基于信号强度分析的智能民航飞机轮档计量系统设计*

姬雨初 崔欣怡 熊志浩 陈涛 叶锐

(中国民航大学,天津 300300)

0 引言

随着我国经济的稳定快速发展,我国民航业也逐渐兴起。经过几代民航人的不懈努力,我国民航产业已达到世界第二的水平,仅次于美国。而民航产业的持续发展,也让越来越多的人关注民航产业的生产效率与服务质量。

在飞机降落后至起飞之前,需要完成一系列的保障任务节点,并在完成必要的结点之后才能够起飞。为了实现对飞机起降的管理,目前可凭借管理人员的经验判断还没完成的保障业务节点大概在何时完成,这种手工采集的方式存在时间不精确、效率低、出错率高的问题。并不适应机场未来信息化、智能化的发展方向。作业时间节点中挡轮挡与撤轮档时间显得尤为重要,其原因是轮挡时间是航空器划分空侧用时与陆侧用时的关键时间节点,是标志地面保障开始与结束的时间,同时也是衡量航班是否延误与机场放行是否正常的时间节点。

对于轮挡时间的计量,目前仍然使用人工进行计量,但可见的专利与论文中,已经有不少智能计量方法被提出。目前所能检索到的相关专利资料中,给出的方案主要有如下几种:(1)基于射频技术的自动计时轮档;(1)基于机坪图像识别与模式识别,通过判定航空器状态与地服人员状态以获取上轮当、撤轮档动作;(3)通过在轮档上加装压力感器、振动传感器或其他类型传感器,结合轮档的位置状态,获取轮档的位置与状态特点,以判断轮档作业状态;(4)基于光栅等非可视光或低功率激光,判断轮档是否接近航空器轮胎,以判断轮档的作业状态[1-2]。

本系统针对民航飞机轮挡作业状态开展监测方法研究,具体为结合无线传感网技术,提出一种基于信号强度分析的智能民航飞机轮档计量系统。该系统在每一个机坪上设计若干个低成本检测基站,轮挡上安装低功耗发射器。当轮挡在机坪存放处存放或航空器到来后放置在机轮处,检测基站会检测出不同的轮档信号强度分布,以此分辨出飞机轮档作业状态。同时建立远端信息监测与管理系统,用于机场运行部门进行安全事故或隐患纠查,也可为运行管理所涉及轮挡时间提供技术信息。

1 系统设计

智慧轮挡采用传统橡胶轮挡作为载体在其中嵌入Zigbee无限通讯模块作为整个系统的终端模块,然后在停机坪设立多个节点安装Zigbee模块作为接受模块。接受模块接收到信号后通过指定的基站上传至云端。最后用户可在客户端读云端的信息从而判断轮挡状态。

轮挡材料选择考虑了环境因素导致性能下降和材料变质给轮挡带来的影响,所以本系统设计的智慧轮档选用橡胶材质。

智慧轮挡的实现需要借助无线通讯技术,从而实现对采集数据的接收,转发至指定服务器的功能。综合考虑之后,本系统选择Zigbee技术。

本文中,并未用到Zigbee的组网技术,而是使用期较为成熟的商业模块和开发环境。轮档中放置Zigbee模块,每隔一段时间(1～2s)向外广播自己的ID号,之后便进入休眠状态,满足轮档低功耗要求。检测基站同样适用Zigbee模块,在接收到轮档模块的发射信号后,对其进行解析并读取信号强度值,在经过RSSI换算后,得出轮档距离其大概位置与大概分布,进而判断出轮档的位置。

本系统考虑了利用RSSI测距技术和基于此技术的定位算法进行对轮挡的定位,实际应用中受多径、阴影等噪声干扰影响,误差较大,影响定位精度。因此在测得数据后,采用最小二乘法估计法来减小其误差。Zigbee模块在信号传输时其RSSI值随两模块之间的距离变化而不断变化。我们可以在接收模块读取出其RSSI值来判断终端模块的位置变化。当所接收到的RSSI值为设定好的范围时便视为工作状态,并开始计时。撤出轮挡时,RSSI值不在设定好的范围内则工作状态结束并结束计时。

图1 航空器停泊前后轮档放置状态Fig.1 Wheel chock placement before and after aircraft berthing

本系统借助4G DTU设备,将传感器采集到的数据包转发至基站,再上传至云端,从而使客户端可以通过指定的IP获得轮挡的数据。

4G DTU是一种广泛用于工业物联网数据传输的终端设备,支持TCP和UDP两种报文格式,多SOCKET接口。本系统将传感器采集到的数据封装至TCP报文中,通过4G DTU设备进行转发,在客户端进行报文的解析,从指定位置获得数据。

