一种机场跑道飞机起降监测系统

摘要

一种机场跑道飞机起降监测系统。其包括振动检测系统、机号检测系统、环境检测系统、声检测系统、局域网设备、主控制器、内网安全隔离设备和设备管理服务器。本发明的机场跑道飞机起降监测系统的有益效果是：首先，与传统检测方式相比，本系统对飞机着陆冲击载荷的检测完全在地面实现，无需在飞机上安装传感器。其次，本系统可实时得出飞机着陆时间、着陆冲击载荷、机号、机型、飞机起飞时间、跑道摩擦系数估值和跑道胶质物累计厚度等数据，机场方也可在任意时间查询以上数据。第三，本系统可预估跑道除胶作业时间，机场可根据此事件提前计划除胶作业，无需使用摩擦系数车检测跑道摩擦系数；第四、本发明提供的数据有利于促进机场精细化管理。

说明书

技术领域

本发明属于地面振动检测技术和图像处理技术领域，特别是涉 及一种机场跑道飞机起降监测系统。

背景技术

随着我国经济水平的提高和民航业的发展，越来越多的人选择 乘坐飞机出行，因此全国各机场的航班数量不断增长。由于机场跑 道数量有限，航班数量的增加必然会带来航班起降管理问题，落后 的管理必然导致机场不能合理调度飞机的起降，造成航班延误。目 前国内机场通过场监雷达监测飞机起降过程，但无法获知飞机的准 确起飞和落地时间。由于缺乏飞机准确的起降时间信息，机场也就 无从对飞机的起降计划进行精细化管理。

另一方面，由于飞机在起飞和降落过程中极易发生安全事故， 为了保障飞机起降安全，对机场跑道的工况提出了很高的要求。跑 道工况的一个重要指标就是摩擦系数，摩擦系数过低则会造成飞机 侧滑，偏离跑道。影响跑道摩擦系数的因素有很多，主要包括跑道 胶质物的累积厚度、积水或积雪量等。其中，跑道累积胶质物的主 要原因是：飞机着陆过程中起落架轮胎与跑道剧烈摩擦会将轮胎橡 胶附着在跑道上形成胶质物累积，飞机接地瞬间的冲击载荷越大， 则附着在跑道上的胶质物越多，胶质物的累积会降低跑道的摩擦系 数。同时，飞机接地冲击载荷过大还会加速道面的变形和过沉降， 从而导致道面寿命缩短。而目前对跑道工况的检测只能定期通过特 种设备来完成，因此道面维护具有一定的滞后性，无法提前确定维 护作业的时间。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种机场跑道飞机 起降监测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统 包括：振动检测系统、机号检测系统、环境检测系统、声检测系统、 局域网设备、主控制器、内网安全隔离设备和设备管理服务器；其 中，振动检测系统与局域网设备通过有线或无线以太网连接，用于 采集飞机着陆冲击载荷产生的地面振动；振动检测系统同时与机号 检测系统通过标准总线相连接，用于向机号检测系统发送准备信 号；机号检测系统与局域网设备通过有线或无线以太网连接，用于 采集飞机机翼下方机号图像，并进行图像识别；环境检测系统与局 域网设备通过有线或无线以太网连接，用于检测降雨量、降雪量数 据；声检测系统与局域网设备通过有线或无线以太网连接，用于采 集飞机起飞过程中的发动机噪声；声检测系统同时与机号检测系统 通过标准总线相连接，用于向机号检测系统发送准备信号；局域网 设备与主控制器通过以太网连接；主控制器是本系统的控制核心， 通过内网安全隔离设备与空管场监雷达系统和机场生产内网相连 接，用于接收空管场监雷达系统中的飞机进近信息，以及机场生产 内网中的时钟数据；设备管理服务器与主控制器相连接。

所述的机场跑道飞机起降监测系统还包括时钟系统、存储系统 和显示设备；主控制器分别与时钟系统、存储系统和显示设备相连 接。

所述的振动检测系统、机号检测系统、环境检测系统、声检测 系统和主控制器均属控制系统，采用微控制器、微处理器、FPGA或 PLC作为核心控制器。

所述的振动检测系统包括：振动传感器阵列、多个变送器、信 号采集模块、振动检测系统控制器、以太网传输模块和标准总线模 块；其中，振动传感器阵列包含多个振动传感器，每个振动传感器 通过一个变送器与信号采集模块连接；信号采集模块与振动检测系 统控制器连接；振动检测系统控制器分别与以太网传输模块和标准 总线模块连接；振动传感器阵列中的振动传感器为力传感器、速度 传感器或加速度传感器；以太网传输模块具有有线或无线以太网接 口。

