王 瑾

（中國(guó)民用航空局第二研究所，四川 成都610041）

0 引言

跑道異物（FOD）指的是任何不屬于機(jī)場(chǎng)但出現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)運(yùn)作區(qū)域并可能對(duì)機(jī)場(chǎng)造成損失或者飛機(jī)造成損害的外來(lái)物品[1]。 跑道異物直接影響著飛機(jī)的運(yùn)行安全，一小塊塑料布被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)引起空中停車(chē)， 一個(gè)小螺釘或金屬片甚至尖銳石子將會(huì)扎上輪胎引起爆胎[2]。

為解決人工道面巡查對(duì)跑道道面占用，影響航班通行能力的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外均已開(kāi)展自動(dòng)化的機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)的研究，現(xiàn)有系統(tǒng)均為單一的塔架式探測(cè)系統(tǒng)或邊燈式探測(cè)系統(tǒng)，邊燈式探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)率高，實(shí)時(shí)性好，但造價(jià)貴，維護(hù)困難；塔架式探測(cè)系統(tǒng)的位置和高度受制于機(jī)場(chǎng)保護(hù)區(qū)域相關(guān)規(guī)定， 不能很好發(fā)揮性能，但部署成本相對(duì)較低且維護(hù)相對(duì)容易。

本文中所提出的混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)綜合了塔架式探測(cè)系統(tǒng)和邊燈式探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將跑道道面按照重要程度進(jìn)行劃分，分別部署塔架式FOD 傳感器或邊燈式FOD 傳感器， 使得系統(tǒng)探測(cè)性能滿足機(jī)場(chǎng)實(shí)際需求的同時(shí)造價(jià)更低， 解決了單一制式FOD 探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)場(chǎng)安全保障需求和成本預(yù)算之間的矛盾。

1 現(xiàn)有主流FOD 探測(cè)系統(tǒng)

從現(xiàn)有主流FOD 探測(cè)系統(tǒng)采用的技術(shù)手段和部署方式來(lái)看，F(xiàn)OD 探測(cè)系統(tǒng)可分為以下四類(lèi)： 塔架式光學(xué)FOD 探測(cè)系統(tǒng)、塔架式光電混合FOD 探測(cè)系統(tǒng)、邊燈式光電混合FOD 探測(cè)系統(tǒng)以及車(chē)載式FOD 探測(cè)系統(tǒng)。

1.1 塔架式FOD 探測(cè)系統(tǒng)

該類(lèi)系統(tǒng)傳感器安裝在塔架上面，塔架部署在距跑道中線上百米以外。 按傳感器技術(shù)類(lèi)型，又可細(xì)分為純光學(xué)式FOD 探測(cè)系統(tǒng)和光電混合式FOD 探測(cè)系統(tǒng)兩大類(lèi)。

純光學(xué)式FOD 探測(cè)系統(tǒng)依靠光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)， 通過(guò)圖像處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別異物。 典型的代表為新加坡Stratech 公司的iFerret 系統(tǒng)。

光電混合式FOD 探測(cè)系統(tǒng)依靠毫米波雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)和識(shí)別異物；通過(guò)光學(xué)傳感器對(duì)發(fā)現(xiàn)的異物進(jìn)行確認(rèn)。 典型的代表為英國(guó)Qinetiq 公司的Tarsier 系統(tǒng)。

1.2 邊燈式FOD 探測(cè)系統(tǒng)

該類(lèi)系統(tǒng)傳感器安裝于跑道邊燈旁邊，依靠毫米波雷達(dá)傳感器和光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域的近距離監(jiān)測(cè)。 典型代表為以色列Xsight 公司的FODetect 系統(tǒng)。

1.3 車(chē)載式FOD 探測(cè)系統(tǒng)

該類(lèi)系統(tǒng)傳感器安裝在可移動(dòng)的車(chē)輛上面，在工作過(guò)程中，邊移動(dòng)，邊掃描，邊檢測(cè)，邊清理，通過(guò)毫米波雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，光學(xué)相機(jī)用于拍照確認(rèn)。 典型代表為美國(guó)Trex 公司的FODFinder 系列。變得簡(jiǎn)單容易。

相比于單一的塔架式或邊燈式FOD 探測(cè)系統(tǒng)，混合制式FOD 探測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用邊燈式雷達(dá)光學(xué)復(fù)合傳感器監(jiān)視跑道兩端接地帶，探測(cè)性能好，受天氣影響小，可有力保障跑道關(guān)鍵區(qū)域的運(yùn)行安全；

（2）采用塔架式傳感器監(jiān)視跑道中部滑跑區(qū)域，以此降低設(shè)備數(shù)量和維護(hù)難度，使系統(tǒng)整體做到性能和造價(jià)綜合性最優(yōu)；

