機(jī)場跑道FOD監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計方案與對策

./Raida-Air機(jī)場跑道異物〔FOD監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案一、背景FOD是ForeignObjectDebris的縮寫,泛指可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì),常稱為跑道異物。FOD的種類相當(dāng)多,如飛機(jī)和發(fā)動機(jī)連接件〔螺帽、螺釘、墊圈、保險絲等、機(jī)械工具、飛行物品〔釘子、私人證件、鋼筆、鉛筆等、野生動物、樹葉、石頭和沙子、道面材料、木塊、塑料或聚乙烯材料、紙制品、運(yùn)行區(qū)的冰碴等等。FOD的危害非常嚴(yán)重,實驗和案例都表明,機(jī)場道面上的外來物可以很容易被吸入到發(fā)動機(jī),導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效。碎片也會堆積在機(jī)械裝置中,影響起落架、襟翼等設(shè)備的正常運(yùn)行。據(jù)保守估計,每年全球因FOD造成的損失至少在30-40億美元。2007年5月至2008年5月,中國民航共發(fā)生4500多起FOD損傷輪胎的事件。FOD不僅會造成巨大的直接損失,還會造成航班延誤、中斷起飛、關(guān)閉跑道等間接損失,間接損失至少為直接損失的4倍。目前,全球絕大多數(shù)機(jī)場的FOD監(jiān)測仍然是靠人工完成的,這種方法不但可靠性差、效率低,而且占用了寶貴的跑道使用時間。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)況2000年7月25日法航協(xié)和飛機(jī)因FOD失事,造成機(jī)上109人、地面4人,共113人遇難。法國空難事故調(diào)查局認(rèn)定,該次空難是由機(jī)場跑道上一塊43厘米長的金屬薄片割破飛機(jī)左側(cè)主起落架的右前輪,致使該輪胎爆裂,輪胎爆裂產(chǎn)生的碎片擊中了一個或多個油箱,使得飛機(jī)左機(jī)翼起火并墜毀。后經(jīng)鑒定,此金屬碎片為上一個航班——美國大陸航空公司所屬的一架DC10飛機(jī)上掉下來的。這場因FOD引發(fā)的空難將FOD自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究提上了日程。目前世界上較為典型的FOD檢測系統(tǒng)有4個,它們分別是英國開發(fā)的Tarsier系統(tǒng)、以色列開發(fā)的FODetect系統(tǒng)、新加坡開發(fā)的iFerret系統(tǒng)和美國開發(fā)的FODFinder系統(tǒng)。〔具體參見附錄A對上述系統(tǒng)的FOD探測技術(shù)列表總結(jié)如下：系統(tǒng)檢測原理能力人工／目視是FOD探測系統(tǒng)性能的基準(zhǔn),人工觀察提供FOD檢測,且人工判斷提供了危害的評估能力,以保證安全支持定期、周期性和專項檢查雷達(dá)使用無線電傳輸數(shù)據(jù)作為探測跑道和其他機(jī)場運(yùn)行區(qū)FOD的主要手段固定系統(tǒng)支持連續(xù)監(jiān)視。移動系統(tǒng)補(bǔ)充人工/目視檢查光電利用視頻技術(shù)和圖像處理作為探測FOD的主要手段支持連續(xù)監(jiān)視混合聯(lián)合利用雷達(dá)和光電數(shù)據(jù)作為探測FOD的主要手段支持連續(xù)監(jiān)視綜合來看,現(xiàn)有的FOD探測系統(tǒng)主要采用雷達(dá)探測技術(shù)與視頻圖像識別技術(shù),在上述的4個系統(tǒng)中,Tarsier系統(tǒng)、FODetect系統(tǒng)、FODFinder系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)探測為主、視頻圖像識別技術(shù)為輔的手段來探測FOD；iFerret系統(tǒng)只采用視頻圖像識別技術(shù)進(jìn)行FOD的探測?