所述的机号检测系统包括：可见光图像传感器、图像采集卡、 距离传感器、机号检测系统控制器、以太网传输模块和标准总线模 块；其中，可见光图像传感器与图像采集卡连接；图像采集卡与机 号检测系统控制器连接；同时，机号检测系统控制器也与可见光图 像传感器连接；距离传感器与机号检测系统控制器连接；机号检测 系统控制器同时与以太网传输模块和标准总线模块连接。

所述的可见光图像传感器为CCD摄像头、CMOS摄像头、云台摄 像头或高速照相机，用于采集飞机机翼下机号标识的可见光图像； 每套机号检测系统包含2个可见光图像传感器；距离传感器为激光 传感器、红外传感器或超声传感器，用于探测飞机机翼是否经过可 见光图像传感器上方。

所述的环境检测系统包括：降雨量传感器、降雪量传感器、温 度传感器、湿度传感器、环境检测系统控制器和以太网传输模块； 其中，降雨量传感器、降雪量传感器、温度传感器和湿度传感器均 与环境检测系统控制器连接；环境检测系统控制器与以太网传输模 块连接。

所述的声检测系统包括：声传感器、信号放大和滤波模块、声 检测系统控制器、以太网传输模块和标准总线模块；其中，声传感 器与信号放大和滤波模块连接，用以检测飞机起飞过程中的发动机 噪声；信号放大和滤波模块与声检测系统控制器连接；温度传感器、 湿度传感器与声检测系统控制器直接连接，用于对声速和声衰减率 进行温湿度补偿；声检测系统控制器与以太网传输模块和标准总线 模块连接。

所述的局域网设备是有线设备或无线设备；显示设备是LCD显 示屏。

所述的振动检测系统和机号检测系统有多套，每条跑道的入口 各安装一套振动检测系统和一套机号检测系统；对于每套振动检测 系统，其振动传感器阵列包括多个振动传感器，对称安装于跑道入 口两侧道肩的地面；对于每套机号检测系统，其两个可见光图像传 感器对称安装于跑道道肩以外，振动传感器阵列面向飞机降落方 向；每条跑道配置2套声检测系统，每套声检测系统上的声传感器 安装于跑道入口外侧。

本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统的有益效果是：首 先，与传统检测方式相比，本系统对飞机着陆冲击载荷的检测完全 在地面实现，无需在飞机上安装传感器。其次，本系统可实时得出 飞机着陆时间、着陆冲击载荷、机号、机型、飞机起飞时间、跑道 摩擦系数估值和跑道胶质物累计厚度等数据，机场方也可在任意时 间查询以上数据。第三，本系统可预估跑道除胶作业时间，机场可 根据此事件提前计划除胶作业，无需使用摩擦系数车检测跑道摩擦 系数；第四、本发明提供的数据有利于促进机场精细化管理。

附图说明

图1为本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统的组成框图。

图2为本发明系统中振动检测系统的组成框图。

图3为本发明系统中机号检测系统的组成框图。

图4为本发明系统中环境检测系统的组成框图。

图5为本发明系统中声检测系统的组成框图。

图6为本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统中部分部件安 装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的机场跑道飞机起 降监测系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统包括： 振动检测系统1、机号检测系统2、环境检测系统3、声检测系统4、 局域网设备5、主控制器6、内网安全隔离设备9和设备管理服务器 12；其中，振动检测系统1与局域网设备5通过有线或无线以太网 连接，用于采集飞机着陆冲击载荷产生的地面振动；振动检测系统 1同时与机号检测系统2通过标准总线相连接，用于向机号检测系 统2发送准备信号；机号检测系统2与局域网设备5通过有线或无 线以太网连接，用于采集飞机机翼下方机号图像，并进行图像识别； 环境检测系统3与局域网设备5通过有线或无线以太网连接，用于 检测降雨量、降雪量等环境数据；声检测系统4与局域网设备5通 过有线或无线以太网连接，用于采集飞机起飞过程中的发动机噪 声；声检测系统4同时与机号检测系统2通过标准总线相连接，用 于向机号检测系统2发送准备信号；局域网设备5与主控制器6通 过以太网连接；主控制器6是本系统的控制核心，通过内网安全隔 离设备9与空管场监雷达系统10和机场生产内网11相连接，用于 接收空管场监雷达系统10中的飞机进近信息，以及机场生产内网 11中的时钟数据；设备管理服务器12与主控制器6相连接。

