CN102590882A - 机场道面异物监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，是一种机场道面异物监测系统。本发明的扫描设备与工控机通过数据传输网络连接进行数据传输，工控机与主控制服务器连接，主控制服务器与显示装置连接，主控制服务器通过总线方式连接扫描设备。扫描设备接收主控制服务器的控制信号，采集机场道面影像，发送至工控机；工控机进行实时图像分析和异物识别处理，并将信息发送至主控制服务器；主控制服务器进行报警，并将有异物的信息发送至显示装置；显示装置，接收主控制服务器传输的有异物的信息，并显示异物信息。上述工作过程由相关控制识别软件参与、控制或完成。本发明能够昼夜工作，自动探测识别5毫米的异物，同时可进行人工确认，提高报警的可靠性，探测精度高。

Description

机场道面异物监测系统

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及机场刀面安全防护监测技术，具体地说是一种机场道面异物监测系统。

背景技术

机场道面异物(外来物)FOD(Foreign Object Debris)，即可能损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体(后文均简称道面异物)。道面异物的种类相当多，如硬物体、软物体、鸟类、雷电等。道面异物危害非常严重，机场道面上的异物可以很容易被吸入发动机，导致发动机失效。碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。

道面异物不仅会损坏飞机，造成巨大的经济损失，而且还会引发空难而夺去宝贵的生命。非计划的拆换发动机本身就是昂贵的花费，更不用说航班延误或取消带来的损失。据保守估计，每年全球因道面异物造成的损失至少在30亿～40亿美元，异物道面异物不仅会造成巨大的直接损失，还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失，而间接损失至少为直接损失的4倍。

关于道面异物探测系统的研究与开发，目前世界上较为典型的有4个系统，它们分别是英国开发的Tarsier系统、以色列开发的FODetect系统、新加坡开发的iFerret系统和美国开发的FOD Finder系统。

英国Tarsier系统是由英国Qinetiq公司受命研究开发的Tarsier1100(T1100)异物探测系统。T1100工作频率为94.5GHz，雷达体制为连续波调频(FMCW)，具有雷达探测距离长、波束窄和分辨率高的特点，该系统能够探测异物的最小尺寸为20毫米，并能对探测到的异物准确定位。

以色列FODetect系统由以色列的Xsight公司开发，系统由77GHz毫米波雷达和摄像设备所组成，多个道面监测单元(SDU)分别安装在不同位置的跑道边灯上，每个SDU都对跑道中线附近的区域进行扫描，发现道面异物后，可以立即向机场管理人员发出报警信息，告知道面异物的准确位置以及发现时间。而后，设备会拉近镜头，提供道面异物的视频图像，发现道面异物之后，传感器会锁定道面异物的位置，以帮助机场管理人员将道面异物取走。系统能够探测异物的最小尺寸为25毫米，在夜间，还可使用激光指示器协助将道面异物取走。

美国FOD Finder系统是由美国Trex Enterprises公司开发的一套移动监控系统，可以安装在车辆的车顶。系统由监控系统与后台软件处理系统组成，能够探测异物的最小尺寸为25毫米。监控系统使用的是78-81GHz毫米波雷达、高精度的GPS定位系统和摄像系统，雷达扫描速度为30次/分钟，探测半径为200米，装在车顶的一个雷达罩中，车辆向前移动时，系统扫描车辆前部的区域，并向机场控制人员提供雷达和视频信号。车辆上装有软件处理系统(AirBoss处理系统)，由触摸式电脑、照相机、条码机组成，机场控制人员可以根据系统指示方位拾取道面异物。一旦道面异物被取出，装于车内的照相机会给碎片照相备案，机场控制人员还会给道面异物贴上条形码以做记录，同时记录信息将通过互联网存储在系统数据库中。

