CN105575021B - 一种机场跑道安全预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机场跑道安全预警系统及方法，系统包括传感器网络、数据转换单元、数据接口单元、交换机、数据处理服务器、人机交互单元和声光报警单元；传感器网络依次经数据转换单元、数据接口单元、交换机和数据处理服务器连接；人机交互单元和声光报警单元均与数据处理服务器相连。所述传感器网络包括设置在跑道防侵入保护区周界的一组或多组传感器，每组传感器包括分别装在被检测路径的两侧发射器和接收器。跑道防侵入保护区，包括跑道中线两侧各75米范围内的土面区、跑道等待位置和实际跑道之间的部分、以及跑道端安全区。本发明通过传感器网络对跑道侵入进行检测和告警信息，经济实用、安全可靠、配置灵活。

Description

一种机场跑道安全预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种机场跑道安全预警系统及方法。

背景技术

随着全球民航业务的迅速发展，飞行流量不断增长，空中和地面的冲突也日益频繁，尤其地面跑道安全问题日趋严重，跑道侵入和外来物侵入等不安全事件也在逐年增加。跑道安全是整个航空运输系统安全的基础，而跑道侵入是典型的跑道安全问题，它极有可能引起严重的机场安全事故。现有的关于跑道侵入研究如下：

(一)跑道侵入的定义

在美国，FAA将跑道侵入定义为：发生在机场跑道环境内，涉及地面航空器、车辆、人员或物体，对起飞、准备起飞、降落或准备降落的航空器产生碰撞危险或导致失去最低的安全间隔的任何事件。加拿大民航组织采用不同的方法来定义跑道侵入：非预期或者授权的航空器、车辆或人员在未经授权或预期的情况下，进入或试图接近正在使用的跑道的任何危险事件。这两种定义都只是针对激活跑道的跑道侵入，并不包括大量的对非激活跑道的跑道侵入。

为推动国际合作，共同改善跑道侵入风险，2004年11月25日，国际民航组织(ICAO)对跑道侵入RI(Runway Incursion)进行了统一的定义，定义规定：跑道侵入是指在机场发生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的情况，为跑道侵入。其中，跑道、滑行道和位于跑道等待位置和实际跑道之间的部分都属于指定的保护区域。此后，该定义在全球范围内生效。

(二)引起跑道侵入的原因

造成跑道侵入的原因有很多，飞行员、交通管制员、车辆驾驶员和行人都可能引起跑道侵入。FAA对跑道侵入事件进行调查后，将其原因归为三种人为失误：飞行员偏差(PD)、运行失误(OE)和车辆/行人偏差(V/PD)。飞行员偏差(PD)是指飞行员因违反航空规章而造成跑道侵入的行为。例如：飞行员在按规定的航线进入机场时，没有遵守空中交通管制(ATC)关于禁止穿越正在使用中的跑道的指令。运行失误(OE)是由于ATC无法对航空器进行协调有序管理造成的结果。例如：a.两架或多架航空器之间或航空器与障碍物(包括跑道上的车辆、设备和人员)之间低于适用的最小间隔；b.允许航空器在关闭的跑道上着陆或起飞。车辆/行人偏差(V/PD)是指地面车辆和人员未经ATC批准，擅自进入跑道活动区域，干扰航空器运行的行为。

在实际环境中，人为失误只是造成跑道侵入的一部分原因，许多其他因素也对跑道侵入事件负有责任，如：恶劣的气象条件、机场布局的复杂性、基础设施和系统设计不合理、日益增长的空中交通量等。这些因素之间并不是孤立的，跑道侵入事故可能是由一连串事件造成的，是多种因素与人为原因共同作用的结果。

(三)国内外关于跑道防侵入研究

针对日益严重的跑道侵入现象，各研究机构都已投入大量的精力研究和开发防止跑道侵入的技术设备。目前努力的重点主要集中在两个方面：为飞行员提供位置信息的特定设备；及时为空中交通管制员提供跑道侵入告警的报警设备。

在美国，由FAA制定的跑道侵入防止计划致力于通过美国国家空域系统(NAS)来减少跑道侵入的发生。RIRP(Runway Incursion Reduction Program跑道侵入减少计划)系统由飞行导航系统、入侵显示终端等部分组成，可以为飞行员、空中交通管制人员以及地面交通设施等提供实时状态报告。该系统的雏形已经在达拉斯沃斯堡国际机场投入了技术试验和性能测试。RIRP需要一种先进的技术来支持，而现在的局域增强系统LAAS是考虑的首选。

NASA的RIPS(Runway Incursion Prevention System跑道侵入防止系统)是一种先进的驾驶舱显示系统，能够在平视显示器上显示跑道、滑行道及跑道冲突警告等，主要是通过技术手段来提高地面状态实时报告、飞行定位和飞行员预警等方面的能力。它与RIRP的不同之处在于它可以通过HUD(平显技术)和EMM(电子移动地图)实时向飞行员报告当前地面状态。这一功能的实现是通过ADS-B(广播式自动相关监视)、STIS-B(地面交通信息服务广播)、LAAS等预警技术来完成的。

RIRP和RIPS这两种设备的使用都要以花费大量资金对航空器机舱进行改造为代价，这对大多机场来说都有一定的局限性，要将其进行全球范围的推广使用，还需要一个很长的过程。

RWSLs(Runway State Lamps跑道状态灯)是FAA正在测试的另一项技术。状态灯由一系列嵌在跑道内的起飞等待灯和跑道入口灯组成。一旦检测到潜在的跑道侵入事件，跑道状态灯会立刻向飞行员发出直接的视觉警报。它们是全自动的告警系统，无需管制员进行手动操作。如果进入或穿越的跑道是不安全的，红色的跑道入口灯就会被点亮；如果跑道用于起飞是不安全的，红色的起飞等待灯会被点亮。RSWLs系统并不能单独使用，它也需其他先进的跑道状态检测设备的支持，两者相结合，才能评估机场上任何潜在的冲突。

