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机场跑道异物(FOD)监测系统

日期:2011年3月26日 19:51

一、FOD——小异物,大麻烦

 何谓FOD

FOD是Foreign Object Debris的缩写,泛指可能损伤航空器或系统的某种外来的物质,常称为跑道异物。

FOD的种类相当多,如飞机和发动机连接件(螺帽、螺钉、垫圈、保险丝等)、机械工具、飞行物品(钉子、私人证件、钢笔、铅笔等)、野生动物、树叶、石头和沙子、道面材料、木块、塑料或聚乙烯材料、纸制品、运行区的冰碴儿等等。

FOD危害非常严重

实验和案例都表明,机场道面上的外来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。据保守估计,每年全球因FOD造成的损失至少在30-40亿美元,2007年5月至2008年5月,中国民航共发生4500多起FOD损伤轮胎的事件。

外来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,间接损失至少为直接损失的4倍。

目前,全球绝大多数的机场的FOD监测仍然是靠人工完成的,这种方法不但可靠性差、效率低,而且占用了宝贵的跑道使用时间,这又是一笔经济损失。

二、FOD引发一场空难,FOD检测系统的研发从此开始

2000年7月25日法航协和飞机因FOD失事,造成机上109人,地面4人,共113人遇难。

事件回放:协和飞机的上一个航班是美国大陆航空公司DC10飞机,该飞机在跑道上掉下来一块43cm金属片,它扎破了随后起飞的协和飞机轮胎,轮胎爆破产生的碎片击中了一个或多个油箱,飞机左机翼起火并很快坠毁,这个过程不到1分30秒。此次事件的后果造成协和飞机在2003年10月24日全部退役。

这场因FOD引发的空难将FOD自动监测系统的研究提上了日程。

英国QinetiQ公司最先研发出【Tarsier(眼镜猴)Foreign Object Debris radardetection system】,眼镜猴系统先在英国及美国德州空军基地使用。2006年12月6日,温哥华机场宣布启用了这套跑道异物雷达侦测系统。成为全世界第一个采用FOD检测系统的民航机场。温哥华机场装备后的3年里,伦敦希斯洛国际机场、美国甘迺迪机场、阿拉伯联合大公国杜拜机场、德国法兰克福、法国巴黎机场、多哈国际机场都陆续安装了这套系统。


三、全球最具代表性的四个FOD监测系统

1、Tarsier(眼镜猴)

英国Qinetiq公司研究开发的Tarsier1100(T1100)FOD探测系统,工作频率为94.5GHz,雷达体制为连续波调频(FMCW)。该系统具有雷达探测距离长、波束窄和分辨率高的特点,能够对目标位置准确地定位。FMCW技术具有探测灵敏度高、成本低和峰值功率低等特点;其核心技术是“切割边沿传感技术”(cutting edge sensor)和实时数字信号处理技术。眼镜猴可对目标进行实时自动探测和识别,能及时、可靠地探测到跑道上最大雷达散射截面为0.01m2杂物并予以定位。

Qinetiq公司在Tarsier1100之后还对系统进行了升级,研发了安装有视频监控设备的新系统。新系统于2007年1月在温哥华使用,在温哥华机场安装了4部雷达,可以探测南北跑道;2008年新系统在英国希斯罗南跑道使用,使用效果良好,两部雷达可以全天候扫描3658米长的跑道。视频设备的安装使监控人员可以通过观察判断探测结果是否属实,大大提高了探测准确率。

2FODetect

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FOD后,可以立即向机场管理人员发出报警信息,告知FOD的准确位置以及发现时间。而后,设备会拉近镜头,提供FOD的视频图像,发现FOD之后,传感器会锁定FOD的位置,以帮助机场管理人员将FOD取走,在夜间,还可使用激光指示器协助将FOD取走。

FODetect的设计在一定程度上减少了投资(相对与Tarsier系统而言),此系统可在30秒内完成对整条跑道的扫描,采用视频识别系统可以在毫米波雷达探测到FOD后,对探测结果进行视频确认,从而使虚警率大大降低。

3iFerrer

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,复杂的图像处理软件可以针对变化的照明和路面条件作出适当的调整。发现FOD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。

iFerret系统能够提供精确的位置、报警的时间、FOD的图像和系统发现后的持续报警记录。该系统的精度能够达到探测大小为1cm的物体。

iFerret现应用于新加坡的樟宜国际机场,并在Chicago的奥黑尔国际机场由FAA技术人员对系统进行测试。在对跑道杂物探测中,发现摄像机和视频系统受亮度和天气的影响,在能见度低的情况下具有很多局限性,性能受到黑夜和阴雨天气环境的影响和制约。

4FOD Finder

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,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;摄像系统也装于车顶,用于跟踪所发现的FOD;GPS定位装置用于锁定探测区域和标示FOD的地理位置,除此之外,此高精度的GPS定位装置还可以应用差分技术校准场内的其它GPS设备。

这套系统的独特之处在于它是可移动的,探测时车辆的最大行驶速度可以达到64Km/小时,其不仅可以侦测跑道上的FOD,还可以侦测滑行道、停机坪等区域的FOD。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FOD。一旦FOD被取出,装于车内的相机会给碎片照相备案,机场控制人员还会给FOD贴上条形码以作记录,同时记录信息将通过互联网存储在系统数据库中。

