如果您需要帮助,请点击这里

机场协同忙,智慧助航灯来导航

华为全球交通业务部 于家河

感情男声
  • 感情男声
  • 感情女声
  • 标准男声
  • 标准女声
倍速1.0X
  • 倍速0.5X
  • 倍速1.0X
  • 倍速1.5X

两架飞机在机场跑道上十字相迎,危急时刻,其中一位机长果断起飞,越过另一架飞机头顶,避免了机毁人亡的惨剧。2016年发生的上海虹桥机场两架飞机险些相撞的情景犹然在目,中国民航局公布的调查结果显示,该事件是一起因塔台管制员指挥失误,造成跑道入侵的不安全事件。

数据显示,自2005年起,我国航空运输总周转量已连续14年位居世界第二。而另一方面,随着机场持续高位超负荷运行,管制员数量不足、工作负荷大等因素,国内外都曾出现过因机场管制员遗忘动态、指挥失误差点导致飞机相撞的严重事故征候。

国际民航组织(ICAO)早在2004年就提出了A-SMGCS(Advanced Surface Movement Guidance & Control System高级场面活动引导和控制系统)的概念,可有效避免场面活动目标冲突的发生,显著增强机场安全保障的能力。我国民航局也于2019年4月下发了《关于推进A-SMGCS系统及配套设施设备建设应用工作的意见》的明传电报,要求各机场、地区空管局等单位加快推进A-SMGCS系统的建设,充分发挥A-SMGCS在提升机场运行安全、效率和效益方面的作用。

A-SMGCS对机场安全和效率提升有何重要意义?难点在哪?今后如何发展?是每个机场管理者都需要思考的问题。

让机场场面运行可视、可管、可控

偌大的机场飞行区,各种飞机、车辆串流不息,如何让这些目标有序行进、互不干扰,实现高效的协同运行,是一件考验智慧的事,而A-SMGCS则是帮助管理者提供整体解决方案的智能管理系统。

A-SMGCS作为为机场场面航空器、车辆等目标提供监视、控制、滑行路径规划及引导服务的综合集成信息处理系统,可通过处理机场场面各监视源信息及控制灯光系统,为空管塔台管制与机坪管制提供服务。其分为5个级别:

一级是监视功能(I级系统)。管制员目视监测飞机及车辆的位置,人工制订运动路径。冲突预测/报警依靠管制员及驾驶员的目视观察,地面引导采用油漆中心线和滑行引导牌,没有中线灯照明系统。

二级是告警功能(II级系统)。管制员通过场监雷达、多点定位等系统监视飞机和车辆,人工制订运动路径。冲突预测/报警由管制员通过系统及管制员和驾驶员的目视观察完成。地面引导采用油漆中心线、滑行引导牌和固定照明的中线灯。

三级是自动路径选择功能(III级系统)。场监雷达、多点定位等系统自动监视飞机和车辆,并由系统自动给出运动路径。冲突预测/报警由系统、管制员和驾驶员共同完成。地面引导采用油漆中心线、滑行引导牌和中线灯,但中线灯开关由管制员人工控制。

四级是自动引导功能(IV级系统)。在三级的基础上,中线灯完全由系统自动控制,实现自动的灯光滑行引导。

五级为最高级(V级系统)。V级是在IV级的基础上,将有关引导飞机和车辆运动的信息和指令,通过无线方式(如5G传输)传入到飞机和车辆驾驶舱内,在适当位置提供显示功能。要求飞机和车辆上装载相关设备。

为提供上述功能,A-SMGCS一般需配备相关设备,包括监视信息源和机场灯光系统等。例如,为实现A-SMGCS的监视和告警功能,需引接空管一/二次监视雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点相关定位等监视信息源;为实现A-SMGCS IV级对机场活动的自动引导功能,需引接并控制机场灯光系统。

A-SMGCS IV级运行的核心是灯光滑行引导,即飞机落地后跟随绿色的中线灯的引导滑行(Follow The Greens,FTG),直至停机位。这期间,需要在飞机前方保持一个由多盏灯形成的灯带:随着飞机的位置变化,在飞机前方逐个点亮,飞机滑过以后灯自动熄灭。根据SESAR(Single European Sky Air Traffic Management Research 单一欧洲天空空中交通管理研究项目)在德国慕尼黑机场的测试证明,无论是在“良好可见度”,还是在“低可见度”条件下,灯光滑行引导都有非常明显的效果,可有效提升机场的运行效率和安全性。