美国Sensis公司开发的X型机场地面探测设备(ASDE-X)是一种地基雷达系统，通过地面监控雷达实现机场目标定位，并将行走路线传到管制显示屏上，为空中交通管制员提供有关防止跑道侵入的决策支持，FAA选定美国35个较繁忙机场，逐步安装ASDE-X系统设备。AMASS(机场活动区域安全系统)是基于雷达的有意义的信号，在雨雾天准确性降低，它是ASDE-3雷达的附加增强装置，它们均是高度自动化的计算机系统。两者结合，可以使管制员更准确地观察到机场的运行情况，以便及时采取必要措施来避免跑道侵入事件的发生。目前国内的广州白云机场使用了类似ASDE-X的基于场面监视雷达的地面雷达告警设备，能通过标牌变红和播放警示音对可能出现的地面冲突予以提醒，起到辅助监控的作用。

由ICAO制定的另一种基于场面监控雷达的高级场面活动运动引导控制系统A-SMGCS，可以在不改变机场现有布局的前提下，利用先进的技术手段，例如地面监视雷达(SMR)、多点定位系统(MDS)、广播式自动相关监视(ADS-B)等设备，对整个机场的飞行区和航站区实现无缝隙覆盖，为管制人员提供一个关于交通状况的清晰的实时图像。A-SMGCS可以为飞机和工作车辆在机场活动区域内提供精确的引导和调控，更可以避免飞机和车辆间因目视误差而导致间隔出现偏差的情况。由于A-SMGCS系统可以为各种机场场面移动管理提供高效且全天候的管理方案，欧美很多国家都已先后将其作为机场配置的重要组成部分，如德国慕尼黑机场、英国希斯罗机场以及加拿大的多伦多机场等，世界上最繁忙的亚特兰大机场也已经采用A-SMGCS进行运营。

虽然这几种基于场面监控雷达的机场场面管理系统对防跑道侵入可以起到一些作用，但缺陷在于，告警信号需通过空中交通管制员通知飞行员，而用于告警过程的时间非常有限。一架滑行的航空器可能在几秒钟内就能越过跑道停机线标志，进入跑道。在这么短的时间里，要通过一连串的事件来避免跑道侵入事件。首先，系统必须探测到侵入冲突；然后给管制员发送警告；管制员接到告警信号后要进行分析判断，中间经过信号接受、处理、传输等环节，而碰撞事故在此间可能已经发生。而且场面监视雷达覆盖能力较小，由地物反射而产生的假目标较多，存在盲区，且对天气比较敏感，刮风下雨时会产生大量杂波，容易产生错误的警报。

此外，以上所述的这些设备都具有一个共同的特点，这些设备造价都十分昂贵，安装和使用方式也十分复杂，只有大型机场才能勉力负担安装维护的费用，并不适合在很多中小型机场进行推广使用。

针对上述的这些设备的缺陷，有研究机构考虑到将日益成熟的无线传感网络技术引入到机场安全管理系统中。无线传感网络作为一种全新的信息获取和处理技术，具有可靠性高、成本低、易于扩展等特点，十分适合用于机场安全管理。如国内的中国民航大学采用无线传感网络技术开发的机场特种车定位系统，通过放置在特种车辆及机场固定位置的传感器节点，实现了对停机坪内特种车辆的定位，对存在危险的车辆进行预警，以避免车辆碰撞飞机事故的发生。

将无线传感网络应用于机场管理，尤其是防跑道侵入领域，是一种全新的尝试，已有的研究成果还很少。由于机场环境的特殊性，无线传感网络技术的应用既有一定的有利条件，也有实现的难度，还需要进一步的深入研究。

因此，从技术手段出发，开发一套跑道侵入检测告警系统，及时掌握跑道状态，为跑道侵入提供一种经济实用、灵活可靠的解决方案势在必行，这对减少由跑道侵入引起的事故，提高我国民航飞行的安全性，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种机场跑道安全预警系统及方法，基于无线传感网络进行跑道侵入检测告警，为跑道侵入提供一种经济实用、安全可靠的技术解决方案，并可根据不同机场的实际情况，可以灵活进行系统配置，以此提高我国防止跑道侵入的水平。

本发明的技术方案为：

一种机场跑道安全预警系统，包括传感器网络、数据转换单元、数据接口单元、交换机、数据处理服务器、人机交互单元和声光报警单元；

传感器网络依次经数据转换单元和数据接口单元与交换机相连；交换机和数据处理服务器连接；传感器网络的检测信号依次经数据转换单元、数据接口单元和交换机传送至数据处理服务器；

人机交互单元和声光报警单元均与数据处理服务器相连；

所述传感器网络包括设置在跑道防侵入保护区周界【即图2中的边界a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l】的一组或多组传感器，每组传感器包括一对相互匹配的发射器和接收器，发射器和接收器分别装在被检测路径的两侧，物体通过被检测路径时，发射器和接收器之间的信号被阻断，接收器动作输出一个控制信号给数据处理服务器；跑道防侵入保护区，即被检测的地面保护区(根据实际需要设置的)包括跑道中线两侧各L米范围内的土面区、跑道等待位置和实际跑道之间的部分、以及跑道端安全区，跑道端安全区为跑道两端各向外延伸长度为300米，宽度为L米的区域，跑道端安全区对称于跑道中线延长线；当飞行区指标为F级时(即4F级跑道)，L取值为107.5，其余情况下L取值为75；

