CN109459758B - 一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法 - Google Patents

一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法，在跑道上布置激光测距传感器、高速摄像头、时间同步与数据处理单元、供电单元、数据储存单元和计算机，激光测距传感器测量飞机滑跑时近侧轮胎距激光测试单元的距离；高速摄像头记录飞机在相应区域的完整运动过程；时间同步与数据处理单元用于对激光测距传感器和高速摄像头的测试数据进行筛选，并将所有的筛选后的有效数据标记上统一的时间参数；数据储存单元用于储存经时间同步与数据处理单元处理的数据；计算机用于对数据储存单元储存的数据进行后期的分析处理；本发明的有益效果是该系统实现了数据的测试、采集的全自动化，提高了测试精度与持续性。

Description

一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法
技术领域
本发明属于机场跑道数据检测技术领域，涉及一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法。
背景技术
准确掌握机场跑道交通量分布是合理地进行机场跑道设计的重要前提。为了到达这一目的，必须有有一套适合的方法对机场跑道交通量分布进行测试。机场跑道交通量分布测试是多方面的，包括飞机起飞着陆点的分布、不同截面的轮迹横向分布以及飞机滑跑距离等。当前，并没有一种方法能全面准确地测试所有这些项目，需针对某个项目单独设计测试方案。而对于单一项目的测试，当前的手段也存在着不同程度问题，主要包括以下两个方面：首先是测试手段原始对人工的依赖程度较高。对于飞机离地与接地点以及飞机滑跑距离的测试方法都存在着这个问题。当前飞机滑跑距离的测试方法为1、在起飞起始点、起飞离地点、着陆接地点和着陆停止点附近按照经验插上两组参考杆，每组8-10个并等间距设置，并测出每个参考杆到跑道端的距离；2、测起飞滑跑距离时，记录飞机起始滑跑位置和离地位置距其前后距离最近的杆号；测着陆滑跑时，记录着陆接地位置和停止位置距其前后最近的杆号；3、依据几何原理计算飞机滑跑距离。离地接地点的测试方法类似，具体是在跑道一端飞机起降次数最多的地方用粉笔等间距地划多条“轮迹捕捉线”，飞机起降时会在某一条线上摩擦，轮迹会将粉笔印覆盖掉，再由人工进行统计。这类测试方法耗费的人力较大，不适合大量测试数据的获取；且大部分的数据主要依靠人工地判断来确定，相对于设备而言，人工的判读误差也较大。
其次是方案设计思路上存在着不完善的地方。例如，测试飞机滑跑距离所用的参考杆能判断飞机所处的位置，却无法确定飞机此时的速度。而事实上，飞机结束着陆滑跑并不意味着飞机停止，而是开始以较低的速度匀速滑行出跑道，因此上述用人工判断飞机结束减速滑跑开始匀速滑行位置的方法无法准确判断出飞机结束着陆滑跑位置。对测试飞机轮迹横向分布的测试也是如此，虽然采用激光测距技术对飞机轮迹横向分布进行测试在国内外均得到应用，但在测试方法上，国内外均采用选取一个或少量几个截面作为测试截面来进行测试。而事实上，随着的飞机的滑跑，轮迹横向分布是变化的，用少量截面的测试结果作为整个滑跑过程轮迹横向分布的测试结果显然是片面的，必须改进
发明内容
本发明的目的在于提供一种机场跑道交通量分布测试系统及测试方法，解决了目前人工测量机场跑道交通量效率低，误差大的问题。