新加坡Stratechsystems公司的iFerret智能视频探测系统，通过在跑道上每隔一定间距装置先进的高分辨率功能的摄像机，自动探测和辨认跑道上的障碍物，而复杂的图像处理软件可以针对变化的照明和路面条件做出适当的调整。发现道面异物后，系统能够放大物体的图像，给用户提供碎片的实时图像，让用户看到发现的物品。该系统能够探测异物的最小尺寸为20毫米，但在夜间、阴雨天及低能见度等情况下应用有一定的局限性。

上述4个系统中，Tarsier系统、FODetect系统、FOD Finder系统以毫米波雷达探测技术为主，并辅助有视频成像手段，扫描设备探测到异物后，工作人员可通过视频系统进行确认。iFerret系统采用视频图像识别技术。这4个系统是目前国外民航和外军机场主要使用的异物自动监测技术。但是，上述4个系统能够识别的最小异物为20毫米，与实际需求相差较远。而且视频图像技术受阴雨天气，低照度等影响大，探测识别功能低、夜间难以工作。

发明内容

为了克服现有技术探测识别道面异物最小尺寸偏大，达不到实际使用需求的缺陷，本发明提供了一种机场道面异物监测系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：应用光学成像原理，采集道面异物图像信息，对道面的图像信息进行分析识别，对识别出的异物进行报警处理。本发明所述系统包括扫描设备，工业控制计算机，主控制服务器，显示装置和控制识别软件。

本发明扫描设备放置在需要进行异物检测的区域的适当位置，对该区域图像信息进行采集，该图像信息包含异物信息。异物扫描装置包括：成像装置、红外辅助照明设备、防护罩、扫描机构、成像装置姿态调整机构及红外辅助照明设备姿态调整机构。扫描机构上方固定安装防护罩，防护罩上开设有窗口，防护罩底板上安装有成像装置姿态调整机构，成像装置安装在成像装置姿态调整机构上，红外辅助照明设备安装在红外辅助照明设备姿态调整机构上，且安装位置及姿态根据防护罩的窗口位置和扫描范围及情况进行相应调整。通过对成像装置和红外辅助照明设备的姿态调整来控制扫描范围。

本发明工业控制计算机负责对扫描设备采集来的图像信息进行分析，识别异物并将异物相关的图像、位置信息通过数据传输网络传送给主控制服务器。

本发明主控制服务器是该系统的核心控制部分，由主控制服务器进行发送扫描命令、提供异物报警信息、收集系统工作状态以及对系统进行操作控制。

本发明显示装置显示报警信息、异物信息、系统工作状态信息及其他相关信息。

本发明数据传输网络负责系统各部分的数据传输。扫描设备与工控机之间通过数据传输网络传输数据，数据传输网络包括光纤、网线、其他数据线和光端机、交换机及其他数据传输设备。数据传输网络连接扫描设备，接收扫描设备的扫描视频图像信号，并将扫描视频图像信号传输至工业控制计算机。本发明数据传输网络为以太网的方式，采用以太网形式连接工业控机与主控制服务器连接。

所述扫描设备与工业控制计算机通过数据传输网络连接进行数据传输，所述主控制服务器与显示装置连接。所述主控制服务器通过总线方式连接所述扫描设备，控制所述扫描设备的动作。各种数据连接方式由于技术发展的不同阶段可能会有不同，只要实现数据交换连接功能，满足连接速度，均可使用，并在本发明保护范围之下。

本发明所述系统工作过程如下：

扫描设备上电后进行初始化操作，完成初始化操作后，传送扫描设备状态信息到主控服务器，等待主控服务器命令。

通过主控服务器判断相关设备工作状态信息，如果系统各设备状态信息允许进行扫描动作，主控制服务器通过总线传输方式将扫描命令发给扫描设备，扫描设备接受命令开始工作。

扫描设备采集道面图像信息，并将采集到的视频信号或图像数据通过数据数据传输网络发送至所述工业控制计算机。

工业控制计算机接收所述扫描设备传输的视频信号或图像数据，进行图像分析计算和异物识别处理，并将识别出有异物的信息通过数据传输网络发送至主控制服务器。

主控制服务器接收工业控制计算机传输的有异物的信息，进行报警，并将有异物的信息发送至显示装置中。上述过程由相关控制识别软件与硬件共同完成。操作人员根据具体情况进行判断，采取相应的行动。