；诶走_(dá)技術(shù)的系統(tǒng)對顏色沒有反應(yīng),而基于視頻圖像識別技術(shù)的系統(tǒng)能對顏色和光照對比度產(chǎn)生反應(yīng)。2008年,FAA的研究人員對以上4個系統(tǒng)分別在4個機(jī)場進(jìn)行了性能測試,對每種技術(shù)的探測能力進(jìn)行了評估。上述4種探測系統(tǒng)為機(jī)場提供了一個很寬的性能和價格選擇范圍,FAA不限制機(jī)場應(yīng)用何種FOD探測技術(shù),機(jī)場可以根據(jù)飛機(jī)的數(shù)量及種類、監(jiān)控區(qū)域的數(shù)量種類及位置、探測的精度、機(jī)場的氣候條件等因素來綜合確定FOD探測系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)。在我國尚未有關(guān)于FOD監(jiān)測的雷達(dá)或視頻系統(tǒng)研制成功或投入試用的報道。國內(nèi)一些大型民用機(jī)場如首都機(jī)場、XX機(jī)場等已經(jīng)有購買國外FOD監(jiān)測系統(tǒng)的動向。國家民航總局機(jī)場司民航局安全技術(shù)中心在2009年編寫了《FOD防范手冊》,這也許是我國關(guān)于FOD監(jiān)測系統(tǒng)將要提到日程上的一個信號。三、Raida－Air的二種技術(shù)方案1、技術(shù)方案：方案A：固定攝像機(jī)實時視頻監(jiān)控為主＋雷達(dá)探測為輔各監(jiān)控攝像機(jī)固定安裝,攝像機(jī)不帶云臺,不能調(diào)整位置,全部攝像機(jī)安裝在跑道一側(cè)。由于攝像機(jī)不能轉(zhuǎn)動,故攝像機(jī)的安裝密度較高,安裝間距較短,做到無盲區(qū)實時布控。在機(jī)場天氣狀況良好的條件下,固定攝像機(jī)承擔(dān)實時監(jiān)控整條跑道區(qū)域的任務(wù),可在幾～幾十秒時間內(nèi)探測到FOD異物并發(fā)出報警指示；雷達(dá)探測為輔,探測到異物后用視頻進(jìn)行確認(rèn)。在夜晚、下雨、下雪等較差的天氣或照明條件下,視頻監(jiān)控系統(tǒng)的效果可能會明顯下降,此時使用毫米波雷達(dá)〔2～4臺,探測距離為1000m輔助探測跑道上的異物,探測到異物后調(diào)用最近的攝像機(jī)拍攝視頻畫面進(jìn)行確認(rèn)。按照3600m長、60m寬的機(jī)場跑道來測算,為實現(xiàn)無盲點(diǎn)實時監(jiān)控,整條跑道一側(cè)需要安裝24個1080P的高清監(jiān)控攝像機(jī),安裝位置為距離跑道近側(cè)165m〔離中心線195m,每個攝像機(jī)的最大監(jiān)控的跑道遠(yuǎn)側(cè)長度為228m〔相當(dāng)于中心線長度約200m,放大10倍后可分辨出2cm大小的異物。方案B：雷達(dá)探測為主＋云臺攝像機(jī)視頻監(jiān)控為輔在跑道兩端以及中部共安裝2～4部毫米波雷達(dá),每部雷達(dá)的探測距離約為1000m,實現(xiàn)對整條跑道實時連續(xù)掃描的任務(wù)〔特別是對金屬FOD的探測效果很好,對整條跑道的探測響應(yīng)時間依據(jù)雷達(dá)對道面的掃描時間而定,但無法做到視頻監(jiān)控的實時性。在發(fā)現(xiàn)有FOD異物后,在跑道一側(cè)安裝的云臺監(jiān)控攝像機(jī)轉(zhuǎn)動到該異物區(qū)域,并拉近異物圖像〔光學(xué)放大,從而方便管制員進(jìn)行確認(rèn)。在雷達(dá)未發(fā)現(xiàn)FOD的時期,云臺監(jiān)控攝像機(jī)可按照預(yù)設(shè)的掃描計劃調(diào)整云臺的位置以及光學(xué)焦段,連續(xù)攝取跑道的各個角度的視頻畫面,作為異物監(jiān)測和跑道入侵監(jiān)控的手段。對于3600m的機(jī)場跑道,需要安裝7個云臺高清監(jiān)控攝像機(jī),安裝間隔為600m,云臺的水平轉(zhuǎn)動角度為180度,單個攝像機(jī)在多個角度下可探測約600m長的跑道范圍,可識別的目標(biāo)物體最小約為3cm。