本发明一种机场跑道交通量分布测试系统所采用的技术方案是在跑道上布置激光测距传感器、高速摄像头、时间同步与数据处理单元、供电单元、数据储存单元和计算机，其中：激光测距传感器测量飞机滑跑时近侧轮胎距激光测试单元的距离；高速摄像头记录飞机在相应区域的完整运动过程；时间同步与数据处理单元用于对激光测距传感器和高速摄像头的测试数据进行筛选，并将所有的筛选后的有效数据标记上统一的时间参数；供电单元为激光测距传感器、高速摄像头和数据存储单元提供测试所需的电力；数据储存单元用于储存经时间同步与数据处理单元处理的数据；计算机用于对数据储存单元储存的数据进行后期的分析处理；跑道分为五个测试区域，区域1为飞机起飞起始点的测试区域，在区域1布置一台高速摄像头；区域2是飞机着陆点和轮迹横向分布测试区域，该区域包含以T字布为中心，长度为300m，设置7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器和一个高速摄像头，每组设备间隔50m；区域3是轮迹横向分布的测试区域，平均分布10组激光测距传感器1；区域4进行飞机起飞离地点和轮迹横向分布的测试，区域长度300m，分布7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器和一个高速摄像头，每组设备间隔50m；区域5是测试飞机着陆减速后均匀滑跑的速度区域，由一个激光测距传感器组成，设备布设位置距联络道中心线200m。
进一步，激光测距传感器和高速摄像头布置在跑道的一侧沿并与跑道平行排列，距跑道中心线的距离为60m-80m。
进一步，高速摄像头与激光测距传感器处于同一水平线，高速摄像头与激光测距传感器在同一区域一一对应。
本发明一种机场跑道交通量分布测试方法如下：
1、轮迹横向分布的变化规律
(1)激光测距传感器平行布置在跑道的一侧，当有飞机经过时，激光光速经飞机轮胎返回，记录传感器便测出飞机轮胎距传感器的距离L1；
(2)根据L1以及激光测距传感器距跑道中心线的距离L0,求出飞机相对于与跑道中心线的偏移量L,这些偏移量的分布规律，就是该截面飞机轮迹横向分布：
L＝L0-L1
(3)将多截面轮迹横向轮迹分布的测试数据以及对应截面标定的距离参数以及计算得到的飞机滑跑速度参数在计算机中进行分析处理得到飞机滑跑过程相对于距离与速度的变化规律；
2、滑跑速度的变化规律
(1)记录飞机通过某一激光测距传感器时所有测试数据，并通过时间同步与数据处理单元根据接收顺序将有效测试数据标记时间参数；
(2)通过标记的时间参数分辨出飞机前轮通过的测试数据和后轮通过的测试数据，以时间参数均值作为飞机前轮后轮通过激光光束的时间T1,T2；
(3)根据飞机前后轮的间距X，算出飞机通过该传感器时的速度V：
Figure GDA0003993153890000031
(4)通过多个传感器的测试，分析出飞机滑跑速度的变化规律；
3、飞机接地与离地点的分布
(1)利用飞机的起飞起始点和离地点，着陆接地点的高速摄像头对区域内飞机运动整个过程做视频监测，并利用时间同步与数据处理单元对每一帧图片标记时间参数；
(2)利用计算机对测试数据进行后期处理，利用标记的时间参数对图像进行拼接，形成连续的运动过程，并判断出飞机的起飞起始和离地以及着陆接地点的瞬即所处图片时间，准确判断出飞机的离地点和接地点；
4、飞机起飞滑跑距离的测试
利用飞机起飞起始点和离地点计算得出；
5、飞机着陆滑跑距离的测试
(1)在飞机匀速滑跑的区域布置激光测距传感器，测出飞机匀速滑跑的速度；
(2)根据飞机滑跑速度的变化规律，计算出飞机开始匀速运动飞机所处的位置；
(3)根据已确定的飞机接地点，求出飞机着陆的滑跑距离。
本发明的有益效果是该系统实现了数据的测试、采集的全自动化，无需进行人工的判断与记录，提高了测试精度与持续性，适合长时间大数据的测试。
附图说明
图1是本发明测试系统的系统框架图；
图2是本发明测试系统一种实施例的现场布置平面图；
图3(A)是激光测距模块机轮测试剖面工作示意图；
图3(B)是激光测距模块机轮测试侧面工作示意图；
图4是视频模块工作示意图；
图5是轮迹横向分布测试原理图；
图6是飞机起飞时测试系统工作流程图；
图7是飞机着陆时测试系统工作流程图。