表1 四種典型FOD 探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)體制對(duì)比

2 混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)

綜合以上各型機(jī)場(chǎng)跑道FOD 探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有FOD 探測(cè)系統(tǒng)解決方案中，移動(dòng)式系統(tǒng)造價(jià)最低，但工作時(shí)需要關(guān)閉跑道，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)區(qū)域，影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率；邊燈式系統(tǒng)檢測(cè)率高，實(shí)時(shí)性好，但造價(jià)貴，維護(hù)困難；塔架式系統(tǒng)的位置和高度受制于機(jī)場(chǎng)保護(hù)區(qū)域相關(guān)規(guī)定， 不能很好發(fā)揮性能，但部署成本相對(duì)較低且維護(hù)相對(duì)容易。

以上方案均未根據(jù)跑道監(jiān)視熱點(diǎn)區(qū)域和系統(tǒng)冗余度設(shè)計(jì)部署方案，導(dǎo)致系統(tǒng)性能不是最優(yōu)，且造成資源浪費(fèi)。 有必要綜合塔架式和邊燈式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)， 研制一款符合機(jī)場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)的FOD 探測(cè)系統(tǒng)。

2.1 混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)，按照重要程度和運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的不同區(qū)域進(jìn)行層次劃分，在接地帶等重要區(qū)域布置檢測(cè)率高，實(shí)時(shí)性好但造價(jià)昂貴，維護(hù)困難的邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器， 在其它區(qū)域布置性能一般但成本較低維護(hù)簡(jiǎn)單的塔架式光學(xué)FOD 傳感器。 這樣就解決了單一制式FOD 探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)場(chǎng)安全保障需求和成本預(yù)算之間的矛盾，并且系統(tǒng)部署與傳感器部署設(shè)計(jì)獨(dú)立區(qū)分，減少了施工部署方面的要求，模塊化結(jié)構(gòu)使得維護(hù)

（3） 充分利用塔架式傳感器的高分辨成像能力，提供厘米分辨率級(jí)跑道全景成像的附加功能，為飛行區(qū)道面管理提供全新的視角。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖■

如圖1 所示， 混合制式FOD 探測(cè)系統(tǒng)由FOD 探測(cè)傳感器 （邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器或塔架式光學(xué)FOD 傳感器）、FOD 信息系統(tǒng)（FOD 探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心和FOD 探測(cè)系統(tǒng)管理軟件） 以及配套供電及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施等共同組成。 其中FOD 傳感器安裝于跑道側(cè)方，對(duì)跑道道面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到道面的視頻圖像數(shù)據(jù)或雷達(dá)反射數(shù)據(jù)；后臺(tái)FOD 信息系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、視頻管理服務(wù)器以及移動(dòng)終端等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到FOD 信息， 并為機(jī)場(chǎng)用戶提供FOD 報(bào)警，遠(yuǎn)程視頻確認(rèn)，F(xiàn)OD 詳細(xì)信息等；之后將FOD 信息下發(fā)至FOD 清理作業(yè)人員的手持終端上， 引導(dǎo)其迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理；同時(shí)所有的FOD 數(shù)據(jù)都將被存儲(chǔ)，以便機(jī)場(chǎng)用戶隨時(shí)回溯， 并將定時(shí)對(duì)FOD 進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，以圖表的方式提供給機(jī)場(chǎng)用戶。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器

邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器具有探測(cè)性能好、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器單元部署一般遵循助航燈具相關(guān)技術(shù)要求，并且支持與跑道邊燈集成安裝以降低部署成本。 傳感器沿跑道兩側(cè)按60米等間隔對(duì)稱(chēng)安裝，其作用半徑正常模式下可達(dá)45 米，增強(qiáng)模式下可達(dá)60 米。 整條跑道實(shí)現(xiàn)全覆蓋需要部署上百個(gè)節(jié)點(diǎn)。 邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器單元及覆蓋部署示意如圖2 所示。

