空管智慧台站的系统设计

黄涛 王晓艳

（安徽四创电子股份有限公司 安徽省合肥市 230094）

1 项目背景

随着民航事业的发展，国内通信导航监视等空管设备数量与日俱增，品种类型多，新旧差异大，导致空管设备的运行和管理难度增大、人力成本和维修保养成本升高。目前通信、导航和监视台站的信息采集系统较为分散，采集覆盖面集中在机房环境、配电等，缺乏对核心空管设备的监视，且各类数据接口差异很大，异构数据众多。同时动力环境监控、安防视频监控、空管设备监控各成一套系统或多套系统，监控信息不集中，告警信息、故障信息无分级，大大增加了技术保障的工作量，难以满足当前民航空管“大运行、大岗位、大值班”的运行要求[1]。本文设计出的一套空管智慧台站系统能够有效地解决这个问题。

2 设计目标及思路

系统设计必须从设计目标出发，充分挖掘需求，再根据需求确定总的设计思路。

2.1 系统需求

智慧台站的应用人员主要包括维保人员和管理人员。

在空管局最新的岗位融合要求下，一名维保人员日常负责巡检多个分散的通信导航监视台站。传统方式费时费力，迫切需要在不用到现场的情况下，维保人员通过远端监控中心及时获取各个台站的环境及设备的状态数据和视频信息，以及单个台站综合分析结果和预警结果的，同时系统可需要实现自动或远程手动控制相关设备。

管理人员主要关注所管辖的各个台站的总体运行情况和值班人员工作状态。系统要将采集到的台站动力环境运行数据和设备运行状态综合分析，得出台站健康状态提供给管理层；同时将设备无故障运行时间、备件充足状态、雷达威力覆盖和监测数据质量情况采用多种方式输出，方便管理人员全面的掌握各个台站的运行状态和值班人员工作状态。

2.2 设计思路

本系统利用现有分散式的台站监控，设计空管智慧台站的架构，建立具备监控内容涵盖动力环境安防、空管设备管理和数据质量评估等全面的监控管理能力的智慧化台站；实现监控数据处理过程以及系统日常运行工作的高度信息化；实现高度统一的信息共享、相互协调和联动功能，将台站整体监控及管理所需要的重要信息进行综合处理、集中管理；充分采用智能化技术，减少人工监控管理压力；利用移动互联网技术，实现远程控制和查看实时数据。

3 系统架构设计

3.1 业务架构

通过对系统需求的详细分析后，智慧台站系统的业务架构主要包括数据来源层、数据存储层、数据模型层，数据接口层、业务应用层、业务展示层和用户终端这几个部分[2]。如图1所示。

图1：系统的业务架构

图2：单站运行态势

3.2 安全架构

根据采用的网络信息结构，从系统和应用的角度出发，系统的安全架构划分为五个层次，即物理层、网络层、系统层、应用层、安全管理层，每个层次采用不同的安全策略[3]。具体满足要求如下：

（1）物理层：主要是对信息系统部署的场地环境（消防、通风、静电干扰等）及所用的物理设备（如交换机、路由器、服务器等）进行安全保障；

（2）网络层：主要涉及对网络体系结构（是否按照安全体系结构和安全机制进行设计）、网络通信协议、网络操作系统等内容的安全因素进行周密考虑；

（3）系统层：信息系统的操作系统、数据库、Web 系统、桌面应用系统等须进行采取对病毒危害等有效防护措施，以保障系统的安全运行；

图3：安装巡检机器人的雷达机房

图4：采用摄像雷达的周界安防监控

（4）应用层：须采取有效的身份认证与授权控制进行系统的登录认证，并保障信息传输的机密性和不可抵赖性风险；

（5）安全管理层：安全的网络设备离不开人的管理，好的安全策略最终要靠人来实施，因此，须制定责权分明的安全管理制度和相应的管理解决方案，以确保安全体系的有序运行。

4 关键技术

本系统涉及的关键技术及解决方法包括以下几项内容：

4.1 多源多维度物联感知数据采集技术

目前空管台站的信息采集系统较为分散，采集覆盖面集中在机房环境、配电等，缺乏对核心空管设备的监视，且各类数据接口差异很大，异构数据众多。针对通信、导航和监视台站的差异，本系统通过接口开发标准化以覆盖有效的传感器网络，并将之有机的统一起来，既具有集中性又兼顾了后期扩展性。