机场的飞行区等级和进近方式不同，等待坪、跑道等待位置或道路等待位置距跑道中线的最小距离也不同，具体设置如表1所示：

表1：等待坪、跑道等待位置或道路等待位置距跑道中线的最小距离

注：a.如果等待坪、跑道等待位置或道路等待位置的海拔高于跑道入口，则每高出1m，距离增加5m；如该海拔低于跑道入口，则每低lm，此距离可减少5m，但以不突出内过渡面为准。

b.为了避免干扰无线电助航设备，特别是下滑航道和航向设施，需要时应增加距离以避开仪表着陆系统的敏感区。

c.飞行区指标为F级时(即4F级跑道)，该距离应为107.5m。

在滑行道/跑道相交处的等待坪、跑道等待位置或与跑道中线相交处的道路等待位置与跑道中线之间的距离应符合表1中的规定值。对于精密进近跑道，必须使等待的飞机或车辆不干扰无线电助航设备的运转。

所述传感器网络包括设置在跑道等待位置外侧的第一传感器【即图4中设置在18号跑道的跑道等待位置外侧的传感器2，以及设置在36号跑道的跑道等待位置外侧的传感器1】，第一传感器的接收器和发射器分别装在跑道等待位置外两侧，且接收器和发射器的连线与跑道中心线平行；用于检测是否有物体(主要包括航空器、车辆或人员等其他外来物)进出跑道；数据处理服务器通过人机交互单元获取管制许可数据，当未得到管制许可时，检测到物体进出跑道，则触发声光报警单元产生告警信息。

上述传感器网络还包括设置在跑道等待位置边界的第二传感器【如图5中设置在传感器2内侧的传感器，以及设置在传感器1内侧的传感器】，第二传感器的接收器和发射器包括分别装在跑道等待位置边界两侧，且接收器和发射器的连线与跑道中心线平行；

若第二传感器和第一传感器的光路先后；即由内到外被阻断，说明有物体从跑道出来，则触发提醒信息；若第一传感器和第二传感器的光路先后；即由外到内被阻断，说明有物体进入跑道，若未得到管制许可，则触发声光报警单元产生告警信息；第一传感器被阻断到第二传感器被阻断之前不告警，第二传感器被阻断到第一传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警。

时述传感器网络还包括设置在距离跑道头L1米处的跑道边界上的第三传感器【如图5中设置在距离18号跑道的跑道头L1米处的传感器5，以及设置在距离36号跑道的跑道头L1米处的传感器10】，第三传感器的接收器和发射器分别装在跑道两侧边界上，且接收器和发射器的连线与跑道中心线垂直；用于监控该跑道上的航空器起飞状态，若第三传感器的光路被阻断，触发航空器起飞滑跑提醒；所述L1的取值范围为100～300；优选取值为150，第三传感器设置在距离跑道头150米处的跑道边界上，既考虑了航空器的长度，也考虑了报警的及时性，报警的准确性较高；

所述传感器网络还包括设置在跑道与道口连接处前端(根据航空器起飞或降落时的前进方向，航空器后经过的位置为前端)的跑道边界上的第四传感器【如图5中设置在36号跑道与G、F道口连接处前端的传感器6、7，以及设置在18号跑道与E、D道口连接处前端的传感器8、9】，第四传感器的接收器和发射器包括分别装在跑道两侧边界上，且接收器和发射器的连线与跑道中心线垂直；用于监控该跑道上的航空器落地状态，若第四传感器的光路被阻断，说明航空器冲过该道口，未从该道口脱离，触发航空器未从该道口脱离提醒；

所述传感器网络还包括设置在除跑道等待位置所在道口以外的其它与跑道相接的道口上的两组相邻的第五传感器和第六传感器【如图6中的传感器11、12、13、14、15、16；11、12、13、14、15、16各包括相邻的两组传感器】，第五传感器和第六传感器中的发射器和接收器的连线均与跑道中心线平行；第五传感器和第六传感器中，与跑道中心线较近的传感器为第五传感器，第五传感器距离跑道中心线L米【即第五传感器设置在跑道防侵入保护区的边界，第六传感器设置在跑道防侵入保护区的外侧】；若第五传感器和第六传感器的光路先后；即由内到外被阻断，触发航空器从该道口脱离的提醒信息；第六传感器和第五传感器的光路；即由外到内先后被阻断，触发告警信息；第五传感器被阻断到第六传感器被阻断之前不告警，第六传感器被阻断到第五传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警。

上述传感器网络还包括设置在跑道头外侧的呈菱形排布的4个单向发射探头【如图5中的3和4】，用于监控落地航空器动态，触发航空器落地提醒。

上述传感器网络还包括设置在距离跑道头边界300米处的跑道防侵入保护区边界的第七传感器【如图5中设置在距离36号跑道的跑道头边界300米处的跑道防侵入保护区边界的传感器31，以及设置在距离18号跑道的跑道头边界300米处的跑道防侵入保护区边界的传感器32】；第七传感器的发射器和接收器连线与跑道中心线垂直，发射器和接收器的距离为2L米；

所述传感器网络还包括设置在跑道长度方向的跑道防侵入保护区边界的第八传感器；第八传感器由多个分段的传感器组成；多个分段的传感器的检测路径连续，检测路径的连线与跑道中心线平行，检测路径的连线长度(即第八传感器的检测路径收尾端之间的距离)为跑道长度加600米；

所述传感器网络还包括分别设置在跑道等待位置和实际跑道之间的部分两侧边界上的第九传感器和第十传感器【如图6中设置在18号跑道的跑道等待位置和实际跑道之间的部分两侧边界上的传感器28和27，以及设置在36号跑道的跑道等待位置和实际跑道之间的部分两侧边界上的传感器25和26】；第九传感器和第十传感器的发射器和接收器的连线均与跑道中心线垂直，发射器和接收器两者之一设置在跑道等待位置，发射器和接收器之间的距离等于跑道等待位置到跑道中心线的距离减L米；