圖2 邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器單元及覆蓋部署

圖3 邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器組成示意圖

邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器采用集成化設(shè)計(jì)，主要由FOD 探測(cè)雷達(dá)、FOD 光學(xué)探測(cè)模塊、小型轉(zhuǎn)臺(tái)、易折件、電源模塊、通信模塊等共同構(gòu)成。傳感器組成示意圖如圖3 所示。 FOD 探測(cè)雷達(dá)和FOD 光學(xué)探測(cè)模塊分別獨(dú)立執(zhí)行FOD 探測(cè)功能。 FOD 探測(cè)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收處理得到機(jī)場(chǎng)跑道異物的相關(guān)信息，F(xiàn)OD 光學(xué)探測(cè)模塊則對(duì)跑道進(jìn)行高清晰度光學(xué)成像，F(xiàn)OD 探測(cè)雷達(dá)和FOD 光學(xué)探測(cè)模塊均通過(guò)光纖將各自所探測(cè)到的相關(guān)信息傳輸給后臺(tái)FOD 信息系統(tǒng)，F(xiàn)OD 信息系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理和數(shù)據(jù)融合，最終實(shí)現(xiàn)光電復(fù)合的FOD 探測(cè)，跟蹤和識(shí)別功能。

3.2 塔架式光學(xué)FOD 傳感器

塔架式光學(xué)FOD 傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)， 維護(hù)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。 塔架式光學(xué)FOD 傳感器部署一般距離跑道中線超過(guò)150 米，沿跑道一側(cè)按300 米等間隔安裝，其作用半徑可達(dá)350 米，增強(qiáng)模式下作用半徑可達(dá)400 米，整條跑道僅需十幾個(gè)節(jié)點(diǎn)即實(shí)現(xiàn)全覆蓋。 塔架式FOD 傳感器單元及覆蓋部署示意如圖4 所示。

圖4 塔架式光學(xué)FOD 傳感器單元及覆蓋部署

塔架式光學(xué)FOD 傳感器主要由高清光學(xué)鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、對(duì)焦模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、補(bǔ)光模塊和精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)組成。 傳感器組成示意圖如圖5 所示。 高清光學(xué)鏡頭與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)構(gòu)成成像單元， 對(duì)跑道道面進(jìn)行高清晰度成像； 對(duì)焦模塊用于控制成像單元的自動(dòng)變倍變焦；網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)用于承載各模塊并提供方位控制； 補(bǔ)光模塊用于夜晚低能見(jiàn)度情況下對(duì)道面成像區(qū)域的補(bǔ)光。

圖5 塔架式光學(xué)FOD 傳感器組成示意圖

3.3 FOD 信息系統(tǒng)

FOD 信息系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各FOD 傳感器數(shù)據(jù)的分析處理與融合，并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)FOD 探測(cè)系統(tǒng)的控制和管理。

FOD 信息系統(tǒng)支持不同技術(shù)制式的FOD 傳感器數(shù)據(jù)接入，并采用高性能服務(wù)器陣列對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和融合。 當(dāng)辨識(shí)出跑道上的異常FOD 目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)FOD 目標(biāo)自動(dòng)取證并通過(guò)控制中心的控制臺(tái)向管理人員報(bào)警。 管理人員可以在控制臺(tái)對(duì)疑似FOD 進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻鑒定以完成FOD 確認(rèn)。

被確認(rèn)的FOD 信息，包括精確跑道位置、異物圖像、 威脅等級(jí)等被系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到值班清理人員的手持終端上。 值班人員通過(guò)手持終端引導(dǎo)到達(dá)FOD 現(xiàn)場(chǎng)，完成現(xiàn)場(chǎng)拍照取證和異物清理。 最后取證和清理信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)中心完成FOD 數(shù)據(jù)分析和解除FOD 告警。

系統(tǒng)在提供FOD 監(jiān)視、 清理和取證等服務(wù)的同時(shí)，還提供完善的FOD 業(yè)務(wù)管理流程，包括業(yè)務(wù)管理、人員管理、FOD 業(yè)務(wù)分析等。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際性能，在機(jī)場(chǎng)跑道道面進(jìn)行了大量的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。 將邊燈式光電復(fù)合FOD 傳感器和塔架式光學(xué)FOD 傳感器安裝于相應(yīng)位置，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)任意放置異物，并多次重復(fù)試驗(yàn)，以獲取足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中，在異物集的選取中，在民航局機(jī)場(chǎng)司咨詢通告的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)異物集進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展。

經(jīng)大量實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)在白天天氣晴朗的情況下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件的檢測(cè)率可以達(dá)到100%，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)異物（含實(shí)物樣件和擴(kuò)展異物）的檢測(cè)率可以達(dá)到96.4%。 同時(shí)，在黑夜，雨天，霧天等環(huán)境下，混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能也滿足民航局機(jī)場(chǎng)司咨詢通告中的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，該混合制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)機(jī)場(chǎng)開(kāi)始試運(yùn)行，機(jī)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)采用的塔架式FOD 光學(xué)傳感器與邊燈式FOD 光電復(fù)合傳感器結(jié)合的方式能夠滿足機(jī)場(chǎng)實(shí)際需求， 實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道異物的準(zhǔn)確檢測(cè)，定位及管理。