机场智能鸟防系统研究

袁 红，王羽玥，郭爱强，杜城威，陆 珂，吴然然，陈帷滢

（1.天津滨海国际机场飞行区管理部，天津 300300；2.北京黑森智能科技有限公司，北京 101399）

鸟击是指航空器起降或飞行过程中与鸟类、蝙蝠等动物相撞的事件，或者是因为动物活动影响到正常飞行活动的事件。随着航班量的持续增长和生态环境的不断好转，中国机场的鸟击防范工作压力越来越大。传统的驱鸟手段主要为人为巡视驱赶和设备固定式部署、随机式开启的单机运行状态，此种方法已经逐渐不太适应新时期鸟防业务工作要求[1]。近年来，探测设备的快速发展给鸟防工作带来了一定的便利，但探测设备种类繁多，同时存在行业迁移的匹配适应性问题，增加机场实际应用的试错成本。本研究对探鸟雷达、探鸟光电及机场鸟击防范业务管理系统进行综述分析，在天津滨海国际机场实践融合应用此类设备，形成了一套完整的探、驱、识、治一体化的机场智能鸟防系统，为全国机场驱鸟工作的开展提供参考[2]。

1 鸟防科技产品

1.1 探鸟雷达

雷达发明于20世纪40年代，初期主要用于防空预警。随着科学技术的进步，各式体制的雷达已在多领域得到广泛应用。雷达鸟情探测技术的难点在于对“低、慢、小”目标的探测，同时由于鸟类种类繁多、飞行活动的多样性与不确定性，与传统对空探测雷达不同，鸟类探测雷达的技术核心在于对飞鸟的特殊信号处理与目标跟踪算法。鸟情探测雷达可以提供鸟类活动位置、高度、速度等基本信息，常见扫描范围水平约5 km，高度约1 km。

经过30多年的发展，国际上已经研制出了相对成熟的“雷达探鸟系统”，最具代表性的是美国的Merlin雷达、加拿大的Accipiter雷达、荷兰的Robin雷达等，上述3个厂家均有成熟的机场鸟类探测雷达产品。国内方面，部分厂家也相继开展了探鸟雷达技术研究与产品开发，相关产品在中国多个机场进行了大量测试[3]。

探鸟雷达在机场的实际应用仍需要解决无线电频率和产品应用形式2个问题。首先，机场无线电设备众多，探鸟雷达也属于无线电设备，因此，探鸟雷达进入机场应用前，确保不与机场现有无线电设备相互干扰影响成为首要考虑问题。其次，探鸟雷达仅为探测设备，而机场驱鸟目前已经有初步的管理形态，探鸟雷达的引进必将对驱鸟工作的管理带来新的模式。因此，探鸟雷达的产品应用形式需要针对国内机场管理工作进行深度定制。探鸟雷达如图1所示。

图1 探鸟雷达

1.2 探鸟光电

探鸟光电主要为自搜索光电和雷达引导光电2种类型。其中，自搜索光电可以依据高速视频对比及边缘计算核心算法，自动识别搜索范围内昼夜区域内的鸟情信息，不需要鸟情探测雷达引导即可自主工作。同时，自搜索光电后期可升级识别算法，满足鸟种辨认、行为判别等工作，亦可通过坐标系设定计算出目标鸟类的位置、高度、速度等信息。雷达引导类光电需要依靠鸟情探测雷达提供鸟类的位置、高度信息完成视野追踪。目前，鸟情探测光电技术领域发展趋势主要集中在自动搜索光电，其核心技术特点为造价低、算法可升级。但因光电设备受雨、雪、雾天气影响严重，且探测距离短，因此未来适用场景主要集中于小范围区域（场区内或起飞降落航径）的鸟情探测。

探鸟光电的主要作用为完成鸟类图像信息的拍摄，为机场管理人员提供本场鸟情信息数据库。传统的管理模式下，驱鸟人员仅凭肉眼观察对本场的鸟情信息进行观察和统计。光电的引入将极大提高一线人员的工作效率和鸟情观测的准确性。探鸟光电如图2所示。

图2 探鸟光电

1.3 机场智能鸟防系统

科技的进步必然会带来业务方式的改变，机场驱鸟工作同样如此。在传统的机场驱鸟工作模式下，各个模块独立运行，驱鸟人员负责日常巡视和设备维护，驱鸟设备根据设定的时间随机进行驱鸟工作，生态管理部门则负责生态的调研、割草、打药工作。同时，市场上的探测设备、驱鸟设备的供应商又仅提供设备本身的技术指导，使得新的科技产品短期内无法匹配现有的驱鸟业务工作模式。因此，基于新一代的探测技术和驱鸟业务逻辑逐渐衍生了机场智能鸟防系统，如图3所示。

图3 机场智能鸟防系统

机场智能鸟防系统是机场鸟击防范业务的核心中枢系统，系统的优劣关系“探、驱、识、治”一体联动的效能，及业务开展的智能化程度，对于整体机场驱鸟体系建设十分关键。机场鸟击防范管理系统由感知单元、判断单元、执行单元、评估单元组成，形成了完整统一、不断迭代的业务系统。系统构建精良，动态的机场鸟情分区图，采用先进的GIS地理信息单元及数字孪生技术，将鸟击防范业务所涉及的鸟情、设备、人员、生态等多要素进行叠加，经业务智能分析后，可实现多种分析与呈现。此外，系统可结合国内科研领域专项库，为各机场个性化创建鸟类分析与识别库，其内容涵盖了鸟类图鉴、生境、质量、速度、习性、食性、规律等多种内容，同时将各种鸟类的防范技巧与手段进行动态融合，依托智能业务系统，提供内容强大详实的专业性参考。系统融合多种自动化探测领域雷达、光电技术，打通与驱鸟设备联动控制接口，为数据的交互提供兼容性极高的通信、数据格式，确保各类选型设备均能与驱鸟业务适配，实现新时期机场智能鸟防业务的开展。