图中，1.激光测距传感器，2.高速摄像头，3.时间同步与数据处理单元，4.供电单元，5.数据储存单元，6.计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明测试系统的系统框架图如图1所示，激光测距传感器1最大量程可达100m(自然反射面)，测距精度小于5cm，为满足测量高速运动物体的要求，其测量频率可达4KHZ。激光测距传感器1的主要功能是测量通过传感器位置的飞机轮胎距传感器的距离，并将测试的数据传送给时间同步与数据处理单元3。高速摄像头2采用100HZ高速工业摄像头，用于记录飞机通过时的完整影像，并将数据传送给时间同步与数据处理单元3。时间同步与数据处理单元3用于接收激光测距传感器1和高速摄像头2测试的数据，并将其中无效数据进行剔除，需剔除的数据包括没有飞机经过时的测试数据以及误差明显的测试数据。在筛选完成后，时间同步与数据处理单元3会给每一有效数据按接收顺序标记时间参数。供电单元4连接激光测距模块1、高速摄像机2和数据存储单元5。数据储存单元5主要用于存储经过时间同步与数据处理单元3处理的数据，并在必要的时候可以将数据导入计算机6进行后期的处理。计算机6主要用于对测试的有效数进行后期处理，包括横向轮迹分布的计算、飞机滑跑速度的计算、图像的拼接、起飞着陆点的确定以及飞机滑跑距离的计算等工作。
图2是是本发明测试系统一种实施例的现场布置平面图，从图中可以看出，该实施例整套测试系统的测试部分包含25套激光测距传感器1和15套高速摄像头2，所有的测试单元在跑道的一侧沿与跑道平行的方向水平排列，设备距跑道中心线的距离为60m～80m。整套系统根据测试的需要将跑道分为五个测试区域。区域1为飞机起飞起始点的测试区域，由于飞机从联络道滑行进入跑道后并不是直接开始加速起飞，而是到达指定起飞位置停止后再开始加速滑跑起飞，因此飞机起始位置的波动并不是很大，因此在区域1用一台高速摄像头2即可覆盖整个测试区域。区域2是主要进行飞机着陆点的测试，同时兼顾轮迹横向分布的测试，该区域包含以T字布为中心，(T字布为飞行员驾驶飞机着陆时接地位置的参考标志，一般设置于距离跑道端约200m的跑道一侧，在飞行员左视方向，距离跑道边缘约5m)，长度为300m的区域，根据以往的测试数据，这一长度包含了绝大部分飞机着陆点的波动范围。整个区域配有7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器1和一个高速摄像头2。每组设备间隔50m，一方面保障高速摄像头2能监视到整个区域，一方面由于此时飞机速度较高，轮迹横向分布的变化也相对剧烈，激光测距传感器1的布设也应相对密集。区域3是轮迹横向分布的测试区域，布设有10组激光测距传感器1。由于区域2与区域4的位置会根据机场跑道以及所飞机机型的不同进行调整。则区域3的长度根据区域2与区域4的情况进行确定，10组激光测距传感器1的间距根据区域3的实际长度平均分布。区域4与区域2类似，主要进行飞机起飞离地点的测试，同时兼顾轮迹横向分布的测试。区域长度300m，具体位置根据现场飞机离地的区域确定。整个区域配有7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器1和一个高速摄像头2。每组设备间隔50m。区域5是测试飞机着陆减速后均匀滑跑的速度，由一个激光测距传感器1组成，设备布设位置距联络道中心线200m。
激光测距传感器1的现场工作示意图如图3(A)和图3(B)所示，图3(A)是激光测距传感器1所在位置与飞机轮胎示意图。激光测距传感器1的安置高度应满足：激光束水平发射时不被跑道道面阻挡，又能够照射到飞机轮胎，飞机轮胎的直径约100cm。激光测距传感器1的安置高度调节方法为：将一个和飞机轮胎大小一致的靶盘放置于激光测距传感器1在跑道中线的垂足位置，调节激光测距传感器1的高度满足测试要求。当飞机通过时，激光光束照射点应集中在飞机轮胎下缘，如图3(B)左视图所示。高速摄像头2的现场工作示意图如图4所示，每个摄像头可以监测前方60m的区域，由于摄像头之间的间隔为50m，这就保证了相邻摄像头的监测范围有重合的区域。再由时间同步与数据处理单元3将每一帧的图像都标记时间参数，后以时间参数相同的图片为参考点，将视频资料进行拼接，该区域内飞机的运动过程就被完整连贯的记录下来，并以此判断飞机的离地与接地点。
本发明测试系统的测试方法：
1.轮迹横向分布的变化规律
(1)激光测距传感器1平行布置在跑道的一侧，当有飞机经过时，激光光速经飞机轮胎返回，记录传感器便测出飞机轮胎距传感器的距离L1；
