淺析機(jī)場(chǎng)跑道FOD 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張道玲，燕 翔

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

0 引 言

目前我國(guó)民航正處于高速發(fā)展時(shí)期。根據(jù)規(guī)劃，到2030年我國(guó)全面建成安全高效的現(xiàn)代化民用航空體系，實(shí)現(xiàn)民航大國(guó)到民航強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。持續(xù)安全是民航發(fā)展的永久性主題，飛行區(qū)內(nèi)威脅航空器安全運(yùn)行的問題也越來越受到關(guān)注。據(jù)報(bào)道，跑道FOD引發(fā)的各類不安全事件每萬次起降中高達(dá)4次，平均每個(gè)機(jī)場(chǎng)每年將直接損失約2 000萬美元[1]。跑道FOD往往是一些道面碎塊、塑料制品、動(dòng)植物、金屬器件等“小”體積物體，但由于飛機(jī)在跑道上高速滑跑，這類物體可能會(huì)導(dǎo)致“大”麻煩，如刮傷航空器的輪胎、吸入發(fā)動(dòng)機(jī)或者擊破油箱等。

目前我國(guó)絕大多數(shù)機(jī)場(chǎng)的跑道FOD檢測(cè)仍然是靠人工完成的，場(chǎng)務(wù)組駕車每天進(jìn)行4次道面巡視，低效、易遺漏、高成本等局限性顯著[2]。本文在闡述跑道FOD類型的基礎(chǔ)上，明確了依靠人工巡查手段與跑道FOD監(jiān)測(cè)需求的不匹配；對(duì)比分析了目前國(guó)際上典型跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并歸納梳理了跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)模式?？蓪?duì)我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)降低跑道FOD危害提供借鑒，也對(duì)我國(guó)民航實(shí)現(xiàn)持續(xù)安全提供一定支持。

1 跑道FOD及防范

FOD是foreign object debris的縮寫，泛指可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來物體，常稱為跑道異物[3]。跑道FOD的監(jiān)測(cè)是指通過人工、自動(dòng)化等方式對(duì)跑道表面進(jìn)行全面檢查，并針對(duì)性地清除FOD以防止對(duì)航空器造成危害。

1.1 跑道FOD 類型

跑道FOD一般都是“小”體積物體，主要包括道面碎塊、塑料制品、動(dòng)植物、金屬器件等。

（1）道面碎塊。在飛機(jī)荷載和環(huán)境的雙重作用下，瀝青混凝土跑道會(huì)產(chǎn)生集料松散，水泥混凝土跑道會(huì)產(chǎn)生角隅斷裂等病害。這些病害導(dǎo)致的碎塊是機(jī)場(chǎng)跑道FOD主要來源之一。

（2）塑料制品。施工方或者三檢方落下的筆、筆帽、手套、帽子、膠帶、紙夾、杯子等物品。

（3）動(dòng)植物。場(chǎng)內(nèi)的鳥兒、蛇、刺猬、鼠等動(dòng)物，以及由大風(fēng)帶來的秸稈、青草等植物。

（4）金屬器件。螺帽、螺栓、鋼筆、廢電線等物體。

1.2 人工監(jiān)測(cè)FOD 的局限性

從跑道FOD的類型可見，跑道FOD的來源十分廣泛：道面碎塊隨時(shí)可能發(fā)生，塑料制品、動(dòng)植物、金屬器件等的產(chǎn)生也具有一定的隨機(jī)性。因此為了防止跑道FOD對(duì)航空器產(chǎn)生危害，機(jī)場(chǎng)跑道FOD需滿足“全天候、整跑道、高準(zhǔn)度”的監(jiān)測(cè)。目前人工監(jiān)視跑道FOD主要是場(chǎng)務(wù)組駕車每天4次進(jìn)行跑道巡視，并不能滿足“全天候”監(jiān)測(cè)。同時(shí)隨著機(jī)場(chǎng)航空吞吐量的增加，人工巡視跑道FOD的間隔時(shí)間非常短，塔臺(tái)可能只允許2~3min的檢查時(shí)間，這就造成巡視組只能檢查半條跑道后匆忙退出，“整跑道”的需求也不能滿足。由于巡視車輛速度較快，車上巡視人員的眼睛很難捕捉到顏色相近的“道面碎塊”及“小體積”的跑道FOD，人工巡視并不能達(dá)到“高準(zhǔn)度”的目標(biāo)。因此有必要采用跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道FOD的“全天候、整跑道、高準(zhǔn)度”的監(jiān)測(cè)。

2 典型機(jī)場(chǎng)跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其對(duì)比

我國(guó)目前越來越重視跑道FOD的監(jiān)測(cè)，國(guó)家民航總局機(jī)場(chǎng)司民航局安全技術(shù)中心在2009年編寫了《FOD防范手冊(cè)》[4]。但我國(guó)在跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)上較為落后，且采用雷達(dá)技術(shù)的產(chǎn)品很少，主要是光學(xué)、視頻監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，如深圳某公司的“機(jī)場(chǎng)跑道數(shù)字化監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”、上海某公司的“飛機(jī)起降跟蹤和跑道搜索系統(tǒng)”。目前國(guó)際上已經(jīng)投入使用的機(jī)場(chǎng)跑道異物雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)主要有 四 種， 分 別 為 Tariser、FODetect、IFerret和FODFinder。

