基于物联网的跑道防侵入监控平台的研究与设计

赵栋 奉泽昊

摘 要 针对国内绝大多数机场普遍缺乏先进的场道监视设备状况，本文研发一种能提供地面保护区实时状态和主动告警功能的跑道防入侵系统。该系统利用物联网平台建立基于感知数据可视化的跑道侵入预测及预警模型，采用物联网关键传感器技术对跑道区域进行实时监测，同时整合地面多种监视数据于一体，根据相应的冲突预警算法实现场道内的冲突告警提示，给出了系统的设计和实现方法。

关键词 物联网 跑道入侵 Zigbee 传感器

中图分类号：TP272 文献标识码：A

近年来，随着航空自由化趋势的加强和飞行流量的增加，跑道侵入风险不断增加。根据加拿大运输部的一项研究表明：一个机场交通量增加20%，将使跑道侵入可能性增加140%。如何有效地提高民航运行的安全性、稳定性已经成为当前国际民航组织和各国民航机构研究的热点问题。

一、研发背景

物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次革命，它通过射频识别、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。随着物联网技术的提出与研究的深入开展，物联网在民航领域的应用也越来越广，结合跑道侵入这一典型问题，研究物联网驱动模式下的跑道防侵入方法及应用具有重要的现实意义，更具有长远的战略意义。

目前除北京、上海、广州三地使用场监雷达地面活动进行监视和预警外，国内大多数中小型机场缺乏先进地面监视设备，跑道防侵入工作主要依赖于空管管制员借助视频监控、人员巡查、对讲机通讯等传统方式进行目视监控。这些传统的方式极易受到天气、人为因素的影响，另外大流量和高强度的工作环境下，这种被动式的人为监控方式，出错的概率和监视效果差是显而易见的。本文结合中小型机场航班量、运营成本及设备维护等特点，研究一套能提供地面保护区实时状态和主动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。

二、系统总体架构设计

系统总体架构设计如图1所示，共包括四层：感知层、网络层、控制层和决策层。

1、感知层采用激光探测器、红外传感器和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。

2、网络层采用光纤通讯和Zigbee无线传输网络技术，把感知层的数据安全可靠地传输到控制层，形成一套适用于机场多传感集成情况下的可靠性网络传输媒介，实现光纤和无线的双路由保障传输。

3、控制层采用路由器、转换器和其它控制设备把采集到的数据进行统一管理，利用TCP/IP标准协议把种异构的感知数据统一标准化，然后对数据进行加密，以防止第三方非法用户窃取采集的数据，采用通用统一的数据表示如XML语言对统一的数据进行表征，以实现在决策层数据运用及共享的兼容性。

4、决策层利用SOA体系结构设计一套基于Internet/Intranet的决策系统，该系统通过权限设计和模块配置化设计，即经过配置后，部分公共信息资源可以被Internet用户访问，涉及保密及重要的信息则通过Intranet在本机场及管理局机构共享，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。

三、系统实现

系统的实现主要如图2所示，包括地面冲突数据的探测、数据处理服务器和实时监控显示告警终端等三个模块。地面监视数据的获取主要是利用激光探测器、红外探测器和Zigbee节点的无线定位技术来实现对航空器、车辆和跑道人员活动的探测，采集到监控数据通过光纤网络和无线传感器网络传至数据处理服务器，由数据处理服务器对监视数据进行提取和加工，并存储在服务器数据库中，结合GPS与雷达数据，进行相应的冲突预警算法，在塔台监控终端实时显示当前跑道内的航空器、车辆位置信息和人员活动情况，并提供相应的告警提示。系统提供多种信号的接口，如雷达信号和ADS-B等，通过融合多方面的数据来实现对场道的监控。采用双冗余结构，在其中一网失效时，能自动无缝切换到另一网。

四、关键技术分析

（一）跑道冲突区域的探测。

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。

图3 跑道区域防侵入探测设计模型

（二）动态环境下感知数据网络传输机制。

采用光纤及无线传感网络的双路由传输机制，以实现传探测数据的稳定与可靠传输。 在跑道两侧铺设光纤，激光探测数据通过光纤网络传至实时监控模块。如图3所示，传感节点数据利用 Zigbee强大的自组网能力和动态路由方式，以接力的方式将数据从一个网络节点传到另一个节点，直至数据处理服务器。

（三）多数据的融合处理。

数据融合是一个多级、多层面的数据处理过程， 主要完成对来自多个信息源的数据进行自动检测、关联、相关、估计及组合等的处理，实现目标识别（特征提取、规则库改造、基于规则的推理或神经网络） 和动态目标航迹融合（包括时空配准、航迹关联）。 融合过程分为3个层次，如图4所示。首先对感知数据的信息表达、资源描述、信息处理及加密方法，采用统一的数据表征格式，获取位置和身份信息。其次进行态势评估，然后根据告警策略进行预警。

图4 数据融合处理过程

（四）跑道监控显示。

软件模块包括实时监控和可视化管理两个部分。

1、实时监控模块：该模块针对机场异常物体探测的实时性要求，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。

2、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。

五、 结束语

跑道入侵是影响民航安全运行日益严重的问题，在目前国内机场普遍缺乏场监雷达监控的情况下，跑道防侵入工作主要依赖于塔台管制员的目视监控。本文从塔台管制员的工作角度出发，利用物联网平台，通过激光探测头、红外传感器和Zigbee节点铺设的监控探测网对跑道内的航空器、车辆和人员进行实时的监控，通过对多个数据的融合处理获得更加精确的场面监视数据。图形化的显示界面，内容直观易操作，同时系统还提供多种数据接口，如场监雷达、GPS和ADS-B等，易于扩展，能有效弥补场监雷达的缺失，保障民航机场的安全运行。□

（作者单位：民航湖南空管分局）

参考文献：

[1]Gershenfeld， N.， R. Krikorian， et al. （2004）. "The Internet of Things." Scientific American 291（4）： 76-81.

[2]王斌， 刘昭度，何玮，侣海，张景波.车用测距雷达研究进展[ J] .传感器与微系统，2006， 25（ 3）：7 - 9.

[3]郭晓静.多传感器数据融合在飞机地面防撞中的应用[J].测控技术， 2008.27（6）：15-16

[4]Zhong， R. Y.， Q. Y. Dai， T. Qu， G.J. Hu， and G. Q. Huang. "RFID-Enabled Real-Time Manufacturing Execution System for Mass-Customization Production." Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 29， no. 2 （2013）： 283-292.