FTG测试验证收益对比

A-SMGCS IV级运行可全面提升机场的效率、容量、安全和自动化水平,是现代化大型机场发展的必然趋势。民航局在《意见》中明确提出,对于多跑道大型繁忙枢纽机场,在新建或改扩建时,建议助航灯都按照 A-SMGCS 的IV级运行要求配置。目前,全球已有迪拜机场和北京大兴机场实现了A-SMGCS 的IV级运行。国内目前新建的成都天府机场、顺丰鄂州机场,改扩建的深圳机场、浦东机场、首都机场等都明确以A-SMGCS IV级运行为目标。

可实现灯光滑行引导的单灯通信技术急需突破

A-SMGCS IV级灯光滑行引导依赖于对单个灯具的可靠通信,以实现精确的单灯控制。长期以来,业界一直在复用供电回路,使用窄带PLC(Power Line Communication 电力线载波通信)方式进行单灯通信,但效果不够理想,主要原因是窄带PLC的通信时延为2秒以上,而ICAO要求延时应控制在500毫秒以内。此外,载波信号需要穿过隔离变压器,而变压器作为感性器件,对信号衰减严重且易老化而导致效果变差。

基于上述原因,窄带PLC没有被广泛应用,目前全球仅有迪拜机场和大兴机场基于窄带PLC实现了常态化运行。窄带PLC因时延仍不能满足要求,只能采用分段引导的方式,即将回路总体分成多个灯光段。但分段引导的灵活性差,需进行复杂的路径设定,无法进行灵活调整。更重要的是,在多架飞机同时滑行时,灯光段都点亮,会导致整个回路亮成一片,进而失去引导效果。此外,线缆、隔离变压器老化后,会导致通信效果进一步变差,甚至不可用。

国内外也有厂家采用光纤实现助航灯通信,但灯桶式布设光纤的难度极大——由于灯桶内容易积水,且电缆盘根错节布置,导致日常维护和工作环境非常不适合光纤应用,因此几乎没有应用案例。

宽带解决方案 一条回路可同时引导10架飞机

面对灯具通信的痛点,华为基于自身通信经验的积累,针对不同的部署需求,创新地提出了宽带PLC和5G两种单灯通信方案,两种方案的通信能力都均可满足灯光引导的需求。

其中,宽带PLC方案采用专利屏蔽线通信设计,利用屏蔽线构建通信回路,减少信号因传输距离过长导致的衰减。改进后回路具备中继能力,结合华为海思PLC芯片,可通过中继功能满足长距离传输要求;采用多个载波频段,可根据线缆情况调节使用不同频段;单灯控制器与信号耦合模块分离设计,可根据现场需要按需安装,灵活度高,经济性好。

宽带PLC通信方案在实际部署时具备典型值≤200ms,最差值<400ms的通信时延,不仅完全满足标准的要求,还可为系统处理预留冗余量;同时具备百K级别的通信带宽,可满足一条回路上同时有10架飞机同时滑行的极限需求。

华为与合作伙伴中国民航局第二研究所联合创新的项目,目前已在深圳机场东南货运机坪落地测试。项目中,由华为提供宽带PLC通信方案中的头尾端模组和核心板,民航二所负责总体集成。

除了宽带方案外,能不能更进一步让灯具实现无线通信功能?遗憾的是,长期以来业界一直没有找到合适的助航灯无线通信方案:一是机场助航灯数量众多且需实时控制,对基站在线用户数及覆盖范围有较高要求(否则飞行区内要建设众多基站),当前微波、Wi-Fi、4G等无线方案均不能满足要求;二是无线控制器需要安装在带铁盖的密封铁质灯桶中,需要解决天线如何伸出灯桶进行通信的问题。另外,灯桶在日常运维中,可能会出现车辆碾压桶盖、割草机割到桶盖等情况,需要保证桶盖天线不易被损坏。

为了实现无线方案的快速验证,项目首先选用了华为成熟的eLTE-U无线通信方案,通过初步测试验证了技术可行性,同时也发现eLTE-U无线模组存在工作温度不符合工业集成要求、基站容量仍然不足等问题。