本系统还包括时钟系统7、存储系统8和显示设备13；主控制 器6分别与时钟系统7、存储系统8和显示设备13相连接；所述主 控制器6利用振动检测系统1、机号检测系统2、环境检测系统3、 声检测系统4和时钟系统7产生的数据，以及存储系统8的内置资 源，实现了对飞机着陆冲击载荷数、准确着陆时间、飞机着陆点、 飞机起飞时间、滑跑距离、滑跑速度、跑道胶质物累积厚度、跑道 摩擦系数、预计除胶作业时间等数据的计算，以及对飞机机号的自 动识别，并在存储系统8中的起降信息数据库对以上数据进行存储 和管理，在显示设备13中进行实时显示。

另外，机场工作人员可以通过设备管理服务器12对飞机机号、 飞机着陆冲击载荷数、准确着陆时间、飞机着陆点、飞机起飞时间、 滑跑距离、滑跑速度、跑道胶质物累积厚度、跑道摩擦系数、预计 除胶作业时间等数据进行查询；同时，拥有权限的工作人员也可通 过设备管理服务器12对振动检测系统1、机号检测系统2、环境检 测系统3、声检测系统4、主控制器6和存储系统8各设备进行监控， 并根据需要修正存储系统8中飞机信息数据库储存的信息和跑道胶 质物累积模型参数等。

所述的振动检测系统1、机号检测系统2、环境检测系统3、声 检测系统4和主控制器6均属控制系统，存在上下位逻辑关系，采 用微控制器、微处理器、FPGA或PLC作为核心控制器。

如图2所示，所述的振动检测系统1包括：振动传感器阵列14、 多个变送器15、信号采集模块16、振动检测系统控制器17、以太 网传输模块18和标准总线模块19。其中，振动传感器阵列14包含 多个振动传感器，每个振动传感器通过一个变送器15与信号采集模 块16连接；信号采集模块16与振动检测系统控制器17连接；振动 检测系统控制器17分别与以太网传输模块18和标准总线模块19 连接。

所述的振动传感器阵列14中的振动传感器可以是力传感器、 速度传感器或加速度传感器，用于检测因飞机着陆冲击产生的地面 振动；变送器15将振动传感器的输出信号滤波后转换为4-20mA标 准电流信号传送给信号采集模块16；信号采集模块16将变送器15 输出电流信号转换为电压信号，并再次进行滤波，接着将滤波后的 电压信号进行模数转换，并传送给振动检测系统控制器17；当振动 检测系统控制器17接收到地面振动信号时，立即通过标准总线模块 19向机号检测系统2发送准备信号，同时根据地面振动信号计算出 飞机着陆的接地时间、冲击载荷和接地位置等数据；振动检测系统 控制器17还可根据冲击载荷和地面振动信号特征识别出飞机的机 型；

所述的以太网传输模块18具有有线或无线以太网接口，可通 过有线或无线以太网将振动检测系统控制器17计算所得的数据通 过局域网设备5上传到主控制器6；主控制器6向振动检测系统1 下传的控制命令也通过以太网传输模块18接收。

如图3所示，所述的机号检测系统2包括：可见光图像传感器 20、图像采集卡21、距离传感器22、机号检测系统控制器23、以 太网传输模块32和标准总线模块33；其中，可见光图像传感器20 与图像采集卡21连接；图像采集卡21与机号检测系统控制器23 连接；同时，机号检测系统控制器23也与可见光图像传感器20连 接；距离传感器22与机号检测系统控制器23连接；机号检测系统 控制器23同时与以太网传输模块32和标准总线模块33连接。

所述的可见光图像传感器20可以是CCD摄像头、CMOS摄像头、 云台摄像头、高速照相机等，用于采集飞机机翼下机号标识的可见 光图像；对于每套机号检测系统2，其包含2个可见光图像传感器 20；图像采集卡21用于将可见光图像传感器20的输出信号转换为 标准图像格式，并传送给机号检测系统控制器23；

所述的距离传感器22为激光传感器、红外传感器或超声传感 器，用于探测飞机机翼是否经过可见光图像传感器20上方；

所述的机号检测系统控制器23用于控制机号检测系统2的工 作状态，将图像采集卡21上传的机号标识图像进行图像处理，转化 为字母和数字，并将机号、机号标识图像及其获取时间通过以太网 传输模块32上传到主控制器6；主控制器6向机号检测系统2下传 的控制命令也通过以太网传输模块32接收；

如图4所示，所述的环境检测系统3包括：降雨量传感器24、 降雪量传感器25、温度传感器26、湿度传感器27、环境检测系统 控制器28和以太网传输模块34；其中，降雨量传感器24、降雪量 传感器25、温度传感器26和湿度传感器27均与环境检测系统控制 器28连接；环境检测系统控制器28与以太网传输模块34连接；