說明：1、毫米波雷達(dá)需另購。2、建議選用方案A。2、Raida－Air視頻探測部分的組成：ND200-Air高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控攝像機(jī)：1920x1080P@60Hz；H.264HighProfile@Level4.2,4Mbps網(wǎng)絡(luò)碼流；10倍光學(xué)變焦,可對目標(biāo)物體進(jìn)行放大、確認(rèn)；支持日/夜切換,日間采用可見光監(jiān)控,夜間采用主動近紅外視頻成像。說明：云臺攝像機(jī)〔ND201在固定攝像機(jī)〔ND200的基礎(chǔ)上帶有云臺并可通過指令運(yùn)程控制云臺的方位。NMS200高清視頻服務(wù)器及其客戶端：每臺視頻服務(wù)器支持六路全高清監(jiān)控視頻流的實時存儲、解碼和監(jiān)視,30天循環(huán)記錄；支持通過用戶端的遠(yuǎn)程登陸,檢索、查看實時或回放的單路解碼后的1080P@60Hz視頻圖像；支持用戶管理、權(quán)限管理和安全審查、數(shù)據(jù)加密；支持對攝像機(jī)的遠(yuǎn)程管理和控制。機(jī)場跑道異物<FOD>和跑道入侵智能視頻監(jiān)控軟件：具備對跑道上各種常見異物<例如飛機(jī)脫落的部件、脫落的跑道燈光裝置、建筑材料、石頭>進(jìn)行自動探測、分類、記錄及確位的功能；最小可探測到2cm的異物,并可準(zhǔn)確指出異物的位置〔定位偏差<3m；具備圖像放大認(rèn)證功能,附文字及圖像的FOD實時警報,協(xié)助空中交通控制及陸地操作控制中心做出正確的決定；可針對機(jī)場環(huán)境的變化例如雷電、雨水、光線及霜雪進(jìn)行一定的自動調(diào)適,能24×7全天候地給監(jiān)控員一個實時、全面的機(jī)場跑道視頻監(jiān)控信息；在一個統(tǒng)一的機(jī)場跑道2D〔或3D地理模型上,顯示并跟蹤防區(qū)內(nèi)和防區(qū)外的所有目標(biāo)物〔包括跑道入侵物,隨時掌控整個現(xiàn)場環(huán)境發(fā)生的情況；實時檢測、跟蹤和對入侵的目標(biāo)物進(jìn)行分類,自動識別的入侵目標(biāo)物種類包括行人、車輛、飛機(jī)、飛鳥；當(dāng)未經(jīng)授權(quán)的活動/入侵發(fā)生時,系統(tǒng)自動觸發(fā)警報,通過語音和視頻提醒安保人員,并準(zhǔn)確指出入侵物在現(xiàn)場的具體位置,幫助快速部署警衛(wèi),防止事件的升級；系統(tǒng)可有效屏蔽周圍環(huán)境對真實目標(biāo)物的影響,包括樹木、草地、水域、陰影、垃圾以及陽光等。3、Raida－Air的主要技術(shù)特點(diǎn)：1920x1080P全高清監(jiān)控系統(tǒng)對目標(biāo)／區(qū)域的監(jiān)控更清晰準(zhǔn)確,分辨率更高,視頻圖像在細(xì)節(jié)方面能與現(xiàn)場場景能保持最大的相似性。單個全高清監(jiān)控攝像機(jī)的監(jiān)控范圍更大、更遠(yuǎn),使用較少的攝像頭就可做到對區(qū)域的無盲點(diǎn)布控,這樣可簡化整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、部署、維護(hù)和日常管理的成本,降低總體擁有成本。只有1080P的全高清圖像,才能擴(kuò)展對跑道異物進(jìn)行智能識別的應(yīng)用,這可大大提高自動化的監(jiān)控水平和效率。只有圖像幀率達(dá)到60Hz,才能最大限度地還原機(jī)場環(huán)境中的飛鳥、飛機(jī)、車輛等快速運(yùn)動的特定目標(biāo),這樣才便于開展細(xì)節(jié)監(jiān)控、智能監(jiān)控以及進(jìn)行事件的調(diào)查取證。