(2)根据L1以及传感器距跑道中心线的距离L0,便可以求出飞机相对于与跑道中心线的偏移量L,这些偏移量的分布规律，就是该截面飞机轮迹横向分布，如图5所示；
L＝L0-L1
(3)将多截面轮迹横向轮迹分布的测试数据以及对应截面标定的距离参数以及计算得到的飞机滑跑速度参数在计算机5中进行分析处理，即可得到飞机滑跑过程相对于距离与速度的变化规律。
2.滑跑速度的变化规律
(1)记录飞机通过某一激光传感器1时所有测试数据，并通过时间同步与数据处理单元根据接收顺序将有效测试数据标记时间参数；
(2)通过标记的时间参数即可得分辨出飞机前轮通过的测试数据和后轮通过的测试数据，并以相应数据时间参数的均值作为飞机前轮后轮通过激光光束的时间T1,T2；
(3)根据飞机前后轮的间距X，可以推算出飞机通过该传感器时的速度V：
Figure GDA0003993153890000071
(4)通过多个传感器的测试，即可分析出飞机滑跑速度的变化规律。
3.飞机接地与离地点的分布
(1)利用飞机的起飞起始点和离地点，着陆接地点的高速摄像头2对区域内飞机运动整个过程做视频监测，并利用时间同步与数据处理单元3对每一帧图片标记时间参数；
(2)利用计算机5对测试数据进行后期处理，利用标记的时间参数对图像进行拼接，形成连续的运动过程，并判断出飞机的起飞起始和离地以及着陆接地点的瞬即所处图片时间，即可准确判断出飞机的离地点和接地点。
4.飞机起飞滑跑距离的测试
利用上述确定的飞机起飞起始点和离地点即可计算得出。
5.飞机着陆滑跑距离的测试方法
(1)在飞机匀速滑跑的区域布置激光测距传感器1，用其测出飞机匀速滑跑的速度；
(2)根据飞机滑跑速度的变化规律，计算出飞机开始匀速运动飞机所处的位置；
(3)根据已确定的飞机接地点，即可求出飞机着陆的滑跑距离。
本发明测试系统的工作过程：
起飞时(图6)，飞机从联络道滑跑进入跑道，到达起飞点后停止，此时由区域1中的高速摄像头2进行记录。随后飞机开始加速滑跑，通过区域2和区域3，由分布在这两个区域内的激光测距传感器1记录不同截面飞机轮胎距设备的距离。最后飞机进入区域4，该区域内的激光测距传感器(1)继续测量着飞机轮胎距设备的距离直到飞机离地，同时高速摄像头(2)会完整的记录飞机从进入该区域到离地起飞的整个过程。
着陆时(图7),飞机在区域2接地，高速摄像头(2)会完整的记录飞机接地到离开该区域的整个过程，激光测距传感器(1)从飞机接地时就开始记录轮胎的位置。随后飞机开始减速滑跑，经过区域3，区域4，并在区域4和区域5之间的某一点开始匀速滑行，并进入区域5。区域3，区域4的激光测距传感器(1)记录不同截面飞机轮胎距设备的距离，而区域5内的激光测距传感器(1)主要测试飞机匀速滑跑的速度。
所有数据经过时间同步与数据处理单元(3)的处理后进入数据储存单元(5)储存，并在计算机(6)中进行处理。最终得到想要的数据，包括飞机接地与离地点的分布、轮迹横向分布、飞机滑跑速度的变化规律以及飞机的滑跑距离。
本发明的优点还在于以下几个方面：
1.该系统实现了数据的测试、采集的全自动化，无需进行人工的判断与记录，提高了测试精度与持续性，适合长时间大数据的测试。
2.该系统测试范围广，包含了机场跑道交通量分布测试的所有项目，无需为单独某一个项目重新设计实验方法，大大提高了测试的效率。
3.对现有轮迹横向分布的测试方法进行改进，充分考虑飞机轮迹横向分布在滑跑过程中会产生变化的现实问题，测试了多截面的飞机轮迹横向分布规律，使测试结果更加符合实际情况。
4.分析分析轮迹横向分布的变化规律时考虑了飞机滑行速度以及飞机滑跑距离两个方面的参考因素，使对分析轮迹横向分布的变化规律的分析更加全面。
5.采用视频技术对飞机起降位置进行监测，能全面地检测测试区域内飞机的运动，不存在盲区和死角，很好地解决了当前测试方法两条捕捉线之间的落点判断误差大的问题。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种机场跑道交通量分布测试系统，其特征在于：在跑道上布置激光测距传感器、高速摄像头、时间同步与数据处理单元、供电单元、数据储存单元和计算机，其中：