所述传感器网络还包括设置在跑道等待位置和实际跑道之间的部分外侧的第十一传感器【如图6中设置在18号跑道的跑道等待位置和实际跑道之间的部分外侧的传感器30，以及设置在36号跑道的跑道等待位置和实际跑道之间的部分外侧的传感器29】，第十一传感器的发射器和接收器的连线与跑道中心线的延伸线平行且距离跑道中心线的距离为L米，发射器和接收器之间的距离为300米，发射器和接收器设置在跑道防侵入保护区边界上；

在跑道防侵入保护区边界上相邻的道口之间设置有第十二传感器【如图6中的传感器17、18、19、20、21、22和23】，第十二传感器的发射器和接收器的连线与跑道中心线平行；

若上述第七传感器、第八传感器、第九传感器、第十传感器、第十一传感器和第十二传感器之一的光路被阻断，触发告警信息。

上述的机场跑道安全预警系统，还包括塔台运行管理系统(TOMS)；数据处理服务器经交换机和防火墙与塔台运行管理系统(TOMS)通信连接；塔台运行管理系统(TOMS)将机场航班飞行动态发送给数据处理服务器。

上述的机场跑道安全预警系统，还包括空管多雷达自动化系统；数据处理服务器与空管多雷达自动化系统通信连接；空管多雷达自动化系统实时获取机场落地航班的高度信息，并传送给数据处理服务器。

一种机场跑道安全预警方法，采用上述的机场跑道安全预警系统；

数据处理服务器上存储有的数据库列表，数据库列表内保存有预先设定的告警控制逻辑；

数据处理服务器通过网络经防火墙获取塔台运行管理系统(TOMS)上的航空器实时动态数据，塔台管制员根据航空器实时动态以及设定的告警控制逻辑，通过人机交互单元输入管制许可数据【传感器控制信号】至数据处理服务器，控制传感器网络中各传感器的告警抑制或者告警激活；

数据处理服务器根据告警激活状态的传感器检测信号控制声光报警单元是否进行提醒或告警。

所述告警控制逻辑为：

(1)根据塔台运行管理系统(TOMS)上的航空器实时动态数据，若该跑道上航空器是落地状态，则控制第四传感器【如图5中对应36号跑道与G、F道口的传感器6、7，以及对应18号跑道与E、D道口的传感器8、9】告警激活，第三传感器【如图5中对应18号跑道的传感器5，以及对应36号跑道的传感器10】告警抑制；第四传感器检测到航空器通过时，则触发航空器未从相应道口脱离的提醒信息；航空器第五和第六传感器【如图6中的传感器11、12、13、14、15、16】先后检测到航空器通过时，则触发航空器已从该道口脱离提醒信息；当航空器未脱离时【即第五和第六传感器未监控到航空器从各道口脱离】，此时发布离港航空器起飞指令，即塔台运行管理系统(TOMS)操作航空器起飞状态，则触发告警信息；

根据塔台运行管理系统(TOMS)的航空器实时动态数据，若该跑道上航空器是起飞状态，则控制第三传感器【如图5中对应18号跑道的传感器5，以及对应36号跑道的传感器10】告警激活，第四传感器告警抑制【如图5中对应36号跑道与G、F道口的传感器6、7，以及对应18号跑道与E、D道口的传感器8、9】；第三传感器检测到航空器通过时，触发航空器起飞滑跑提醒信息；

(2)若第二传感器和第一传感器的光路先后【；即图6中的传感器2或1由内到外】被阻断，触发提醒信息；若第一传感器和第二传感器的光路先后【；即图6中的传感器2或1由外到内】被阻断，说明有物体进入跑道，触发声光报警单元产生告警信息；第一传感器被阻断到第二传感器被阻断之前不告警，第二传感器被阻断到第一传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警；

若第五传感器和第六传感器的光路先后【如图6中的传感器11、12、13、14、15或16由内到外】被阻断，触发航空器从相应道口脱离的提醒信息；第六传感器和第五传感器的光路【；如图6中的传感器11、12、13、14、15或16由外到内】先后被阻断，触发告警信息；第五传感器被阻断到第六传感器被阻断之前不告警，第六传感器被阻断到第五传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警；

第七传感器至第二传感器中的任意一组，则只要被阻断就触发告警信息；

(3)若管制员给航空器、车辆或人员进入跑道许可时【该跑道上航空器为“LINEUP”状态】，则控制第二传感器和第一传感器告警抑制，告警抑制时间为1分钟，1分钟后，第二传感器和第一传感器告警激活；

(4)若该跑道处于锁定状态时，则所有传感器告警抑制，跑道解锁后，告警激活。

数据处理服务器与空管多雷达自动化系统通信连接；从空管多雷达自动化系统实时获取落地航班高度信息，落地航班在距离跑道头10公里、高度610米的空中位置时，相应跑道等待位置禁止航班或者外来物侵入跑道，无论是否得到管制许可，第一传感器和第二传感器检测到航空器、车辆或人员进入跑道时，都会触发告警信息；

当在跑道两头设置的4个单向发射探头感应到落地航班飞过时，触发声光告警单元产生提醒信息，告知管制员落地航空器即将接地。

以下对本发明涉及的塔台运行管理系统(TOMS)、数据处理服务器和传感器选型进行说明。

(一)塔台运行管理系统(TOMS)

塔台运行管理系统是电子进程单为基础的下一代塔台管制系统，通过集成空管自动化系统、场面监视雷达系统、航班信息处理系统、航空气象信息服务系统数据，以电子进程单调度管理平台为基础，使用全新数字化管制模式，实现对机场范围航班从申请放行、地面滑行、跑道起飞到管制移交的航班飞行动态全过程管理。