5G的到来为无线助航灯指明了方向:5G的广连接、低时延特性非常契合助航灯的通信需求;网络切片、切频可充分保证助航灯通信业务的优先级和可靠性,这是4G所不具备的。助航灯通信是5G在交通行业一个典型的应用场景。

华为推出的基于工业标准设计的行业5G模组,在工作高低温要求等方面完全满足集成要求,可基于其进行5G通信方案的集成开发。为便于其他厂商快速集成,华为还提供了5G CPE,自带多种通信接口。可以基于CPE的通信功能,通过网口等方式与现有控制器进行通信,快速搭建系统进行验证。华为与民航二所合作开发的5G助航灯整体方案已经完成方案设计和集成开发,目前正在深圳机场飞行区部分区域测试中。

对比宽带和无线通信两种解决方案,宽带PLC助航灯的部署不受条件限制,但需在一次缆回路上进行加装,要求安装后不能对回路电气特性造成影响,因此对施工的要求高。而无线方案只需在二次缆侧进行加装,不会对回路造成影响。其天线问题在当前已有实践的基础上,可进一步采用灯桶附近硬化、共形天线设计、天线和桶盖一体化设计等方式进一步优化。但对于深桶灯场景,飞机轮胎会直接碾压,无法伸出天线,仍需使用宽带PLC方案。因此,专家认为在未来的大规模部署中,会采用宽带PLC与无线组合使用的模式。

宽带PLC与5G无线方案对比

无线是机场场面通信发展方向

5091~5150MHz是国际电信组织分配给民航机场场面通信的专用频段,目前使用的是基于WiMAX推出的AeroMACS标准。未来,可在兼容AeroMACS标准的同时,使用华为最新的无线通讯技术建设机场场面AeroMACS无线专网,实现A-SMGCS IV级灯光控制和V级的机载/车载引导。

除场面引导外,AeroMACS作为ICAO唯一标准化的机场场面宽带通信技术,在其他场景下也有巨大的应用价值:比如作为站坪区的光纤替代,可在机场多点定位系统中利用AeroMACS作为无线数据传输通路替代传统地面光纤,解决不停航施工窗口短,光纤施工铺设困难的问题,还可将跑道防入侵系统、鸟防系统等飞行区各业务系统全部纳入到AeroMACS专网中;也可用于站坪视频数据实时回传和分析,地服、机务等可依靠此网络实时回传视频,通过AI实现远机位旅客复核、发动机探伤检测等;此外,还可用于航空器飞行数据的回传,新型航空器每小时产生的数据达TB级,回传的数据可用于预测性维护,降低航司机务的维修成本。

需要注意的是,按照ICAO的定义,A-SMGCS V级是对IV级的一个补充,也就是V级需通过在飞机驾驶舱内增加显示屏来提供补充信息,是在IV级“跟随绿灯”系统的基础上进一步提升,而不是替代IV级。V级需要在飞机上加装的设备,需要与各飞机制造商及航空机构协调解决,并制定统一的行业标准。目前华为正在与民航业各方一起,探索应用最新无线通讯技术对AeroMACS行业标准进行兼容性重耕,并尽快实现商用落地。

集中式新灯桶建设方案带来新机会

目前,国内使用的均为单个灯桶连续布置式建设方案。华为宽带PLC和无线助航灯方案,对于改造或新建机场场景,都可满足单灯通信需求,且相对于窄带PLC或光纤方案有很大优势。同时,国外厂商提出了新的集中式灯桶建设方案:即把原来分散在各灯桶内的设备集中放置在下沉式集中箱,箱体内可保持干燥。灯光通信控制模块在此箱体内操作,可实现通信与供电回路分离以及通信模块的集中运维。集中式部署方案尤其适用于无线和光纤通信方案:无线天线部署在集中式箱体的上部,解决原先部署在灯桶上难以部署和维护的难题;对于光纤通信方案,光纤可以与供电缆独立部署,使光纤易损的问题得以解决。对于新建场景,华为已与这些厂商开展了光纤通信方案的合作。

扫描体验移动阅读
ict 30 400 514

第30期 智慧交通特辑

跨越IT&OT数字鸿沟,构建交通数字化新范式

当前相关内容

刊首语

视野

特别报道

焦点

成功故事

生态