借助4G DTU设备与公共网络互连,以实现上位机和检测终端的通信,其优势在于实验方便、测试较为灵活,不受基础网络搭建条件的限制,且实现成本较低。然而,借助公共网络也存在安全性与稳定性两方面的问题。安全性方面,机场轮档数据为运行敏感数据,具有一定的机场运行管理与经济价值,使用公共网络传输有被窃取篡改的风险,因此需要建立访问认证、防火墙与加密操作。稳定性方面,公共网络受旅客数量、基站吞吐量等客观环境影响,尤其是机场客流量较大时,旅客手机会占用大量公共网络资源,造成数据延时或丢包。对于已建有千兆生产网,自身可提供基础网络的机场,也可借助其基础生产网络实现上位机和检测终端的连接,提高系统稳定性与安全性。

2 轮挡状态判别算法设计与验证

航空器驶入机位前后,轮档的放置状态分别如图1(a)和图1(b)所示。图中,以C类航空器为例,根据机务保障要求,其机坪停泊状态下共需要6个轮档。图中圆圈表示本文所设计的具有WSN信号发射功能的轮档,当轮档未放置时,通常其处于机坪左上角的轮档堆放区(如图1(a)所示)。当轮档放置后,6个轮档分别位于鼻轮前后,左主轮前后、右主轮前后。

轮挡未放置时,由Zigbee路由器放在飞机停放地面的四角组成一个包围盒;此时轮挡未在指定放置位置且处于包围盒内时或轮挡处于包围盒外时,利用信号传播接收强度以及信号在轮挡内的协调器和四周路由器之间的传播损耗算出轮挡与路由器的距离,然后将四周路由器的距离数据总和,利用包围盒算法确定轮挡未处在要挡的位置或未触发机械开关,此时识别到轮挡状态为未工作,路由器停止向终端发送信息。

轮挡已放置时,此时轮挡放在指定放置位置时,利用利用信号传播接收强度以及信号在轮挡内的协调器和四周路由器之间的传播损耗算出轮挡与路由器的距离,然后将四周路由器的距离数据总和,利用包围盒算法确定轮挡处在要挡的位置且触发机械开关,此时识别到轮挡状态为工作,路由器向终端发送飞机停机时间等信息。

与此同时,轮档在不同位置时,机坪四周四个检测基站,也会检测到不同的轮档节点信号强度分布,综合即可判断出轮档是否放置。

下面对基于信号强度的轮档放置状态进行实验。轮档中放置的发射模块与检测基站均使用CC2530模块。

无线信号的发射功率和接收功率之间的关系可以用式(1)表示,PR是无线信号的接收功率,PT是无线信号的发射功率,r是收发单元之间的距离,n传播因子,数值大小取决于无线信号传播的环境。

在公式(1)两边取对数可得到式(2),

节点的发射功率是已知的,将发送功率代入式(2)中可得式(3),

式(3)的左半部分10lgPR是接收信号功率转换为dBm的表达式,可以直接写成式(4),在式(4)中A可以看作信号传输1m远时接收信号的功率。

由式(4)中可以得到常数A和n的数值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系,分析这两个常数对信号传输距离的影响。

验证实验中,使用matlab利用已知发射信号强度和接收节点收到的信号强度,计算在传输过程的损耗,使用信号模型将损耗转化为待定位目标与已知节点之间的距离。

Matlab仿真结果表明,轮档未放置时,机坪上方两个检测基站,尤其是左侧检测基站检测到轮档信号强度较强,而下方两个检测基站检测轮档信号强度较弱。当轮档放置后,下方两个检测基站能检测出有4个轮档的信号强度有所增强。利用轮档不同状态下的信号强度分布,即可实现对轮档不同状态的判断。

实际测试环境下,由于航空器为巨大导电体,轮档与检测终端之间的无线传输一定程度上收到航空器的阻碍,检测终端收到的轮档RSSI数值与理论值存在一定的误差。但由于轮档在未放置与放置状态下存在较大的位置差,因此两种情况下4个检测装置接收到的轮档RSSI值差异明显,可以作为上下轮档状态的检测标志。

3 结语

本文针对机场航空器作业保障的特征以及实施可行性的问题,提出了一种基于RSSI测距技术和Zigbee通讯技术的智慧轮挡计时计费系统。本系统在新产品设计、编程设计、机械设计、智能控制等方面进行了改进。针对民航运输中存在的轮挡置撤行为失当、信息管理调配失序、人员倦怠作业疏漏的问题,研究轮挡作业状态监测方法,设计构造监测系统,开展作业状态分类与识别及系统低能耗运行方法研究,为智能轮档的实施提供理论研究基础。