四、FAA关于 FOD监测系统的咨询通告

FAA——The Federal Aviation Administration,即美国联邦航空局。

FAA于2007年初开始启动机场FOD探测系统的评估工作,将第三节提及的四个FOD监测系统作为被评估产品,在美国选取了几个机场,开始做测试工作。

严格的测试工作历时两年多,2009年9月30日,我们终于等来了FAA正式发布的关于FOD应用的AC No: 150/5220-24,即150/5220-24号咨询通告。该咨询通告第一次对FOD监测系统的规范提供了依据。下面是咨询通告的一些节选:

FOD监测系统的分类及指标要求:

(a)Stationary Radar. A radar detection system, able to detect a metallic cylindrical target measuring 1.2 in. (3.0 cm) high and 1.5 in. (3.8 cm) in diameter at ranges of up to 0.6 mile (1 km). Sensors are located 165 ft (50.0 m) or more from the runway center line. Generally, two or three sensors are required per runway, depending on airport requirements.

(b)Stationary Electro-Optical. An electro-optical detection system, able to detect a 0.80 in. (2.0 cm) object target at ranges of up to 985 ft (300. m) using only ambient lighting. Sensors are located 490 ft (150 m) or more from the runway center line. Generally, five to eight sensors are required per runway, depending on airport requirements.

(c)Stationary Hybrid. Uses both an electro-optical and radar sensor in a unit collocated with the runway edge lights. The system is able to detect a 0.8 in. (2 cm) target on the runway. Generally, sensors are located on every, or every other, edge light, depending on airport requirements.

(d)Mobile Radar. A radar detection system mounted on top of a vehicle that scans the surface in front of the vehicle when moving. The radar scans an area 600. ft by 600. ft (183 m by 183 m) to detect FOD items measuring 1.2 in (3.0 cm) high and 1.5 in (3.8 cm) in diameter. The system can operate at speeds of up to 30 mph (50 km/h), supplementing human/visual inspections.

FOD检测系统的性能要求:

Basic Functions. FOD detection equipment must perform the following functions:

(1)Provide surveillance in the AOA as specified by the airport.

(2)Detect and locate single and multiple FOD items on the AOA.

(3)Provide an alert to the user when FOD has been detected.

(4)Operate in conjunction with, and not interfere with, airport and aircraft communication, navigation, and surveillance systems.

(5)Operate in conjunction with, and without interference from, normal airport and aircraft operations (e.g., aircraft and vehicle movements).

(6)Provide a data record of detected FOD, allowing for equipment calibration and maintenance, and for analysis of the FOD event

1Object Detection. FOD detection systems must be able to detect the following objects (mobile systems must provide this performance at a minimum speed of 20 mph (30 km/h):

(a)An unpainted, metal cylinder, measuring 1.2 in (3.1 cm) high and 1.5 in (3.8 cm) in diameter,

(b)A white, grey, or black sphere, measuring 1.7 in (4.3 cm) in diameter (i.e., a standard size golf ball),

(c)90 percent of the following group of objects when placed within a 100 ft by 100 ft (30 m by 30 m) square in the desired coverage area. One item from each category must be included in the group and each item must measure no larger than 4 in (10 cm) in any dimension unless otherwise specified……

(d) Any two of the objects above, located no more than 10 ft (3 m) apart from each other, identified as separate objects.

2Location Accuracy. FOD detection systems must provide location information for a detected object that is within 16 ft (5.0 m) of the actual FOD object location. Note: This standard is based on the average accuracy of hand-held GPS devices, which most airport operators will use when retrieving detected FOD. Airport operators using non-visual detection systems, who require greater location accuracy, can procure optional components that enable the system to have visual detection capabilities.

3Inspection Frequency

4Detection Response Time.

5Surveillance Area.

6Performance in Weather.

7Alerts and Alarms.

FAA机场安全专家吉姆在INTERNATIONAL AIRPORT REVIEW】 2008年2期

发表文章——Foreign Object Debris (FOD) detection research】。该文章公布了FAA测试评估的一些细节,并报道了这项工作带来的影响。文章指出:

对FOD 侦测系统的评估在国际上引起关注,许多国家也开始了自己的研究工作,许多研究内容与FAA 所进行的研究工作非常类似。特别是欧洲空中交通管制组织,启动了一个类似的研究项目,其目的是制订一套性能标准,法国也表示,他们也正在对FOD 探测系统进行评估。这些标准或评估结果在将来有可能会通过国际民航组织(ICAO)的认可而成为国际标准。

五、我国关于FOD监测系统和民航机场的现状

在我国尚未发现关于FOD监测的雷达系统研制成功的报道,但有一些光学、视频监测的产品,如深圳亿成安科技有限公司的【机场跑道数字化监控预警系统】,上海东信网络通信有限公司的【飞机起降跟踪和跑道搜索系统】。但是,也许是自身的性能差距,这些产品鲜有应用。

国内一些大型民用机场如首都机场、武汉机场等已经有购买国外FOD监测系统的动向。国外FOD监测系统的产品也有在我国建立生产基地的动作。

国家民航总局机场司民航局安全技术中心在2009年编写了【FOD防范手册】,这也许是我国关于FOD监测系统将要提到日程上的一个信号。

收集整理:刘光祜 2010.1.14

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