(二)数据处理服务器

传感器网络节点采集到的信息最终都将发送到数据处理服务器，数据处理服务器主要实现对整个网络的管理以及为工作人员提供可靠的跑道状态信息，方便其准确了解跑道侵入的情况，从而迅速做出正确的决策。数据处理服务器功能模块图如图8所示。

数据处理服务器基于PC机，为用户提供友好的交互界面。该界面可以显示跑道各保护区域传感器节点组网实时监测情况，从而实现管理人员对网络的实时监测和管理。数据处理服务器也可以根据跑道的实际使用情况，选择向特定区域的节点发送控制命令，对该区域进行监测。

数据处理服务器主要包括用户管理模块、数据库管理模块、监控查询显示模块、网络管理模块以及声光告警控制模块，总体结构如上图所示。

(三)传感器类型

传感器可以选用ABH四光束红外对射探测器和激光对射探测器；

1、ABH四光束红外对射探测器

ABH四光束红外对射探测器由主动红外发射机和被动红外接收机组成，当发射机与接收机之间的红外光束被完全遮断或按给定百分比遮断时能产生报警状态，ABH四光束红外对射探测器具有以下特点：可调射束遮断时间；多种应用C型继电器、集成式防拆开关；外壳移去时打开；可选射束频率，适于长距离及堆叠应用；数码管显示接收信号强度，简便调试；宽电压及节能设计；“与”“或”技术设计；数字通讯功能；高精密菲涅尔透镜技术；高度密封防水：IP65；广角光学校正范围：水平±90°，垂直±10°；数字滤波，环境自适应功能，误报率降到最低；射束干扰最低化，可适用于各种复杂环境。

ABH四光束红外对射探测器的规格参数为：

2、激光对射探测器

激光对射探测器由激光发射机、激光接收机组成，以一束或多束独立的激光束为警戒线。设置在跑道防侵入保护区周边，构成长距离警戒线或严密的光墙。与同类主动探测器相比，具有以下优点(1)激光特性优异，品质较高,对恶劣气候环境的适应性显著增强；(2)激光单色性强，方向性好，相互之间无串扰，可满足较高等级的安防要求；(3)设防配置灵活，防范精度高；(5)抗干扰性强，对其它设备无干扰；(6)施工简便，性价比高。

激光对射探测器的技术指标为：

有益效果：

当前跑道入侵是机场安全运行当中最为迫切需要解决的问题，现有非协同监视手段(如场面监视雷达)结构复杂，工程量浩大而且造价昂贵，以及协同监视手段(如自动相关监视)需要机载二次雷达应答机才能获得飞机标识，而场面车辆无法获得标识，因此只能监测飞机，而不能监测其他外来物侵入，本发明能克服上述问题，为跑道侵入提供一种经济实用、安全可靠的技术解决方案，并具有以下优点：

1、传感器节点在机场跑道各区域的分布及无线传感网络形式：每一组传感器包括一个接收装置和一个发射装置，多组传感器有序分布在机场地面保护区平面几何端点，实现无线传感网络覆盖整个机场地面保护区。通过选用合适的网络形式进行数据传输，当跑道侵入事件发生时，以告警信息传递给塔台管制员。

2、为了保证跑道侵入检测的可靠性，采用多传感器同时对一个目标多种特性进行探测，可以采用的传感器探测形式有：红外、毫米波雷达、激光入侵探测器的特定区域目标探测等。

采用多传感器获取目标多方位检测信息，实现无线数据的实时采集、传输，通过多传感器信息融合处理，对可能出现的跑道侵入事件进行自动检测、判断和告警，可以提高跑道侵入检测的准确性。

4、数据处理服务器通过网络隔离防火墙，从塔台运行管理系统(TOMS)实时获取处在机场跑道地面保护区域的所有飞机的滑行状态信息，包括：滑行、等待、滑出、推车等；据此设置对应区域传感器的告警抑制或者告警使能。实现传感器告警逻辑控制功能的个性化设置。

6、系统各组件模块具有成本低、可靠性高、稳定性好的优势。

本发明是对机场地面保护区的监控，因此，同样适用于多跑道和交叉跑道情况下的模式。不同机场可根据自身情况灵活地对系统进行配置，以满足实际需要，以此提高我国防止跑道侵入的水平这是目前其他监控系统无法完成的。

附图说明

图1为地面保护区模型；

图2为本发明跑道防侵入保护区模型；

图3为本发明的系统硬件结构图；

图4为实施例中模式一的传感器布置；

图5为实施例中模式二的传感器布置；

图6为实施例中模式三的传感器布置；

图7为本发明空中探测模块原理图；

图8为本发明数据处理服务器功能模块图；

附图标记说明：

图中，编号1至30均为传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

以下以国内某机场跑道为例，对本发明的机场跑道安全预警系统及方法进行说明。

(一)设定跑道防侵入保护区模型：

根据国际民航组织的定义，跑道侵入是指在机场发生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的情况。地面保护区包括机场跑道以及滑行道位于适用的跑道等待位置和实际跑道之间的部分、跑道中线两侧各75m范围内的土面区、ILS敏感区、ILS临界区和跑道端安全区，如图1所示。

本发明根据机场跑道形式以及实际需要，设定跑道防侵入保护区模型，即被检测的地面保护区如图2所示；图中a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l为跑道防侵入保护区模型的边界；如图2所示，可将传感器分别布置在区域a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l，形成无线传感网络，覆盖整个以机场跑道为核心的跑道防侵入保护区。其中区域e、i为跑道等待位置。

