基于电力载波通信的助航灯光单灯监控系统研究与应用

任立平，曾思博，刘功贵

(广州白云国际机场建设发展有限公司，广东 广州 510403)

引言

机场目视助航灯光是机场目视助航工程的主要设施，对助航灯光和灯具的布置有四个“C”要求，为在滑行、起飞或进场着陆的飞机提供灯光指示信号，是夜间使用或低能见度条件下运行安全的重要保障设施。然而随着机场业务量的激增以及智慧机场建设的要求下，传统巡检方式人力投入大、效率低、成本高，特别对于大型繁忙枢纽机场、山区机场高塔进近灯光带区域等，人工巡检难度高、人工巡检安全隐患大等问题尤为突出，可靠性及时效性等都难以满足机场运营的需要。而采用自动巡检方式的单灯监控系统是解决上述问题的有效方式，机场助航灯光单灯监控系统能够实现对助航灯的监控和自动巡检，在助航灯发生故障时及时将故障信息上报监控中心通知工作人员进行维修[1]，并能将故障位置在监视界面上进行定位显示，维修人员能快速做出响应，大幅提升故障解决速率。当前助航灯光单灯监控系统多采用电力载波通信技术实现，通信与电力传输复用灯光回路一次电缆，不需要敷设附加线缆，大大降低了线缆成本，并提升了施工的安全性。本文借鉴智慧城市道路照明领域单灯监控系统研究与应用情况，结合公司在中西部地区两机场助航灯光项目单灯监控系统应用实践，对国内某厂商民航机场助航灯光单灯监控系统ICMS系列产品展开研究探讨，详细阐述了其工作原理、信道建立、关键技术、调制与解调等内容，并进行了总结，为后期开展更深入地研究和应用提供参考。

1 单灯监控系统研究情况

单灯监控系统在智慧城市道路照明领域应用较为普遍，参与研究的厂家较多，品类齐全。通过文献研究，道路照明领域实现单灯监控的通信技术主要包括电力载波方式、无线传输方式和其他传输方式[2]，其中以电力载波和ZigBee、NB-IoT、LoRa为代表的通信技术应用相对较多[3-6]。而在民航机场目视助航灯光领域，众多学者对单灯监控系统传输方式进行了深入研究，其中文献[1]中提出将无线传感器网络引入机场助航灯光单灯监控系统，可以很好地避免旧机场重新铺设管道线缆施工等问题，并提出了基于簇的层次化能耗均衡路由协议，通过仿真研究得出其能有效降低无线网络节点能耗开销的结论。王丙元等[7]提出了基于无线传感网络GPRS/GSM技术的助航灯光单灯监控系统数据传输方案，通过实验测试得出其能够稳定可靠进行数据传输。许名华[8]通过分析无线传感器网络能耗的特点，从硬件、软件以及路由协议三方面提出了节能措施，设计了基于无线传感器网络低功耗助航灯光监控系统并进行了实验测试。目前，基于无线传输的助航灯光单灯监控系统仍然面临安全性、可靠性与稳定性等问题，实际应用还存在诸多难题，而以电力载波通信实现助航灯光单灯监控因技术成熟、安全可靠等优势赢得业内好评，是目前业内主流的应用方式。2021年民航局先后发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》与《航空5G机场场面宽带移动通信系统建设应用实施方案(2022—2025)》，提出要大力推进新一代航空宽带通信的应用，助力智慧民航系统的建设与运行，目前5G专网及其5G助航灯的研发引起华为等公司的重视，相信在不远的将来，基于无线传输技术的助航灯光单灯监控系统会在民航业步入实际应用。

2 助航灯光单灯监控系统

单灯监控系统最大的优势在于可以实现单灯监控、按需照明，减少巡灯工作量，当光源及其附件出现故障时，单灯监控系统会报警[9]。单灯监控系统用于单个灯具的监视和控制，可以在不敷设任何附加电缆的情况下，对机场跑道灯光进行逐灯检测和控制，并能将坏灯报警、隔离变压器二次短路、坏灯百分率等灯状态信息以图形化的方式直观、准确地反映到计算机界面和模拟显示屏上，不再需要人巡来确保“亮灯率”，当故障灯数量达到设定比率后，才进行修灯[10]，从而可以大大提升故障排除效率，最大程度上保证飞行安全。

2.1 工作原理

结合先前机场工程项目应用实践，阐述基于电力载波通信的助航灯光单灯监控系统工作原理如图1所示。

图1 助航灯光单灯监控系统工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of navigation light single lamp monitoring system

