摘要：针对目前国内绝大多数机场普遍缺乏先进的场道监视设备的现状，研发一种能提供地面保护区实时状态和主动告警功能的跑道防入侵系统。该系统利用物联网平台建立基于感知数据可视化的跑道侵入预测及预警模型，采用物联网关键传感器技术对跑道区域进行实时监测，同时整合地面多种监视数据于一体，根据相应的冲突预警算法实现场道内的冲突告警提示。文中介绍了系统的研发背景和关键技术，给出了系统的设计和实现方法。
关键词：物联网；跑道入侵；无线传感器网络
近年来，随着经济全球化，航空自由化趋势的加强，民用航空运输业取得了前所未有的繁荣态势，用户对航空安全的期望越来越高，社会媒体也更加关注航空安全。根据加拿大运输部的一项研究表明：一个机场交通量增加20%，将使跑道侵人可能性增加140%。
跑道入侵在航空案例问题中已经成为一个典型问题，如何有效地提高民航运行的安全性、稳定性已经成为各航空机构研究的热点问题。物联网（The Internet of things）技术被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，它通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。随着物联网技术的提出与研究的深入开展，特别是李家祥局长在2010年的全国民航工作会议上作了《中国民航人要为建设民航强国而努力奋斗》的重要讲话，首次全面阐述了民航强国建设的意义、作用、目标、战略、途径和保障措施。他提出“我们民航要抓住当前国家有利的产业政策机遇，加快物联网在民航领域中的应用研究，促进物联网在民航业的快速发展，真正利用物联网带来的科技创新为民航强国建设提供强有力的支撑。本文结合中小型机场航班量、运营成本及设备维护等特点，采用基于物联网关键传感器技术用于跑道保护区域航空器和人员活动的监测，研究一套能提供地面保护区实时状态和告警功能的跑道防入侵系统，能有效地弥补管制员在极端的天气条件下，对场道的监控的缺失，从而保障跑道的安全运行。
1.国内外跑道防侵入方法
据统计，空中交通管理中68%的事故发生在地面阶段，2003至2006年度美国NAS内的500多家机场共计发生了1306次跑道侵入事件，其中有4次导致了相撞事故，虽然没有造成人员伤亡，但极大影响了机场的正常运行，造成了巨大的经济损失，据ICAD针对跑道侵入的统计显示，截止到2008年，全球航空业由于跑道侵入而造成的损失平均每年超过1亿美元。针对跑道防侵入的方法，国内外对其进行了深人的研究，并提出了几种方法来防止跑道侵入事件的发生。
在国外，尤其是美国在这方面投入大量的科研经费，其主要的研究成果包括：Steven Young等结合NASA和其他的合作伙伴开发一款高级平面器件运动指引和监控系统（ASMGCS），用来解决跑道侵入和提高操作的可能性；Rick cassell等提出跑道侵入劝告及预警系统（RIAAs），该系统利用航天器的位置进行监控，RIAAS原型系统采用ADS-B和TIS的数据来分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的规则进行判断，从而做出预警；Denise Jones针对防跑道侵入系统的评估，采用NASA研究中心的数据采用模拟仿真的方法对跑道侵入事件进行防范，以提高操作性和避免跑道侵入事件的发生；Sharma等通过探测物体的位置采用一系列的控制器，如导航控制器、交通信息控制器等收集到的信息集成到一个监控系统，对跑道侵入可能性进行分析，从而为塔台工作人员提供有用的决策信息及支持。
我国相关的研究及技术还处在起步发展阶段，王宇等基于计算机视觉原理，针对机场跑道异物检测和识别系统，提出一种基于边缘特征的异物检测方法，采用Gabor纹理的异物特征提取方法，通过模拟实验表明该方法的可行性，但这方面的研究还处于实验室阶段，没有真正应用于实际，而且该方法没有考虑实际机场环境下天气、尘粒等干扰因素的影响；目前的主要措施包括采用先进的机场地面检测设备和机场活动区域案例系统等高度自动化的计算机系统，防范跑道侵入，一旦发生，立即做出响应和警报，以此给管制员以足够的时间和空间来避免和解决跑道侵入；机场跑道区域，以及机场航空器、车辆等运行区域，尤其在跑道入侵发生概率高的区域，将所有的标记、信号灯等進行规范化便与飞行员与管制员之间的协调；并在此区域建设隔离栏，防止车辆和行人在未经许可下，进行到此区域，而影响到管制员的控制与管理；跑道入侵中30%的原因来源于管制员的失误与偏差，而管制员的失误与偏差主要来源于管制员的责任意识不强相关安全意识不够，管制员使用的机场用语不标准，因此要不断加强管制员的专业知识和职业责任意识的培训。管制员是保障跑道安全的最重要因素，罗定宇从塔台工作人手，参考FAA的先进经验，提出全面扫视的工作模式，帮助塔台管制员更好地了解运行错误产生的原因，建立良好情景意识，建立正确的工作模式，缓解工作压力，从而减少错误的产生。但是目前大多数的中小型机场主要采用视频监控、人员巡查、对讲机通讯等传统的“目视化”管理模式对跑道侵入问题进行管理，这些传统的方式极易受到天气、人为因素的影响，从而造成大量人力、物力、财力的资源开销，但是投入与产出却远远达不到预期值，表现为监视效率低、结果不明显、容易出错等。
2.系统总体架构设计
针对中小型机场跑道侵入问题，遵循“加强资源整合、完善功能定位、扩大服务范围、优化体系结构、最小化投入成本”的原则，利用物联网技术研发一套物联网驱动模式下的跑道防侵入实时监控系统。其系统架构如图1所示，系统共包括四层：感知层、网络层、控制层和决策层。感知层采用光纤传感器、红外传感器、微波和激光探测器、射频传感器等感知设备实时采集机场跑道及周围环境的多维数据，通过传感器的主动式采集传输，为决策层提供准确及时的数据；网络层采用光纤网络和无线传感网络（如zigbee等）把感知设备采集到的数据传送到控制层；控制层采用路由器、数据信号转换设备和其他控制器，把收集到的数据信号进行过滤、清洗、分类、加密、传输等操作，把完整、实时、准确的数据传输到决策层系统，用于辅助决策的制定；决策层包括一个集实时监控模块、可视化管理模块、调度辅助模块等主要功能于一体的软件系统，配合硬件感知设备的运作，为塔台管制员、调度员、机场巡查员等用户提供多种监控方法。