所述的环境检测系统控制器28用于控制环境检测系统3的工 作状态和采样周期，并将降雨量传感器24、降雪量传感器25、温度 传感器26和湿度传感器27检测数据通过以太网传输模块34上传到 主控制器6；主控制器6向环境检测系统3下传的控制命令也通过 以太网传输模块34接收。

如图5所示，所述的声检测系统4包括：声传感器29、信号放 大和滤波模块30、声检测系统控制器31、以太网传输模块35和标 准总线模块36；其中，声传感器29与信号放大和滤波模块30连接， 用以检测飞机起飞过程中的发动机噪声；信号放大和滤波模块30 与声检测系统控制器31连接；温度传感器37、湿度传感器38与声 检测系统控制器31直接连接，用于对声速和声衰减率进行温湿度补 偿；声检测系统控制器31与以太网传输模块35和标准总线模块36 连接；

所述的信号放大和滤波模块30将声传感器29的输出信号进行 放大和带通滤波，其上的带通滤波器的通频段设置在飞机发动机噪 声频段；声检测系统控制器31对放大和滤波后的信号进行处理，并 根据声强变化和温湿度数据计算出飞机滑跑距离和飞机起飞时间， 同时根据多普勒效应计算出飞机滑跑速度；之后将计算所得的数据 通过以太网传输模块35上传到主控制器6；主控制器6向声检测系 统3下传的控制命令也通过以太网传输模块35接收。

所述的局域网设备6可以是有线设备或无线设备，用于将多个 振动检测系统1、机号检测系统2、环境检测系统3和声检测系统4 进行局域网组网，振动检测系统1、机号检测系统2、环境检测系统 3和声检测系统4与主控制器6的数据通讯均通过该设备实现。

所述的主控制器6的网络接口通过内网安全隔离设备9从机场 生产内网11单向实时接收机场时钟数据，上行向设备管理服务器 12发送飞机机号、飞机着陆冲击载荷数、准确着陆时间、飞机着陆 点、飞机起飞时间、滑跑距离、滑跑速度、跑道胶质物累积厚度、 跑道摩擦系数、预计除胶作业时间等数据，以及机号标识图像等， 下行从设备管理服务器12接收设备管理指令。

所述的存储系统8支持硬盘、FLASH等非易失存储介质；存储 系统8内置起降信息数据库、飞机信息数据库和跑道胶质物累积模 型。其中起降信息数据库用于保存振动检测系统1、机号检测系统2、 环境监测系统3和声检测系统4上传的各种数据；飞机信息数据库 则存储有机号与机型的匹配信息，以及各机型飞机的标准着陆品质 参数，如限定冲击载荷范围等；跑道胶质物累积模型用于计算飞机 着陆过程中在跑道上的累积胶质物厚度。

所述的显示设备13可以是LCD显示屏，用于实时显示振动检测 系统1、机号检测系统2、环境监测系统3和声检测系统4的工作状 态、飞机起降数据、飞机机号、跑道胶质物累积厚度、预计除胶作 业时间、环境信息和报警信息等。

所述的主控制器6可将机号在飞机信息数据库中进行匹配，获 得机型信息，并得到该机型的着陆品质参数限定范围，若振动检测 系统1计算得到的数据超过此限定范围，则在显示设备13中显示报 警信息，并计入起降信息数据库；振动检测系统1计算得到的机型 信息作为备用信息，当能见度过低，无法通过图像识别机号时，则 使用此机型信息；

所述的主控制器6根据存储系统8中的跑道胶质物累积模型和 飞机着陆冲击载荷数据计算跑道上胶质物累计的厚度，并可根据历 史冲击载荷信息估算出预计除胶时间，使机场能够提前安排除胶作 业，以上信息均存入起降信息数据库；如果胶质物累计厚度超过预 设值，则在显示设备13中显示报警信息，提示机场工作人员尽快安 排除胶作业，报警信息同样存入起降信息数据库；当机场完成除胶 作业后，工作人员可通过设备管理服务器12重置胶质物累计厚度数 据；

所述的主控制器6可根据跑道类型(如水泥跑道或沥青跑道)、 跑道胶质物累积厚度、降雨量和降雪量等信息计算出当前跑道接地 端的摩擦系数；如果摩擦系数低于适航标准，则发出报警信息；