针对助航灯光电气回路原理可参考笔者先前发表的研究论文[11]，本文不再对助航灯光电气原理进行阐述。助航灯光单灯监控系统工作原理如下：

(1)调光器开机以后，现场控制主机(CPC)通过CAN总线向通信控制单元(CCU)发送查询命令，CCU将查询命令通过隔离变压器耦合到串联灯光回路；

(2)单灯监控单元BMC将接收到的载波信息经过硬件滤波、软件滤波及校验后，将监测到的助航灯状态通过隔离变压器耦合到灯光回路；

(3)CCU将接收到的载波信息经过硬件滤波、软件滤波和计算，将助航灯状态通过CAN总线上传到CPC，由CPC执行显示、报警等功能，助航灯光监控系统(ALCMS)或单灯监控系统监控终端通过快速以太网或工业控制RS485总线从CPC得到所有相关数据，在界面上显示被监视灯的状态和报警信息；

(4)在操作控制场合，CPC接收来自ALCMS或单灯监控系统监控终端的控制指令，并通过CCU将指令发送到BMC，由BMC执行对应灯位或灯段的开、关控制。

2.2 通信传输信道

电力载波通信技术是以电力线作为传输媒介来实现数据传输和信息交换的通信技术，是通过对信号源发出的信号进行编码和调制，把信息上传至信道上，并通过电力线进行传输，在接收端将耦合的信息解调，再译码后送给用户端，从而完成信息传递[12]。文献[12]中提供了“配电变压器会阻隔电力线中载波信号，故电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送”的结论。

本文单灯监控系统设定5 kHz信号通道中心频率，为构建完整的信号传输通道，在调光器输出端安装一台以LC器件为主体、中心频率为5 kHz的无源通信滤波单元(CFU)，通信信号将以灯光回路一次电缆和隔离变压器初级绕组侧为介质，在通信滤波单元与通信介质构建的通信信号闭合回路中流动，该信号传输通道的建立可避免恒流调光回路中升压变压器对通信信号的阻隔。

图2 单灯监控系统通信传输信道示意图Fig.2 Schematic diagram of communication transmission channel of single lamp monitoring system

李丰[13]研究结果表明基于电力载波通信的单灯监控系统，负载电容对电力载波信号有很大的影响，这是由于电容器高频信号的阻抗较小，会使电力载波高频信号有较大的衰减，可能造成区域性通信故障。对于采用助航灯光串联回路中进行电力线载波的技术而言，构建如图2所示的通信信道只能满足基本通信的要求，针对每种回路对地的电容分布特性，助航灯光单灯监控系统必须要解决该电容分布特性对通信信号的衰减问题。有关研究表明，任何一种基于中高频为数字传输频点的载波方式，在以非屏蔽电缆构建的串联回路上的传输都是非常理想的，衰减几乎可忽略不计，而在以屏蔽电缆构建的回路上，由于隔离变压器相对于助航灯光一次回路屏蔽电缆的不均匀分布，造成了非常复杂的分布电容特性，该特性会在局部对通信信号产生极大的衰减，同时在另一个相对位置对通信信号产生放大作用，造成信号传输失真等问题，给单灯监控系统运行造成严重影响。

2.3 关键技术

为解决电容分布特性对通信信号的衰减问题，ICMS系统采用一个以LC谐振为机理、中心频点为发生衰减频段的滤波设备(SFU)的应对方案，如图3所示，SFU安装在该调光回路的物理中心点(在靠近回路物理中心点附近的灯箱内增加一个隔离变压器，SFU安装在隔离变压器的副边，SFU的大小与BMC相同)，以此抬升由于分布电容造成的较低的信号幅度，这是以频移键控(FSK)为核心载波技术的同类型单灯监控系统普遍采用的调制方法，经过现场验证，这种方法非常有效，在一条回路中可安装和控制不少于130盏灯，通信能力可达到15 km回路长度。

图3 单灯监控系统通信传输信道优化方案示意图Fig.3 Schematic diagram of communication transmission channel optimization scheme of single lamp monitoring system

2.4 电力载波信号调制与解调

在载波通信技术中，同步信号的选取和信号传输时机是非常重要的，也是调制和解调的基础。交流电在过零点附近具有阻抗连续、谐波污染值低、相位与周期稳定等特点[14]，彭建军[15]采用过零检测电路作为电力载波通信收发同步的基准，效果较好。在民航机场目视助航工程中，目前还存在可控硅恒流调光器，其输出的电流波形在理想情况下才是正弦波，其他条件下均为断续波，若采用过零检测将难以建立有效的同步信号基准。为此，ICMS系统的通信控制单元和单灯监控单元以回路电流峰值点作为信号同步点，并以实时高速采样勾画每周期的电流包络线，数字信号只有加载到电流包络线上才能够得到有效的传输。电流峰值点是电力线载波的相对稳定的合理参照点，根据电流包络线进行信号传输是系统适应不同类型负载的基础。

(1)信号调制方面，ICMS系统中的CCU的信号发送通过耦合变压器和隔离变压器耦合到灯光回路，调试人员将根据回路的实际情况、以单灯监控单元反馈的信号接收幅度进行功率适应性调节。BMC的信号调制不设功率调节，直接采用隔离变压器作为耦合变压器，在电流包络线上进行数字信号的载波传输。