本发明的系统硬件结构图如图3所示，跑道防侵入保护区域的a-l的传感器组网形成传感器网络，其检测信号经数据转换单元接入数据接口模块后，进入数据处理服务器。数据处理服务器上存储有的数据库列表，数据库列表内保存有预先设定的对应塔台运行管理系统(TOMS)上的不同的航空器动态的不同的告警控制逻辑；

塔台管制员发布管制指令，并通过塔台运行管理系统(TOMS)操作航空器动态；数据处理服务器通过网络经防火墙获取塔台运行管理系统(TOMS)上的实时操作航空器动态数据，根据数据处理服务器上的数据库列表中的告警控制逻辑，通过人机交互单元控制传感器网络中各传感器的告警抑制或者告警使能。

同时，各区域告警使能的传感器监测到非法物体侵入，将即时提供告警位置给数据处理服务器，触发提供声光告警信息，及时提示塔台管制员发生跑道侵入或者外来物侵入的相关信息。

(二)传感器布置模式及相应的告警控制逻辑

每组传感器包括一对相互匹配的发射器和接收器；航空器机轮穿过传感器时，阻断了传感器信号传输，引发告警信息或者提醒信息。为了更全面的说明本发明，本实施例提供三种传感器布置模式进行说明。实施例中的机场跑道，根据两个朝向，编号分别为18号跑道和36号跑道。

模式一：

在36、18号跑道等待位置外分别设置第一传感器，即传感器1和2，传感器1和2均与跑道中心线平行，设置在跑道等待位置外两侧。管制员许可航空器、车辆、人员进出跑道时，系统不告警；反之，告警。

模式二：

模式二与模式一的区别在于，增加布置了传感器3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16；

其中传感器5、6、7、8、9、10各包括一组传感器；传感器11、12、13、14、15、16各包括相邻且平行的两组传感器；传感器1、2也包括相邻且平行的两组传感器；其中两组传感器中的一组在跑道防侵入保护区域的边界上，另外一组在跑道防侵入保护区域外侧。

各传感器的位置说明：

传感器3、4均由4个呈菱形布置的单向发射探头组成，装置在36、18号跑道的跑道头。

传感器11、12、13、14、15、16，设置在地面保护区与各道口相切的位置，长度为各道口宽度。与跑道中心线平行，内侧传感器设置在跑道防侵入保护区边界处，外侧传感器与内侧的传感器相邻。

传感器10、5：与跑道中心线垂直，设置在跑道两侧，分别距离36、18跑道头的距离150米。

传感器9、8、7、6：与跑道中心线垂直，设置在跑道两侧；9、8分别在D、E道口右侧，即道口与跑道连接处的外侧；7、6分别在F、G道口左侧，即道口与跑道连接处的外侧。

告警控制逻辑：(1)传感器1、3、6、7、10为使用36号跑道时的监控传感器；传感器2、4、5、8、9为使用18号跑道时的监控传感器。使用36号跑道时18号的相关传感器告警或者提醒信息被抑制。使用18号跑道时36号的相关传感器告警或者提醒信息被抑制。而传感器11、12、13、14、15、16，无论在使用哪条跑道时，信号被阻断时均可触发告警信息。

以使用36号跑道时为例进行说明，传感器6、7为36号跑道上航空器落地监控，传感器10为36号跑道上起飞航空器状态监控；根据塔台运行管理系统(TOMS)数据，若航空器是“LANDING”降落状态，传感器6和7激活状态；若航空器为“TAKE OFF”起飞状态，传感器10为激活状态，18号跑道同理亦然。36号跑道上航空器为落地状态时：航空器通过7，则触发航空器未从F道口脱离的提醒信息；航空器通过6，则触发航空器未从G道口的提醒信息；航空器通过14，则触发航空器已从F道口脱离提醒信息，航空器通过15、16亦然。36号跑道上航空器为离港状态时：航空器通过10时，触发航空器已滑跑提醒信息。

1.若航空器从F道口脱离，则触发提醒信息，如：“F脱离了”；

2.若航空器从G道口脱离，则依次触发提醒信息，如：“F未脱离”、“G脱离了”；

3.若航空器从H道口脱离，依次触发提醒信息，如：“F未脱离”、“G未脱离”，等航空器从H道口脱离后，再触发“H脱离了”。

当航空器未脱离时(本系统未监控到航空器从各道口脱离)，此时发布离港航空器起飞指令，即塔台运行管理系统(TOMS)操作TAKE OFF起飞状态，则触发告警信息。

18号跑道上的5、8、9功能亦然，8、9在18航空器落地器冲过E、D道口时触发提醒信息，5在18号航空器起飞通过时触发提醒信息。

(2)1、2、11、12、13、14、15、16各包括两组传感器。其中，11、12、13、14、15或16由内到外先后被阻断，触发提醒信息；由外到内先后被阻断，触发告警信息。传感器1或2在管制员许可航空器、车辆或人员进入跑道时，告警抑制；反之，告警激活。内侧传感器被阻断到外侧传感器被阻断之前不告警，外侧传感器被阻断到内侧被阻断之前不告警，即单个被阻断不告警；而5、6、7、8、9、10各包括一组传感器，只要被阻断就触发告警。

(3)2和1分别是设在18和36号等待点的各两组传感器。使用36跑道时，TOMS中航空器为“LINE UP”状态【即管制许可】，传感器告警被抑制，抑制时间为1分钟，1分钟后告警激活。18号跑道同理亦然。

(4)当跑道处于锁定状态时，所有告警被抑制。

(5)非全跑道运行，如航空器18号跑道的H道口、36号跑道的C道口进跑道。以36号跑道为例：执行非全跑道运行时，管制员通过塔台运行管理系统(TOMS)把滑行路线的等待点位置设置为C道口，数据处理服务器从塔台运行管理系统(TOMS)引入数据，从而更新相应的告警逻辑。