相关控制识别软件主要用于实现系统运行过程控制、异物识别及报警和信息存储。相关控制识别软件具有人机交互界面、系统功能实现控制、系统各部分动作程序的控制、数据传输控制等系统运行过程控制方面的软件功能；具有图像处理、异物识别、异物信息处理、异物信息排序显示及声光报警等异物识别及报警方面的功能；具有图像信息存储、异物信息存储、存储信息分类及定期处理等信息存储方面的功能。相关控制识别软件主要安装在主控制服务器和工控机上，在相应系统平台上运行，实现上述三方面功能。

本发明的有益效果是：本发明机场道面异物监测系统解决了现有机场道面异物探测技术能够探测识别异物最小尺寸偏大，达不到实际使用需求；现有视频图像识别技术受阴雨天气，低照度等影响大，探测识别功能低、夜间难以工作等缺陷，本发明能够昼夜工作，自动探测识别5毫米的异物，同时，可进行人工确认，提高报警的可靠性，探测精度高。

附图说明

图1为本发明机场道面异物监测系统的工作框图。

图2为本发明机场道面异物监测系统的系统总体组成示意图。图中，1为扫描设备，2数据传输网络，3工业控制计算机，4主控制服务器，5显示装置，6跑道道面，21光端机。

图3为本发明机场道面道面异物扫描装置的结构示意图，图中101为成像装置、102为近红外辅助照明设备、103为防护罩、105为转台、1031为窗口、106为易折底座、107为基座、108为遮阳罩。

图4为机场道面异物扫描装置局部结构示意图，图中101为成像装置、104为摄像机俯仰调整机构、1032为底板。

图5为防护罩内部结构示意图。图中101为成像装置、103为防护罩、104为成像装置姿态调整机构、1031为窗口、108为遮阳罩。

图6为具体实施方式扫描设备的实际扫描区域图。图中，1扫描设备，6跑道道面。

图7为具体实施方式扫描设备布设示意图。图中，X为相邻两台扫描设备的间距，R为每台扫描设备的扫描半径，1扫描设备，6跑道道面。

图8为具体实施方式扫描设备的扫描方式示意图。图中，1扫描设备

具体实施方式

以下结合附图对本发明的工作过程和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种机场道面异物监测系统，包括扫描设备1、工业控制计算机3、主控制服务器4和显示装置5，主控制服务器4通过总线方式与扫描设备1连接，扫描设备1通过数据传输网络2与工业控制计算机3进行数据传输，工业控制计算机3通过千兆以太网与主控制服务器4连接，主控制服务器4和工业控制计算机3分别与显示装置5连接。

扫描设备1在上电过程中会进行初始化，扫描设备1自动返回到扫描起点，等待操作人员的扫描指令。

操作人员在主控制服务器4上打开扫描软件，如软件对应的扫描设备图标是绿颜色的话证明扫描设备1完好可以开始扫描；如软件对应的扫描设备图标是红颜色的话证明扫描设备1有异常，要及时通知相关人员进行维修。

在扫描设备1完好的情况下操作人员发出扫描指令给主控制服务器4，主控制服务器4与工业控制计算机3是并联的一个大的分析系统，主控制服务器4把指令通过数据传输网络2传输给扫描设备1。扫描设备1开始扫描道面，扫描过程中会把每一幅扫描图片通过数据传输网络2传输给工业控制计算机3，扫描结束图片传输也会停止。最后由工业控制计算机3分析发回的图片做图像处理，工业控制计算机3把有问题的图片提取出来再发给主控制服务器4，最后由操作人员来判断图片异物情况。

扫描设备1自动采集机场道面影像，所述数据传输网络2包括光纤和光端机21，光端机21包括前端光端机和监控室光端机，前端光端机与扫描设备1连接，将扫描设备1采集到的道面影像数据转化为光信号，通过光纤传输到监控室光端机，监控室光端机与工业控制计算机3和主控制服务器4连接，将接收到的光信号转化为视频电信号，发送至工业控制计算机3。

