、完善功能定位、扩大服务范围、优化体系结构、最小化投入成本”的原则，利用物联网技术研发一套物联网驱动模式下的跑道防侵入实时监控系统。其系统架构如图1所示，系统共包括四层：感知层、网络层、控制层和决策层。感知层采用光纤传感器、红外传感器、微波和激光探测器、射频传感器等感知设备实时采集机场跑道及周围环境的多维数据，通过传感器的主动式采集传输，为决策层提供准确及时的数据；网络层采用光纤网络和无线传感网络（如zigbee等）把感知设备采集到的数据传送到控制层；控制层采用路由器、数据信号转换设备和其他控制器，把收集到的数据信号进行过滤、清洗、分类、加密、传输等操作，把完整、实时、准确的数据传输到决策层系统，用于辅助决策的制定；决策层包括一个集实时监控模块、可视化管理模块、调度辅助模块等主要功能于一体的软件系统，配合硬件感知设备的运作，为塔台管制员、调度员、机场巡查员等用户提供多种监控方法。

3.系统实现

本文围绕“物联网驱动模式下的跑道防侵入实时监控系统”的框架设计、主要功能模块开发和集成，完成一套适应于中小型机场的跑道侵入事件的防范系统，该系统集传感技术、网络技术、控制技术和决策支持模型于一身，系统总体设计如图2所示，各个数据接口将数据通过交换机传输至综合数据处理器中进行系统所需数据的提取和加工，并存储在服务器数据库中等待用户终端调用。为了保障数据传输的高可靠和实时性，在对单网通信进行可靠性设计的基础上，采用了双冗余结构，在其中一网失效时，能自动无缝切换到另一网，不影响管制员的正常工作。

4.关键技术分析

4.1跑道冲突区域的探测模型

针对跑道侵入主要因素（人、车辆和航空器等）实时监控的需求，采用多传感器结合的多维数据采集策略，对跑道分为三级区域进行集中监控，如图3所示。在跑道保护区域和跑道枢纽区直线上按一定的间隔连续架设激光探测头和zigbee人体红外探测器，通过激光束形成的闭环路激光探测网，对进入区域内的航空器和车辆进行监测，同时利用zigbee探测器组成的无线传感器网络对跑到内人员活动进行监控。在滑行道铺设zigbee无线传感网络，利用zigbee节点的身份标识，为载有zigbee设备的车辆和航空器实现在滑行道内精确的位置定位，从而避免滑行道内的车辆和航空器的冲突。

为了满足系统中各部门的主要功能，系统关键实现技术主要包括以下几个部分：

1）充分利用地面（特别是跑道及其周围环境）多维数据，采用物联网关键传感技术对多维数据进行采集

针对跑道侵入主要因素（人、车辆等）实时监控的需求，在复杂天气，如浓雾，雷暴等情况下异常物体的检测变得十分困难，采用传统的手段，如视频、现场人员安排等无法实现安全、可靠、准确、实时的现成跑道及周边环境数据的采集，因此，本文提出一种多传感器结合的多维数据采集策略，分别采用光纤传感器、微波和激光探测器、红外传感器等物联网感知设备，对侵入跑道的异常物体进行实时感知，把温度等数据对应于异常物体探测的种类，实现实时异常情况的监控。

2）利用机场动态环境下集成光纤及无线传感网络的网络传输机制及集成技术，实现多场数据的稳定与可靠传输

研究机场动态环境下感知数据的网络传输机制，以实现传感器节点感知数据在光纤及无线传感网络的传输、交互等互操作方法，建立动态环境下的网络集成模型，以实现温度数据、光纤探测数据的可靠传输，提出异构网络集成机制，以实现多场数据稳定性传输。

3）采用异构数据统一处理、表征、加密和管理方法，综合考虑涉及跑道侵入的各种数据，统一数据格式

研究动态环境下的感知数据控制及管理方法，提出感知数据的信息表达、资源描述、信息处理及加密方法，以适应机场背景下的感知数据应用，提出数据统一标准模型，采用统一的数据表征格式，为支持决策提供准确无误的数据支撑。

4）针对不同用户群体开发适用的模块，以协助其日常工作

该研究内容主要包括以下三个主要功能模块：

实时监控模块：该模块针对机场异常物体探测的实时眭要求，通过实时控制技术实现感知设备、传输网络及控制层设备的管理，如系统参数配置、设备注册及工作状态监控，该模块采用socket技术对设备端口进行实时管理，以保证设备的正常运行。

可视化管理模块：针对感知数据抽象、离散等特点，利用可视化技术把感知数据还原成现实数据，通过三维模型表达的方面呈现给用户，从而把传统的目视化管理变成可视化管理，用户可以通过该模块对跑道侵入进行实时监控，通过调控机制杜绝此类事故的发生，同时，如果系统检测可能发生航天器异常事件，系统将自动发送预警信号给塔台管制员及驾驶员，以避免事故的发生。

调度辅助模块：该模块把感知设备采集的数据进行清洗、分类、挖掘，得到有意义的数据用来分析航天器的调度，通过异常数据实时对调度结果进行修正，实现基于可靠性感知数据的调度决策，把机场跑道资源、航天器资源等有限资源进行统一整合，通过最优化算法实现资源利用率最大化。

5.实验结果

为测试系统的实际效果，模拟在某机场搭建一个基于激光探测器简易测试平台，其监控席位的软件界面如图4所示。激光探测器被成对的放置于跑道和滑行道入口的两侧形成一个闭环，只要跑道被指定为起飞或降落状态，任何飞行器、车辆企图进入滑行道都将触发告警，同时提供声光告警提示。只要管制员不手动解除告警，系统将以3秒的周期持续告警。实验证明该系统能提供跑道保护区实时状态和告警预测，能有效地弥补管制员对场道监控的缺失，从而保障跑道的安全运行。

6.结束语

本文对跑道防侵入的国内外研究现状进行了相应的分析，并从中提炼出针对中小型机场的防入侵的实际运行需求的技术解决方案，从经济、实用和可靠性的角度出发，利用物联网技术将多种传感器、激光探測器，以及相关的监视数据进行整合，来实现对场面的飞行器、车辆和人员的实时监控预警。该系统对于中小型机场的安全运行具有重要的借鉴和应用价值。

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