(2)信号解调方面，系统中CCU和BMC采用相近的硬件滤波电路和滤波频点，在硬件上确保信号的不失真解调，两种设备在软件控制和算法上采用相同的信号采样频率，并以上下行信号的频率进行相应倍率的抽值、滤波和运算，以此解调并还原来自通信信道的数字信号。数据的校验采用CRC校验方法，保证数据还原的完整性和准确性。CCU的信号接收功率也可调，调试人员将根据回路的实际情况及单灯监控单元的反馈信号幅度进行适应性调节。在信号通道建立完整的基础上，ICMS系统的载波通信几乎达到了近百万分之一的误码率，这也是ICMS系统能够稳定运行并得以应用的最大前提[16]。

3 助航灯光单灯监控系统应用

3.1 工程概况

2020年，中西部地区两新建4C民用机场跑道主降端均设置Ⅰ类精密进近灯光系统；两机场跑道主降方向地势落差均较大，部分位置均需在山体间架设铁塔。I类精密进近灯光系统，由一行位于跑道中线延长线上，间距30 m，从跑道端延伸至距跑道入口900 m、长4 m的短排进近灯具和一排在距跑道入口300 m、长30 m横排灯具组成，灯具为轻型易折式灯具或设置易碎杆，其中在铁塔上的进近灯均设置单灯监控装置。

3.2 监控需求

由于两机场位于山区，尤其是跑道主降端进近灯光带均设置在地势高差极大的山涧、沟壑地区，日常检修维护极为困难。

如按传统建设模式，虽然减少了单灯监控系统的建设成本，但运营期依靠人工巡检灯塔难度极大，成本很高，且巡检与故障处理不及时对机场运行造成较大安全隐患(图4)。综合考虑，两机场均对机场主降方向安装在铁塔架上的进近灯光设置助航灯光单灯监控系统。

图4 中南地图某机场跑道主降端进近灯塔Fig.4 Approach lighthouse at the main landing end of an airport runway on the map of Central South China

3.3 系统配置

两机场单灯监控系统配置方面，应根据回路数量、需监控的助航灯数量进行配置。配置依据为：

(1)在灯光站设置1台CPC，每条监控回路各配备1台CFU、1台CCU以及每个需监控的灯位配套的BMC单元。

(2)跑道主降端进近灯均设计为两个调光回路，采用两路能分五级调光的串联回路供电。

3.4 设备安装与功能

CPC安装在灯光站内，是单灯监控系统的中枢，其主要功能为：1)运行单灯监控系统软件，接收来自上位机的控制和查询命令，执行控制命令，反馈控制状态、单灯运行状态；2)通过安装在计算机内的智能CAN通信单元和现场控制总线与控制站内的CCU建立通信；3)解析并执行来自上位机的控制命令；4)解析并上传来自CCU的底层监控对象的数据。

CFU安装在调光器升压变压器输出两端，用于抑制回路中的高次谐波干扰，建立CCU、BMC的载波通信信道。

CCU安装在灯光站内，通过一个标准隔离变压器接入回路，用于接收集中控制计算机发来的控制和查询指令，通过电力线载波通信方式向BMC发出查询和控制命令，并接收BMC返回的助航灯状态信息，经过信号处理，再把数据上传到集中控制计算机。

BMC安装在前端连接在隔离变压器和受监控的灯具间，每个BMC都有自身的地址码，通过接收串联回路上传送过来的命令字来进行打开/关闭所控制的单灯，并将所控单灯的状态信息上传给CCU。

SFU安装在前端进近灯两个回路物理中点附件，采用灯箱进行安装，连接于隔离变压器次级绕组，用于消除回路电容分布参数对信号传输的影响。

3.5 系统运行总结

系统投运后，各项功能满足要求，达到了单灯监控的目的。根据运行情况，单灯监控系统有如下特性，以供参考。

(1)系统参数设定好后无需定期调校，在灯光回路正常工作情况下，可实现良好的载波通信，通信质量好；

(2)在通信信道构建好之后，单灯监控系统的运行参数只与负载大小有关；

(3)在运行过程中，若回路负载发生变化达到一定数值后，如隔离变压器及灯具的增加或减少超过预警数量，会引起回路电容分布参数不对称问题，从而影响到载波通信质量，需要根据负载情况重新调校；

(4)对单芯多股铠装屏蔽灯光电缆，在对地悬浮的通信信道下，电缆芯对地绝缘大小甚至包括一点接地均不会对通信信道产生任何影响。

4 结束语

目前，单灯监控系统核心部件还依赖国外供应，实施成本相对较高，现阶段难以做到机场助航灯光全覆盖。单灯监控系统电力载波通信信道受负载变化影响较大，自动参数补偿还需进一步研究，单灯监控模块集成到助航灯也是待研究的课题等。随着“四型机场”、“品质工程”建设的要求下，以数字化、智能化、智慧化为发展主线的智慧民航正催生机场新一轮技术革命，随着高级场面活动引导和控制系统(A-SMGCS)的快速发展，单灯监控系统作为其必不可少的组成部分顺应智慧化发展方向，必将迎来更广阔的发展前景。