主控制服务器4通过总线方式设置扫描设备1工作参数、控制扫描设备1开启度等，主控制服务器4将控制信号通过监控室光端机、光纤、前端光端机发送到扫描设备1，实现对扫描设备1的控制。

工业控制计算机3接收扫描设备1传输的扫描视频信号，通过工业控制计算机3内的图像分析、异物识别软件等进行实时图像分析和异物识别处理，并将有异物的信息发送至主控制服务器4。

主控制服务器4与显示装置5连接，主控制服务器4接收工业控制计算机3传输的有异物的信息，进行报警，并根据需求将有异物的信息进行优先显示等级(如根据异物位置信息进行优选排序)筛选后，发送至显示装置5。

显示装置5接收主控制服务器4传输的有异物的信息，并显示异物位置信息和报警画面。

工业控制计算机3还与显示装置5连接，工业控制计算机3接收扫描设备1传输的扫描视频信号，并将扫描视频进行记录存储，需要时调取并发送到显示装置5。

如图3、4、5所示，该系统中的扫描设备1包括成像装置101、近红外辅助照明设备102、防护罩103、摄像机俯仰调整机构104，成像装置101包括三台摄像机和三个镜头，每台摄像机配套不同焦距的镜头，摄像机为低照度摄像机，对所述镜头进行了近红外增透设计，且在镜头上安装有750nm-900nm带通滤光片。近红外辅助照明设备102为两台近红外激光光源，近红外辅助照明设备102用于夜间监测异物时辅助照明，摄像机、镜头安装在防护罩103内，近红外激光光源安装在摄像机防护罩103内部两侧，实现近红外辅助照明。扫描机构包括基座107、易折底座106和转台105，基座107上固定安装易折底座106，易折底座106上方安装转台105，转台105上方支撑连接防护罩103，转台105是扫描设备1的水平扫描机构，完成水平方向的扫描，防护罩103上开设有窗口1031，防护罩103的底板1032上安装有摄像机俯仰调整结构104，成像装置101和近红外激光光源均安装在摄像机俯仰调整结构104的俯仰调整板上，且安装位置与防护罩的窗口1031位置相对应，三台摄像机和两台近红外激光光源可以调整成不同的俯仰角，完成对整个监视区域的跑道道面6的扫描和辅助照明。防护罩103的底板1032上安装有密封条，来保证防护罩的整体密封性。防护罩103上方设置有遮阳罩108能够遮挡部分的雨淋，遮阳罩108与防护罩103主体有10mm距离，能够隔绝太阳直接照射防护罩103导致的温度过高，防护罩103的窗口1031上安装有玻璃，玻璃由K9玻璃镀膜加工而成，窗口1031周围和玻璃之间通过密封条密封，保证防护罩103前窗口1031处的密封。

如图6所示，每台扫描设备1能够监测一个30米×80米的矩形区域，最远拍摄距离为50米。

本发明中扫描设备1的光学系统进行了以下特殊的光学设计。

本发明中扫描设备1的光学系统于近红外模式下工作，在近红外辅助照明的条件下能够有效解决夜间成像的问题。首先，成像装置101选用的是照度要求低、对近红外750nm-900nm波段敏感度高的成像器件。然后，对所述镜头进行了近红外增透设计，且在镜头上安装有750nm-900nm带通滤光片。只有750nm-900nm波段的近红外光能够通过镜头引起摄像机成像。夜间条件下，采用安装在扫描设备上的近红外辅助照明设备辅助成像，当照度达不到系统成像要求时，近红外辅助照明设备自动开启。由于近红外光线为不可见光，不会影响飞行安全，因此这种方法较好的解决了夜间监测道面异物的难题。