（1）Tarsier系統(tǒng)（見圖1）。具有雷達(dá)探測(cè)距離長(zhǎng)、波束窄和分辨率高的特點(diǎn)，能夠?qū)δ繕?biāo)位置準(zhǔn)確定位。視頻設(shè)備的安裝使監(jiān)控人員可以通過觀察判斷探測(cè)結(jié)果是否屬實(shí)，大大提高了探測(cè)準(zhǔn)確率。

圖1 Tarsier 系統(tǒng)

（2）FODetect系統(tǒng)（見圖2）。由77 GHz毫米波雷達(dá)和攝像設(shè)備組成，分別安裝在不同位置的跑道邊燈上。每個(gè)設(shè)備都對(duì)跑道中線附近的區(qū)域進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)FOD后可立即向機(jī)場(chǎng)管理人員發(fā)出報(bào)警信息，并告知FOD的準(zhǔn)確位置及發(fā)現(xiàn)時(shí)間，幫助機(jī)場(chǎng)管理人員清除FOD。

（3）iFerrer系統(tǒng)（見圖3）。每隔一定間距裝置先進(jìn)的高分辨率攝像機(jī)，自動(dòng)探測(cè)和辨認(rèn)跑道上的障礙物。該系統(tǒng)的復(fù)雜圖像處理軟件可針對(duì)變化的照明和路面條件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。發(fā)現(xiàn)FOD后能夠放大物體圖像，并給用戶提供碎片的實(shí)時(shí)圖像。

圖2 FODetect 系統(tǒng)

圖3 iFerrer 系統(tǒng)

（4）FODFinder系統(tǒng)（見圖4）。一套可安裝在車輛頂部的移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，使用78~81 GHz毫米波雷達(dá)、高精度GPS定位系統(tǒng)和高清晰度攝像系統(tǒng)。毫米波雷達(dá)和攝像系統(tǒng)確定FOD后，由GPS鎖定探測(cè)區(qū)域和標(biāo)示FOD的地理位置。

圖4 FODFinder 系統(tǒng)

四個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比見表1，主要優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

3 跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)模式

盡管不同的跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)不同，但所有系統(tǒng)都必須經(jīng)過以下信息架構(gòu)模式：FOD信息采集—FOD信息通信—FOD信息存儲(chǔ)—FOD信息分析—FOD信息反饋。

表1 不同系統(tǒng)的對(duì)比

表2 不同系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.1 信息采集

由于FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要識(shí)別FOD及FOD位置，所以該系統(tǒng)的信息采集手段主要包括雷達(dá)（毫米級(jí)）和視頻攝像機(jī)。

3.2 信息通信

FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采集到的信息是通過配套的光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信。而光纖傳輸常見的有模擬光端機(jī)和數(shù)字光端機(jī)，是解決幾十甚至幾百千米電視監(jiān)控傳輸?shù)淖罴呀鉀Q方式，通過把視頻及控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)在光纖中傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、衰減小、抗干擾性能最好，適合遠(yuǎn)距離傳輸。

3.3 信息存儲(chǔ)

各個(gè)FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳輸過來的視頻和雷達(dá)信號(hào)需要進(jìn)行存儲(chǔ)，由于FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是不間斷采集，數(shù)據(jù)量較大，一般常采用大型Oricle數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，且每個(gè)一定時(shí)間需要進(jìn)行覆蓋和清除。

3.4 數(shù)據(jù)分析

FOD信息庫(kù)中主要包括存儲(chǔ)的視頻信息和雷達(dá)信號(hào)。對(duì)于雷達(dá)信號(hào)，利用雷達(dá)波分析算法對(duì)雷達(dá)波進(jìn)行去噪、濾波、特征提取、目標(biāo)識(shí)別等操作，由于FOD處理的實(shí)時(shí)性和全面性，這對(duì)算法的效率以及魯棒性有較高要求。對(duì)于視頻信息，需要用智能視頻分析技術(shù)或者圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行FOD的判斷。

3.5 信息反饋

信息反饋指的是經(jīng)過系統(tǒng)辨識(shí)所探測(cè)的異物確為跑道FOD，這時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)對(duì)FOD進(jìn)行清除。為達(dá)到對(duì)通航影響的最小化，現(xiàn)場(chǎng)人員需要盡快到達(dá)FOD的位置?？刹捎酶呔榷ㄎ患夹g(shù)，通過智能移動(dòng)端對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的FOD位置指引車輛前行。

4 結(jié) 語(yǔ)

跑道FOD的監(jiān)測(cè)仍是民航安全的重要一環(huán)，人工巡視的方式展現(xiàn)出不能滿足“全天候、整跑道、高準(zhǔn)度”監(jiān)測(cè)的弊端。目前較為成熟的跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是國(guó)外公司開發(fā)的Tariser、FODetect、IFerret、FODFinder等產(chǎn)品，且以毫米波雷達(dá)和攝像為主要監(jiān)測(cè)手段。相對(duì)應(yīng)地，雷達(dá)信號(hào)處理和智能視頻處理為跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要處理方式，高精度的定位系統(tǒng)可輔助快速清除FOD。這三者技術(shù)的相互融合仍是未來跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流手段，也將在更廣闊的民用機(jī)場(chǎng)發(fā)揮更為廣泛的應(yīng)用。