4.2 基于OCR的图片中有效信息数据提取技术

空管台站一部分的仪器状态和性能数据来自于摄像头定期拍照的照片，需要我们从图片中提取出图片中各个仪器的状态和性能数据。与其它信息数据一样，在计算机中所有扫描仪捕捉到的图文信息都是用0、1 这两个数字来记录和进行识别的，所有信息都只是以0、1 保存的一串串点或样本点。OCR 识别程序识别页面上的字符信息，主要通过单元模式匹配法和特征提取法[4]两种方式实现字符识别。

4.3 基于音频特征分析的设备状态异常发现技术

空管台站部分的仪器在日常运转过程中会发出规律的声音。我们采用音频采集设备不断采集声音。首先标注好设备运行正常的音频，将模型信号转换成数字信号，提取出正常音频的特征规律。然后再使用流式分析从采集音频文件中实时地提取出实时的音频特征，将实时音频特征与正常的音频特征做比较，设定一定的阈值，如果两个特征相差超过一定的阈值，则发出设备运行状态异常的预警。

4.4 空管设备健康状态评估模型技术

智慧台站的根本任务在于如何通过智慧化的技术，保障好核心的空管设备，因此需要从空管设备的外部环境和设备自身内部状态两个方面来考虑，系统从这两个方面，以监视雷达为例进行研究，实现较为有效的空管设备健康状态评估模型。通过对已经标准化存储的数据按照业务需求进行挖掘分析，最后通过统一的服务接口向不同的应用方提供数据服务。

4.5 海量多源物联数据的存储、快速检索分析技术

智慧台站的物联设备种类多，采集到的设备状态和性能指标数据量大。数据存储管理子系统，依托于大数据分析挖掘管理平台，对接入的各类数据，按照统一标准进行规范化存储，实时观察到数据的存储状态。同时，针对不用的业务应用场景，存储的数据按照不同的类型和维度进行统计分析和业务建模。

4.6 不同种类计算方式的融合技术

系统前端采集设备采用边缘计算，在每个台站汇聚的图片解析采用雾计算，上传到中心端解析的资源采用云计算。在本系统中，边缘计算、雾计算和云计算在数据处理和分析流程的各个阶段发挥各自的优势，实现三种计算方式的有机结合[5]。

5 系统组成

系统的实现离不开硬件设备和软件系统的有机结合，智能感知设备组成了系统的主要硬件部分，与之配套设计的智慧信息管理平台构成了系统的软件部分。

5.1 智能感知设备

系统采用先进的物联网技术和传感器技术，将常规工作环境监控设备升级为包括智能的空管设备配套动力环境监控、空管设备状态监控和空管相关业务监控等设备在内的智能感知设备，主要有：

（1）集成摄像雷达的周界安防监控；

（2）设备备品备件智能货架；

（3）消防系统监控；

（4）动力设备监控；

（5）环境监控：包括室内和室外两个环境；

（6）通信导航监视设备监控；

（7）机器人巡检设备；

（8）运维指挥中心。

5.2 智慧信息管理平台

该平台以用户业务为中心，针对不同的业务流程和数据管理需求建立的一套软件系统，包含了多项功能，主要有：

（1）台站数据采集功能；

（2）基础数据管理功能：管理公共基础数据库、环境监测库、地理信息库、台站运行库、专家决策知识库；

（3）运行态势监测功能；以单站和系统两个级别在统计维度的综合展示。呈现方式多样，包括双轴图、曲线图、柱状图，满足用户不断变化的统计需求，系统可通过报表分析能够有序地展现台站运行状态的所有管理指标，生成各种分析报告和图表，全面呈现设备资源、告警统计、系统运行状况等，为故障诊断和用户决策提供科学、可量化的依据；

（4）设备健康状态评价功能；

（5）台站信息三维显示功能；

（6）台站站点管理功能；

（7）预警与联动功能；

（8）监测数据分析功能；

（9）用户与平台管理功能。

5.3 系统展示

如图2、图3、图4所示。

6 项目意义

本项目通过多种新技术与实际业务的有机结合，实现了空管台站的智能化升级，具体意义体现在以下三个方面：

6.1 提高了台站的运行效率

应用在通信导航监视等领域的有人、无人台站，可以实现远程物联和自动管理，实现高度自动化管理和精细化管理，进一步提升效率，节省了大量的人力物力。

6.2 增强了设备的维保能力

空管设备维护保障部门可以利用智慧台站平台在采集的大量真实数据和排故案例，进行维护保养和应急处置培训，提高人员维护保养和应急处置的能力。

6.3 促进了台站建设的标准化

智慧台站为进一步的集中监控提供了更为标准的接口、丰富的信息和可靠的数据，为全国通导监设备的集中监控和统一管理提供科学有效的依据。

综上所述，本系统具有很好的推广应用价值。