由于可见光和近红外光成像的焦距不同，如果白天系统利用可见光成像，夜间利用近红外光成像，就需要配置不同焦距的镜头进行切换，系统成本将大大提高。白天自然光中的近红外光线比较充足，能够满足成像要求，本发明扫描设备的光学系统只对750nm-900nm波段的近红外光线敏感，使得成像装置101白天和夜间都工作于同一模式。可见光不能通过镜头引起摄像机反应，再将摄像机CCD靶面与主光轴的夹角由原来的直角调整为锐角，可消除夜间助航灯光的影响，同时也增大了图像清晰范围，降低了系统的误报。另外，该扫描设备使用的750nm-900nm nm波段的近红外光线具有较好的透雾性，在一定程度上也解决了复杂气象条件下系统识别异物的问题。

根据机场净空管理规定，跑道周围的建筑、设施不能超过特定的高度。本发明扫描设备在机场安装布设时，扫描设备架设位置的选择十分关键，如果离跑道太远(如果架设高度为10米，则至少要离跑道100米远)，更不利于阴雨天、夜间等光线不足时的道面影像采集，给图像处理也带来很多不利因素。因此，将该扫描设备布设在跑道2两侧，高度不大于350mm，底部设计了易折结构，扫描设备按照80米间距布设，对于60米宽的跑道，每台扫描设备需要拍摄的最远距离为50米。

这样，该扫描设备1可利用跑道边灯原来的底座进行改进安装，数据传输线可利用原来的电缆沟进行铺设，设备整体高度不大于350mm。

扫描设备1的这种安装方式，符合机场管理规定。理论上，扫描设备1在跑道6两边可以对称布设，也可以非对称布设。非对称布设时需要对跑道6中心线另外一侧的道面进行扫描，机场跑道6有一定的横向坡度，由于扫描设备高度不大于350mm，跑道中心线另一侧的道面很难拍摄到。因此，本发明设计采取对称方式进行布设。扫描设备1在机场跑道6上的扫描半径示意图如图6所示，在跑道两侧的布设方式如图7所示，图中X为相邻两台扫描设备的间距，R为每台扫描设备的扫描半径。

本发明中扫描设备1将三台摄像机安装在同一转台105上，每台摄像机配套不同焦距的镜头，三台摄像机通过转台105的水平扫描完成对环形区域的扫描，每步拍摄横向距离不大于1.4米，扫描一周可完成80米×30米范围的扫描，大大缩短了扫描周期，为及时清除跑道上的异物赢得了时间。扫描设备的扫描示意图8所示。

本发明扫描设备采集到的图像可通过由光纤传输到监控中心，同时，监控中心发出的控制信号发送到扫描设备，控制扫描设备的开关、扫描角度等工作状态。监控中心由工业控制计算机、主控制服务器等硬件和图像分析、异物识别软件等组成。

目前，图像识别技术在各领域都有成功的范例，比如人脸识别、指纹识别、虹膜识别以及车牌识别等。但这些识别的环境和机场道面异物的识别都有很大的区别。人脸识别、指纹识别、虹膜识别以及车牌识别(用闪光灯获得稳定光照强度)都是在距离比较近、光照条件人为可控等状况下进行的，而该系统需要在自然光照条件下，远距离识别微小异物。自然光照条件变化复杂，给识别带来很大的难度。这种识别方式国内外都没有先例。

对于机场道面图像处理来说，要识别的物体从体积到形状都很复杂，很难找到涵盖特征。所以与道面无异物时的对比是解决问题的最有效办法。由于跑道的背景部分的灰度与异物的灰度不一致，根据这一特征可以找到不同点。再有人为适当参与判断是否异物。

本发明的机场异物监测系统采用近红外辅助照明技术，解决了视频受光线变化影响大、夜间难以工作的问题；采用分数维数和模板匹配等方法，解决了自然光照条件下自动识别异物的问题；采用自行设计的高精度扫描设备，不仅能够满足计算机自动识别异物的要求，还可进行人工确认，提高了报警的可靠性；能够识别小到5mm的异物，与国外产品相比，探测精度提高了4倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机场道面异物监测系统，其特征是：包括扫描设备(1)、数据传输网络(2)、工业控制计算机(3)、主控制服务器(4)、显示装置(5)和控制识别软件；扫描设备(1)与工业控制计算机(3)通过数据传输网络(2)连接进行数据传输，工业控制计算机(3)与主控制服务器(4)连接，主控制服务器(4)与显示装置(5)连接，主控制服务器(4)通过总线方式连接扫描设备(1)，并对扫描设备进行控制；