2 机场智能鸟防系统的应用

在传统的机场驱鸟工作中，发现手段和巡查的方法是采用视频监控设备及结合人工驾驶车辆巡防的方式，沿着巡视路线按照有关要求进行现场巡查。主要存在以下缺点：①虽投入相当多的人力物力，但效率极低，效果不明显，巡视比较盲目，针对性不强；②受巡查时间、范围、道路等因素的影响，对大范围的围界、场区面积，靠人工手段巡查困难；③驱鸟设备都是相对独立工作，设备监控状态不能实时掌握，缺乏统一管理调度等功能；④以往统计的鸟情数据缺乏科学性和全天候数据，不利于指导鸟击防范工作；⑤传统的观测手段受气候等恶劣条件的影响，存在看不远、看不清等不足。

为保障机场运行安全，提高鸟害入侵预警及防范效率，节省人力物力，实现探鸟、识鸟、驱鸟、治理一体化的管理体系，天津滨海国际机场自2017年起开始研究利用探鸟雷达等新技术，探索了一套高效可行的方法。

在实际探索应用中，天津滨海国际机场采用了探鸟雷达、现有驱鸟设备并结合光电目标识别技术，针对机场研究开发了一套智能管理系统，建立科学的鸟情预警、探驱联动、鸟类识别为一体的体系，对机场及周边的空域鸟情进行实时监测及防范管理，给国内机场驱鸟工作的开展提供技术路线实践参考。

2.1 探驱一体化

探驱一体化将探鸟雷达与定向声波驱鸟器、全向声波驱鸟器及煤气炮驱鸟器等各类驱鸟设备组网联动，可实现全天候、全自动24 h不间断驱鸟，使探测、预警、避让、驱赶、监测及数据统计成为有机的整体，全自动联合工作。让鸟防人员、飞行区运行指挥人员及时得到鸟情信息并及时采取相应措施，保证飞行安全，实现信息、设备及人员的集中统一管理，可最大化发挥系统的工作效益。

由于各驱鸟器的布防距离雷达和智能驱鸟管理系统较远，分布较分散，机场飞行区跑道两侧缺乏有线通讯网络接口，不便于各设备之间的通讯，为了使各设备之间能够畅通的通讯及达到综合管理控制的目的，本项目实施时采用4G无线网络通讯方式完成各设备之间的通讯及联动控制，通过采购4G通讯模块进行系统集成实现。

在通讯网络建设时，需进行硬件电路设计、器件选型等工作，在雷达站、驱鸟设备和探驱一体管理系统上分别加装4G通讯硬件，通过软、硬件调试，完成探驱一体化的系统搭建。探驱一体示意图如图4所示。

图4 探驱一体示意图

2.2 探、识、治一体化

探鸟雷达和探鸟光电的引入可实现探、识、治一体化管理。天津滨海国际机场在实际探索中利用探鸟雷达及探鸟光电对整个空域进行搜索，确定目标的威胁等级，通过光电探测设备对目标进行跟踪及识别，获取空中鸟类目标图像数据，并将图像、位置数据通过4G传输至驱鸟工作人员客户端。驱鸟工作人员可实时查看人员、鸟类位置关系，通过辨别图像数据可对鸟情信息有初步的判断，从而及时采取针对性的驱赶、治理措施。多种探测手段的联合应用可指导决策管理人员对本场鸟情信息进行全方位的了解，为驱鸟工作的开展提供科学的数据支撑。

本次天津滨海国际机场应用目标识别系统设计时随动系统采用高精度云台进行响应捕获，云台具有大角度旋转及上下90°的俯仰动作能力，跟踪镜头可采用广角镜头和变焦距硬件，实现目标的远距离识别能力，为了保证目标识别设备白天和黑夜的工作能力，光电识别设备研发时可设计红外探测器等硬件。

探鸟光电探测输出的数据中包含鸟类图像信息、目标的位置信息、目标的高度信息及其种类信息。此类目标数据可做2方面的应用：①数据实时传输至驱鸟人员端口，为驱鸟工作提供实时探测数据支撑；②数据在后台分析模块中进行存储，在后台分析人员分析数据时，将图像数据融合雷达数据、人工巡视数据、生态数据等多数据源，综合呈现鸟、生态、设备之间的潜在关联，为生态治理提供科学数据，实现驱鸟工作探、识、驱、治一体化管理。

3 结论

随着科技的进步，机场驱鸟工作的业务形态也会产生变化。新技术的应用需要适应机场业务开展的实际需求，不能简单地分项引进、简单拼凑，机场管理部门需要的是一套贴近实际的完整解决方案。本研究实际应用了探鸟雷达、探鸟光电、智能驱鸟系统等先进设备，同时针对各个设备的特性和设备之间的关联，定制了机场智能鸟防系统。机场智能鸟防系统的应用可将单一的探测设备、驱鸟设备及业务流程完全整合在一起，形成一套适应中国民航机场的鸟防业务模式，为国内机场管理方提供参考依据。