四、Raida－AirFOD監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格參考FAAACNO:150/5220-24《AirportForeignObjectDebris<FOD>DetectionEquipment》的建議,擬訂了Raida－Air機(jī)場跑道異物〔FOD監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格,分述如下：1、基本功能：監(jiān)控機(jī)場跑道區(qū)域或機(jī)場確定的其他運(yùn)行區(qū)域；探測和定位機(jī)場跑道區(qū)域中單個或多個FOD；探測出FOD后能為用戶提供警報；與機(jī)場和飛機(jī)通信、空管和監(jiān)控系統(tǒng)能協(xié)同工作,且不會產(chǎn)生干擾；與正常的機(jī)場和飛機(jī)運(yùn)行互不干擾；給出探測到FOD的數(shù)據(jù)記錄,以方便系統(tǒng)的校準(zhǔn)和維護(hù),以及FOD事件的分析。2、探測性能：目標(biāo)探測能力：未上漆的金屬圓柱體,高為3.1cm、直徑為3.8cm；白色、灰色或黑色的球體,直徑為4.3cm〔相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球；90％下列的放置在一個30x30m預(yù)期覆蓋區(qū)內(nèi)的目標(biāo)對象組,每個類別中的一個物體都必須包含在目標(biāo)組內(nèi),且每個物體的大小都必須不大于10cm〔在任何方向,除非另有規(guī)定：-瀝青或混凝土；-跑道燈具的任何部分〔在跑道燈或道肩燈；-可調(diào)月牙扳手〔可達(dá)20cm長；-插座〔至少5cm長；-從飛機(jī)輪胎掉落的橡膠片；-扭曲的金屬帶〔可達(dá)20cm長；-燃料箱帽〔飛機(jī)或汽車；-凸耳螺母；-液壓線〔飛機(jī)或GSE,可達(dá)20cm長；-白色PVC管〔5cm直徑。上述任何二個物體,相互間距離在3m之內(nèi),能被分別鑒別開來。定位精度：提供FOD的定位信息,準(zhǔn)確度<5m。檢測頻率：在機(jī)場開放期間連續(xù)監(jiān)測跑道表面。探測響應(yīng)時間：在二次飛機(jī)運(yùn)行之間能完成跑道探測,且最長探測時間應(yīng)在FOD出現(xiàn)后4min內(nèi)。監(jiān)控區(qū)域：跑道或其他飛機(jī)運(yùn)行區(qū)域,并可設(shè)定跑道的特定部分的監(jiān)視區(qū)域。天氣條件下的性能：在Two-YearStorm的下雨、下雪的天氣條件下能探測目標(biāo)；系統(tǒng)能提供地點(diǎn)特異性的性能規(guī)格：晴天條件下的性能,惡劣天氣下的性能,以及系統(tǒng)從雨、雪的不良天氣后恢復(fù)到晴天下性能所需的時間；照明條件：白天,黑夜,黎明,黃昏。警報與告警：FOD檢測系統(tǒng)必須能夠在掃描區(qū)域出現(xiàn)異物時通知系統(tǒng)操作員。警報必須提供足夠的機(jī)場管理信息,用以評估風(fēng)險的嚴(yán)重性,以確定是否需要立即移除FOD對象。假警報應(yīng)盡量減少,并且不得超過：在任何90天的周期內(nèi),平均每天發(fā)生不超過一次。系統(tǒng)輸出：FOD檢測系統(tǒng)必須自動提供FOD的數(shù)據(jù)記錄：記錄必須至少包含以下信息：——警報時間和日期,——FOD對象的位置。此外,推薦捕獲以下信息,但不是必需的：——FOD的說明〔如：大小,名稱,類型,序列號等,——取回FOD的時間和日期,——警報處置的時間和日期,——檢測/調(diào)查FOD物體的人員姓名,——取回的FOD物體的圖像,——保管信息鏈。數(shù)據(jù)管理：收集到的FOD檢測過程的數(shù)據(jù)應(yīng)數(shù)字化。系統(tǒng)應(yīng)該保持至少兩年的FOD事件數(shù)據(jù)。附錄A：國外的4種FOD監(jiān)測系統(tǒng)〔文獻(xiàn)出處：JimPattersonJr.ForeignObjectDebris<FOD>detectionresearch.INTERNATIONALAIRPORTREVIEW,ISSUE22008,P22-271、英國Tarsier：準(zhǔn)確定位英國QinetiQ公司最先研發(fā)出Tarsier1100<眼睛猴>ForeignObjectDebrisradardetectionsystem。