所述的扫描设备(1)接收主控制服务器(4)的控制信号，采集机场跑道道面(6)的影像，并将采集到的信号通过数据传输网络(2)发送至工业控制计算机(3)；

所述的工业控制计算机(3)用于接收扫描设备(1)传输的视频信号或图像数据，进行实时图像分析和异物识别处理，并将识别出有异物的信息发送至主控制服务器(4)；

所述的主控制服务器(4)用于接收工业控制计算机(3)传输的有异物的信息，进行报警，并将有异物的信息发送至显示装置(5)；

所述的数据传输网络(2)用于系统各部分之间数据传输；

所述的显示装置(5)用于接收主控制服务器(4)传输的有异物的信息，并显示异物信息；

所述的相关控制识别软件用于实现系统运行过程控制、异物识别及报警功能。

2.根据权利要求1所述的机场道面异物监测系统，其特征是：连接扫描设备(1)与工业控制计算机(3)进行数据传输的数据传输网络(2)包括光纤、网线、数据传输线、光端机、数据传输设备，接收扫描设备(1)的扫描视频信号或图像数据，并将扫描视频信号或图像数据传输至工业控制计算机(3)；工业控制计算机(3)通过以太网与主控制服务器(4)连接。

3.根据权利要求2的机场道面异物监测系统，其特征是：扫描设备(1)包括成像装置(101)、近红外辅助照明设备(102)、防护罩(103)、摄像机俯仰调整机构(104)，扫描设备(1)上方固定安装防护罩(103)；所述防护罩(103)上开设有窗口(1031)，防护罩(103)底板(1032)上安装有摄像机俯仰调整结构(104)；近红外辅助照明设备(102)装在摄像机俯仰调整结构(104)上，且安装位置与防护罩的窗口位置相对应；成像装置(101)和近红外辅助照明设备(102)通过摄像机俯仰调整结构(104)调整扫描角度。

4.根据权利要求3所述的机场道面异物监测系统，其特征是成像装置(101)包括摄像机和镜头，近红外辅助照明设备(102)为近红外激光光源。

5.根据权利要求所述的机场道面异物监测系统，其特征是摄像机为低照度像机摄，摄像机CCD靶面与主光轴的夹角为锐角。

6.根据权利要求5所述的机场道面异物监测系统，其特征是摄像机摄像机镜头为近红外增透镜头，且在镜头上安装有近红外带通滤光片。

7.根据权利要求3所述的机场道面异物监测系统，其特征是扫描设备(1)包括基座(107)，易折底座(106)，转台(105)；基座(107)上固定安装易折底座(106)，易折底座(106)上方安装转台(105)，转台(105)上方支撑连接所述防护罩(103)。

8.根据权利要求7所述的机场道面异物监测系统，其特征是防护罩(103)上方设置有遮阳罩(108)。

9.根据权利要求7所述的机场道面异物监测系统，其特征是防护罩(108)的窗口(1031)上安装有玻璃，窗口(1031)和玻璃之间通过密封条密封。

10.根据权利要求2所述的机场道面异物监测系统，其特征是相关控制识别软件功能包括：人机交互界面、系统功能实现控制、系统各部分动作程序的控制、数据传输控制控制方面的软件功能，图像处理、异物识别、异物信息处理存储、异物信息排序显示及声光报警功能、图像信息存储异物检测报警方面的功能。

11.根据权利要求10所述的机场道面异物监测系统，其特征是相关控制识别软件部分存储运行于主控制服务器(4)、工业控制计算机(3)、固化于扫描设备(1)中。

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