所述的主控制器6通过内网安全隔离设备9从机场生产内网11 接收时钟同步信息，用于时钟系统校正；

所述的主控制器6通过内网安全隔离设备9从空管场监雷达系 统10接收飞机概略位置信息；

所述的存储系统8内飞机起降数据库的数据均通过以太网的形 式上传至设备管理服务器12，设备管理服务器12可以向主控制器6 下传各种控制命令；

所述的设备管理服务器12内置有网络应用层程序，该程序分 为三个功能层次：底层为数据库，存储管理从主控制器6接收到的 设备工作状态、飞机起降数据、飞机机号、跑道胶质物累积厚度、 环境信息和报警信息等；中层为客户端访问接入点，提供各种数据 查询服务，机场可通过网络浏览器软件连接设备管理服务器12，打 开访问页面后采用账户+密码的权限方式进入查询系统；上层为设 备组态应用程序，程序采用GUI界面，将底层数据库中的各种数据 通过图形的形式显示出来，同时通过点击设备图标和采用菜单、对 话框等人机对话形式向各设备下达控制指令，并将指令通过网络下 发到主控制器6中，完成上位机管理功能。

如图6所示，所述的振动检测系统1和机号检测系统2可以有 多套，其安装方式为：每条跑道的入口各安装一套振动检测系统1 和一套机号检测系统2；对于每套振动检测系统1，其振动传感器阵 列14包括多个振动传感器，对称安装于跑道入口两侧道肩的地面， 传感器的数量和传感器之间的距离可视跑道具体情况确定，标准是 能够覆盖跑道接地带长度；振动传感器采用嵌入式安装，不影响飞 机或车辆通行；对于每套机号检测系统2，其两个可见光图像传感 器20对称安装于跑道道肩以外，振动传感器阵列14面向飞机降落 方向，具体位置以能够拍摄清楚机翼下机号为准；

如图6所示，每条跑道配置2套声检测系统4，每套声检测系 统4上的声传感器29安装于跑道入口外侧。

本发明提供的机场跑道飞机起降监测系统的工作过程：若跑道 无飞机起降，则振动检测系统1、机号检测系统2和声检测系统4 处于休眠状态，减少能耗；环境检测系统3一直处于工作状态，以 一定的采样周期采集环境温湿度、降雨量和降雪量等信息，并实时 上传到主控制器6；

在飞机降落阶段，一旦主控制器6通过空管场监雷达系统10 接收到飞机进近信息，主控制器6立即向振动检测系统1发出准备 信息，振动检测系统1从休眠状态进入工作状态，准备检测地面振 动；当飞机着陆时，一旦振动检测系统1检测到地面振动，立即向 机号检测系统2发送准备信号，并根据地面振动信号计算飞机接地 时间、冲击载荷和接地位置和机型等数据，计算完毕后将以上数据 上传到主控制器6；与此同时，机号检测系统2在接收到准备信号 后，其上的机号检测系统控制器23将向可见光图像传感器20发送 启动信号，机号检测系统2进入工作状态；此时一旦距离传感器22 检测到飞机机翼经过可见光图像传感器20上方时，机号检测系统控 制器23立即向可见光图像传感器20发送拍摄信号，可见光图像传 感器20立即连续拍摄若干张图像；所拍摄的图像经过机号检测系统 控制器23处理，筛选出三张机号标识最清晰的进行图像识别，得到 机号数据，并连同三张图像和拍摄时间一同通过局域网设备6上传 到主控制器6；随后，机号检测系统2再次进入待机状态；当振动 检测系统1检测到地面振动衰减到低于一定阈值后，振动检测系统 1进入休眠状态；主控制器6根据振动检测系统1、机号检测系统2 和环境检测系统3上传的数据计算得到跑道胶质物累计厚度、跑道 摩擦系数、预计除胶作业时间和报警信息等数据，并将以上所有数 据存入起降信息数据库，起降信息数据库中的数据自动同步到设备 管理服务器12；

在飞机起飞阶段，如果通过空管场监雷达系统10接收到飞机 进入跑道信息，声检测系统4从休眠状态进入工作状态，准备检测 发动机噪声；声检测系统4在接收到发动机噪声信号后，立即通过 标准总线向机号检测系统2发送准备信号，并根据噪声波形特征计 算得到飞机起飞时间、滑跑速度和滑跑距离等数据，均上传到主控 制器6；机号检测系统2接收到准备信号后的工作过程与飞机降落 阶段相同；当声检测系统4检测到发动机噪声衰减到低于一定阈值 后，声检测系统4进入休眠状态；主控制器6将机号检测系统2和 声检测系统4上传的数据存入起降信息数据库，起降信息数据库中 的数据自动同步到设备管理服务器12。