激光测距传感器测量飞机滑跑时近侧轮胎距激光测试单元的距离；
高速摄像头记录飞机在相应区域的完整运动过程；
时间同步与数据处理单元用于对激光测距传感器和高速摄像头的测试数据进行筛选，并将所有的筛选后的有效数据标记上统一的时间参数；
供电单元为激光测距传感器、高速摄像头和数据存储单元提供测试所需的电力；
数据储存单元用于储存经时间同步与数据处理单元处理的数据；
计算机用于对数据储存单元储存的数据进行后期的分析处理；
所述跑道分为五个测试区域，区域1为飞机起飞起始点的测试区域，在区域1布置一台高速摄像头；区域2是飞机着陆点和轮迹横向分布测试区域，该区域包含以T字布为中心，长度为300m，设置7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器和一个高速摄像头，每组设备间隔50m；区域3是轮迹横向分布的测试区域，平均分布10组激光测距传感器1；区域4进行飞机起飞离地点和轮迹横向分布的测试，区域长度300m，分布7组测试设备，每组设备包含一个激光测距传感器和一个高速摄像头，每组设备间隔50m；区域5是测试飞机着陆减速后均匀滑跑的速度区域，由一个激光测距传感器组成，设备布设位置距联络道中心线200m。
2.按照权利要求1所述一种机场跑道交通量分布测试系统，其特征在于：所述激光测距传感器和高速摄像头布置在跑道的一侧沿并与跑道平行排列，距跑道中心线的距离为60m-80m。
3.按照权利要求2所述一种机场跑道交通量分布测试系统，其特征在于：所述高速摄像头与激光测距传感器处于同一水平线，高速摄像头与激光测距传感器在同一区域一一对应。
4.一种机场跑道交通量分布测试方法，其特征在于：
1、轮迹横向分布的变化规律
(1)激光测距传感器平行布置在跑道的一侧，当有飞机经过时，激光光速经飞机轮胎返回，记录传感器便测出飞机轮胎距传感器的距离L1；
(2)根据L1以及激光测距传感器距跑道中心线的距离L0,求出飞机相对于与跑道中心线的偏移量L,这些偏移量的分布规律，就是该截面飞机轮迹横向分布：
L＝L0-L1
(3)将多截面轮迹横向轮迹分布的测试数据以及对应截面标定的距离参数以及计算得到的飞机滑跑速度参数在计算机中进行分析处理得到飞机滑跑过程相对于距离与速度的变化规律；
2、滑跑速度的变化规律
(1)记录飞机通过某一激光测距传感器时所有测试数据，并通过时间同步与数据处理单元根据接收顺序将有效测试数据标记时间参数；
(2)通过标记的时间参数分辨出飞机前轮通过的测试数据和后轮通过的测试数据，以时间参数均值作为飞机前轮后轮通过激光光束的时间T1,T2；
(3)根据飞机前后轮的间距X，算出飞机通过该传感器时的速度V：
Figure FDA0003993153880000021
(4)通过多个传感器的测试，分析出飞机滑跑速度的变化规律；
3、飞机接地与离地点的分布
(1)利用飞机的起飞起始点和离地点，着陆接地点的高速摄像头对区域内飞机运动整个过程做视频监测，并利用时间同步与数据处理单元对每一帧图片标记时间参数；
(2)利用计算机对测试数据进行后期处理，利用标记的时间参数对图像进行拼接，形成连续的运动过程，并判断出飞机的起飞起始和离地以及着陆接地点的瞬即所处图片时间，准确判断出飞机的离地点和接地点；
4、飞机起飞滑跑距离的测试
利用飞机起飞起始点和离地点计算得出；
5、飞机着陆滑跑距离的测试
(1)在飞机匀速滑跑的区域布置激光测距传感器，测出飞机匀速滑跑的速度；
(2)根据飞机滑跑速度的变化规律，计算出飞机开始匀速运动飞机所处的位置；
(3)根据已确定的飞机接地点，求出飞机着陆的滑跑距离。
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上海虹桥国际机场飞机轮迹横向偏移规律研究;袁捷等;《中国民航大学学报》;20150430;第33卷(第2期);第1-6页 *
高原机场飞机起飞着陆滑跑距离测试与分析;蔡良才等;《空军工程大学学报(自然科学版)》;20000420(第02期);第4-7页 *

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