Tarsier的工作頻率為94.5GHz,雷達(dá)體制為連續(xù)波調(diào)頻〔FMCW,具有雷達(dá)探測距離長、波束窄和分辨率高的特點(diǎn),能夠?qū)δ繕?biāo)位置準(zhǔn)確地定位。FMCW技術(shù)具有探測靈敏度高、成本低和峰值功率低等特點(diǎn),其核心技術(shù)是"切割邊沿傳感技術(shù)"〔cuttingedgesensor和實時數(shù)字信號處理技術(shù)。眼鏡猴可對目標(biāo)進(jìn)行實時自動探測和識別,能及時、可靠地探測到跑道上最大雷達(dá)散射截面為0.01m2的雜物并予以定位。Qinetiq公司在Tarsier1100之后還對系統(tǒng)進(jìn)行了升級,研發(fā)了安裝有視頻監(jiān)控設(shè)備的新系統(tǒng)。視頻設(shè)備的安裝使監(jiān)控人員可以通過觀察判斷探測結(jié)果是否屬實,大大提高了探測準(zhǔn)確率,也降低了虛警率。新系統(tǒng)于2007年1月在溫哥華使用,在溫哥華機(jī)場安裝了4部雷達(dá),可以探測南北跑道。2008年新系統(tǒng)在英國希斯羅機(jī)場南跑道使用,使用效果良好,兩部雷達(dá)可以全天候掃描3658米長的跑道。美國聯(lián)邦航空局〔FAA技術(shù)人員于2008年在美國普羅文思對此系統(tǒng)進(jìn)行了測試。2、以色列FODetect：成本較低FODetect系統(tǒng)由以色列的Xsight公司開發(fā),系統(tǒng)由77GHz毫米波雷達(dá)和攝像設(shè)備所組成。多個道面監(jiān)測單元〔SDU分別安裝在不同位置的跑道邊燈上,每個SDU都對跑道中線附近的區(qū)域進(jìn)行掃描,發(fā)現(xiàn)FOD后,可以立即向機(jī)場管理人員發(fā)出報警信息,告知FOD的準(zhǔn)確位置以及發(fā)現(xiàn)時間。而后,設(shè)備會拉近鏡頭,提供FOD的視頻圖像。發(fā)現(xiàn)FOD之后,傳感器會鎖定FOD的位置,以幫助機(jī)場管理人員將FOD取走。在夜間,還可使用激光指示器協(xié)助將FOD取走。FODetect的設(shè)計在一定程度上減少了投資〔相對于Tarsier系統(tǒng)而言,此系統(tǒng)可在30秒內(nèi)完成對整條跑道的掃描,采用視頻識別系統(tǒng)可以在毫米波雷達(dá)探測到FOD后,對探測結(jié)果進(jìn)行視頻確認(rèn),從而使虛警率大大降低。FODetect系統(tǒng)現(xiàn)安裝于美國波士頓機(jī)場,由FAA人員對其性能進(jìn)行測試。從Xsight的網(wǎng)站上獲悉,其FODetect系統(tǒng)的性能指標(biāo)已經(jīng)超越了2009年9月30日FAA發(fā)布的"機(jī)場FOD探測設(shè)備"咨詢通告〔ACNo:150/5220-24中的最高性能。3、新加坡iFerret：實時監(jiān)控新加坡Stratechsystems公司的iFerret機(jī)場跑道智能視頻探測系統(tǒng),通過在跑道上每隔一定間距安裝先進(jìn)的高分辨率攝像機(jī),來自動探測和辨認(rèn)跑道上的異物,圖像處理軟件可針對變化的照明和路面條件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。發(fā)現(xiàn)FOD后,系統(tǒng)能夠放大物體的圖像,給用戶提供碎片的實時畫面。iFerret系統(tǒng)能夠提供精確的位置、報警的時間、FOD的圖像和系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)后的持續(xù)報警記錄,該系統(tǒng)的精度能夠達(dá)到探測大小為1cm的物體。iFerret現(xiàn)應(yīng)用于新加坡的樟宜國際機(jī)場,并在芝加哥的奧黑爾國際機(jī)場由FAA技術(shù)人