(6)如果出现跑道侵入或者外来物侵入，系统告警时间60s。特殊情况下，管制员指挥航空器从快速脱离道反向进入跑道时，会出现系统告警，同时弹出一个对话框“acknowledge？”，管制员确认后，告警消失。也就是说任何一个跑道侵入触发告警的同时会触发对话框“acknowledge？”的出现。

(7)空中探测模块：3、4分别用于监控36、18号跑道落地航空器的动态，触发航空器通过跑道头的提醒信息。如图7所示，从空管多雷达自动化系统实时获取落地航班(判断落地本机场的航班首先可以从转报机获取目的地机场为本机场的航班，然后从本机场二次雷达目标航迹分析获得)的高度信息，在距离跑道头10公里、高度610米(落地航班截获盲降下滑道信号3度仰角)的空中位置时，相应跑道等待位置禁止航班或者外来物侵入跑道，由跑道等待位置的传感器进行检测。在跑道两头设置4个单向发射探头，从地面向上垂直发射探测信号，当落地航班飞跃过地面探测点，被4个单向发射探头感应到，并且立即触发塔台管制室声光告警单元产生声光信息提示，告知管制员落地航空器通过跑道头。

因为主要的跑道侵入事件主要发生在各道口，本模式在各道口布置传感器，可以有效对跑道侵入事件进行监控和告警。

请注意：各传感器的高度必须要满足《民用机场飞行区技术标准》。

模式三：

模式三与模式二的区别在于，增加布置传感器17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32；用多组传感器把跑道防侵入保护区圈起来，全方位地监控跑道防侵入保护区，防止跑道侵入。

传感器17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32各由一组传感器组成，只要被阻断就触发跑道侵入告警；特别说明的是24由多个传感器分段实现。

各传感器的位置说明：

传感器32、31分别距离18、36跑道头300米，与跑道中心线垂直。

传感器24与跑道中心线平行，发射器和接收器之间的距离为跑道长度+600米。

传感器29、30与跑道中心线平行，距离为300米。

传感器25、26、27、28：与跑道中心线垂直，发射器和接收器之间的距离为等待点到跑道中心线的距离减L米的距离。

传感器17、18、19、20、21、22、23：与跑道中心线平行。

特别说明的是：本发明是对机场地面保护区的监控，因此，同样适用于多跑道和交叉跑道情况下的模式。

Claims (9)

1.一种机场跑道安全预警系统，其特征在于，包括传感器网络、数据转换单元、数据接口单元、交换机、数据处理服务器、人机交互单元和声光报警单元；

传感器网络依次经数据转换单元和数据接口单元与交换机相连；交换机和数据处理服务器连接；传感器网络的检测信号依次经数据转换单元、数据接口单元和交换机传送至数据处理服务器；

人机交互单元和声光报警单元均与数据处理服务器相连；

所述传感器网络包括设置在跑道防侵入保护区周界的一组或多组传感器，每组传感器包括一对相互匹配的发射器和接收器，发射器和接收器分别装在被检测路径的两侧，物体通过被检测路径时，发射器和接收器之间的信号被阻断，接收器动作输出一个控制信号给数据处理服务器；跑道防侵入保护区，即被检测的地面保护区包括跑道中线两侧各L米范围内的土面区、跑道等待位置和实际跑道之间的部分、以及跑道端安全区，跑道端安全区为跑道两端各向外延伸长度为300米，宽度为L米的区域，跑道端安全区对称于跑道中线延长线；当飞行区指标为F级时，L取值为107.5，其余情况下L取值为75；

所述传感器网络包括设置在跑道等待位置外侧的第一传感器，第一传感器的接收器和发射器分别装在跑道等待位置外两侧，且接收器和发射器的连线与跑道中心线平行；用于检测是否有物体进出跑道；数据处理服务器通过人机交互单元获取管制许可数据，当未得到管制许可时，检测到物体进出跑道，则触发声光报警单元产生告警信息；

所述传感器网络还包括设置在距离跑道头L1米处的跑道边界上的第三传感器，第三传感器的接收器和发射器分别装在跑道两侧边界上，且接收器和发射器的连线与跑道中心线垂直；用于监控该跑道上的航空器起飞状态，若第三传感器的光路被阻断，触发航空器起飞滑跑提醒；所述L1的取值范围为100～300；

所述传感器网络还包括设置在跑道与道口连接处前端的跑道边界上的第四传感器，第四传感器的接收器和发射器包括分别装在跑道两侧边界上，且接收器和发射器的连线与跑道中心线垂直，其中所谓前端是指根据航空器起飞或降落时的前进方向，航空器后经过的位置为前端；用于监控该跑道上的航空器落地状态，若第四传感器的光路被阻断，说明航空器冲过该道口，未从该道口脱离，触发航空器未从该道口脱离提醒；

所述传感器网络还包括设置在除跑道等待位置所在道口以外的其它与跑道相接的道口上的两组相邻的第五传感器和第六传感器，第五传感器和第六传感器中的发射器和接收器的连线均与跑道中心线平行；第五传感器和第六传感器中，与跑道中心线较近的传感器为第五传感器，第五传感器距离跑道中心线L米；若第五传感器和第六传感器的光路先后被阻断，触发航空器从该道口脱离的提醒信息；第六传感器和第五传感器的光路先后被阻断，触发告警信息。

2.根据权利要求1所述的机场跑道安全预警系统，其特征在于，所述传感器网络还包括设置在跑道等待位置边界的第二传感器，第二传感器的接收器和发射器包括分别装在跑道等待位置边界两侧，且接收器和发射器的连线与跑道中心线平行；

若第二传感器和第一传感器的光路先后被阻断，说明有物体从跑道出来，则触发提醒信息；若第一传感器和第二传感器的光路先后被阻断，说明有物体进入跑道，若未得到管制许可，则触发声光报警单元产生告警信息。

3.根据权利要求1所述的机场跑道安全预警系统，其特征在于，所述传感器网络还包括设置在跑道头外侧的呈菱形排布的4个单向发射探头，用于监控落地航空器动态，触发航空器落地提醒。

4.根据权利要求3所述的机场跑道安全预警系统，其特征在于，所述传感器网络还包括设置在距离跑道头边界300米处的跑道防侵入保护区边界的第七传感器；第七传感器的发射器和接收器连线与跑道中心线垂直，发射器和接收器的距离为2L米；

所述传感器网络还包括设置在跑道长度方向的跑道防侵入保护区边界的第八传感器；第八传感器由多个分段的传感器组成；多个分段的传感器的检测路径连续，检测路径的连线与跑道中心线平行，检测路径的连线长度为跑道长度加600米；

所述传感器网络还包括分别设置在跑道等待位置和实际跑道之间的部分两侧边界上的第九传感器和第十传感器；第九传感器和第十传感器的发射器和接收器的连线均与跑道中心线垂直，发射器和接收器两者之一设置在跑道等待位置，发射器和接收器之间的距离等于跑道等待位置到跑道中心线的距离减L米；

所述传感器网络还包括设置在跑道等待位置和实际跑道之间的部分外侧的第十一传感器，第十一传感器的发射器和接收器的连线与跑道中心线的延伸线平行且距离跑道中心线的距离为L米，发射器和接收器之间的距离为300米，发射器和接收器设置在跑道防侵入保护区边界上；

在跑道防侵入保护区边界上相邻的道口之间设置有第十二传感器，第十二传感器的发射器和接收器的连线与跑道中心线平行；

若上述第七传感器、第八传感器、第九传感器、第十传感器、第十一传感器和第十二传感器之一的光路被阻断，触发告警信息。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的机场跑道安全预警系统，其特征在于，还包括塔台运行管理系统TOMS；数据处理服务器经交换机和防火墙与塔台运行管理系统TOMS通信连接；塔台运行管理系统TOMS将机场航班飞行动态发送给数据处理服务器。

6.根据权利要求5中所述的机场跑道安全预警系统，其特征在于，还包括空管多雷达自动化系统；数据处理服务器与空管多雷达自动化系统通信连接；空管多雷达自动化系统实时获取机场落地航班的高度信息，并传送给数据处理服务器。

7.一种机场跑道安全预警方法，其特征在于，采用权利要求6中所述的机场跑道安全预警系统；

数据处理服务器上存储有的数据库列表，数据库列表内保存有预先设定的告警控制逻辑；

数据处理服务器通过网络经防火墙获取塔台运行管理系统TOMS上的航空器实时动态数据，塔台管制员根据航空器实时动态以及设定的告警控制逻辑，通过人机交互单元输入管制许可数据至数据处理服务器，控制传感器网络中各传感器的告警抑制或者告警激活；

数据处理服务器根据告警激活状态的传感器检测信号控制声光报警单元是否进行提醒或告警。

8.根据权利要求7所述的机场跑道安全预警方法，其特征在于，所述告警控制逻辑为：

(1)根据塔台运行管理系统TOMS上的航空器实时动态数据，若该跑道上航空器是落地状态，则控制第四传感器告警激活，第三传感器告警抑制；第四传感器检测到航空器通过时，则触发航空器未从相应道口脱离的提醒信息；航空器第五和第六传感器先后检测到航空器通过时，则触发航空器已从该道口脱离提醒信息；当航空器未脱离时，此时发布离港航空器起飞指令，即塔台运行管理系统TOMS操作航空器起飞状态，则触发告警信息；

根据塔台运行管理系统TOMS的航空器实时动态数据，若该跑道上航空器是起飞状态，则控制第三传感器告警激活，第四传感器告警抑制；第三传感器检测到航空器通过时，触发航空器起飞滑跑提醒信息；

(2)若第二传感器和第一传感器的光路先后被阻断，触发提醒信息；若第一传感器和第二传感器的光路先后被阻断，说明有物体进入跑道，触发声光报警单元产生告警信息；第一传感器被阻断到第二传感器被阻断之前不告警，第二传感器被阻断到第一传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警；

若第五传感器和第六传感器的光路先后被阻断，触发航空器从相应道口脱离的提醒信息；第六传感器和第五传感器的光路先后被阻断，触发告警信息；第五传感器被阻断到第六传感器被阻断之前不告警，第六传感器被阻断到第五传感器被阻断之前也不告警，即单个被阻断不告警；

第七传感器至第二传感器中的任意一组，则只要被阻断就触发告警信息；

(3)若管制员通过人机交互单元输入航空器、车辆或人员进入跑道许可指令时，则控制第二传感器和第一传感器告警抑制，告警抑制时间为1分钟，1分钟后，第二传感器和第一传感器告警激活；

(4)若该跑道处于锁定状态时，则所有传感器告警抑制，跑道解锁后，告警激活。

9.根据权利要求7所述的机场跑道安全预警方法，其特征在于，数据处理服务器与空管多雷达自动化系统通信连接；从空管多雷达自动化系统实时获取落地航班高度信息，落地航班在距离跑道头10公里、高度610米的空中位置时，相应跑道等待位置禁止航班或者外来物侵入跑道，无论是否得到管制许可，第一传感器和第二传感器检测到航空器、车辆或人员进入跑道时，都会触发告警信息；

当在跑道两头设置的4个单向发射探头感应到落地航班飞过时，触发声光告警单元产生提醒信息，告知管制员落地航空器即将接地。