机场跑道FOD监测系统技术方案

1、 Raida-Air机场跑道异物（FOD）监测系统技术方案一、背景 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、运行区的冰碴等等。 FOD的危害非常严重，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到发动机，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

2、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。FOD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。二、国内外研究现况 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。法国空难事故调查局认定，该次空难是由机场跑道上一块43厘米长的金属薄片割破飞机左侧主起落架的右前轮，致使该轮胎爆裂，轮胎爆裂产生的碎片击中了一个或多个油箱，使得飞

3、机左机翼起火并坠毁。后经鉴定，此金属碎片为上一个航班美国大陆航空公司所属的一架DC10飞机上掉下来的。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。 目前世界上较为典型的FOD检测系统有4个，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FODFinder系统。（具体参见附录A） 对上述系统的FOD探测技术列表总结如下：系 统检测原理能 力人工目视是FOD探测系统性能的基准，人工观察提供FOD检测，且人工判断提供了危害的评估能力，以保证安全支持定期、周期性和专项检查雷达使用无线电传输数据作为探测跑道和其他机场运

4、行区FOD的主要手段固定系统支持连续监视。移动系统补充人工/目视检查光电利用视频技术和图像处理作为探测FOD的主要手段支持连续监视混合联合利用雷达和光电数据作为探测FOD的主要手段支持连续监视 综合来看，现有的FOD探测系统主要采用雷达探测技术与视频图像识别技术，在上述的4个系统中，Tarsier系统、FODetect系统、FODFinder系统采用毫米波雷达探测为主、视频图像识别技术为辅的手段来探测FOD；iFerret系统只采用视频图像识别技术进行FOD的探测。基于雷达技术的系统对颜色没有反应，而基于视频图像识别技术的系统能对颜色和光照对比度产生反应。 2008年，FAA的研究人员对以上4

5、个系统分别在4个机场进行了性能测试，对每种技术的探测能力进行了评估。上述4种探测系统为机场提供了一个很宽的性能和价格选择范围，FAA不限制机场应用何种FOD探测技术，机场可以根据飞机的数量及种类、监控区域的数量种类及位置、探测的精度、机场的气候条件等因素来综合确定FOD探测系统的具体性能指标。 在我国尚未有关于FOD监测的雷达或视频系统研制成功或投入试用的报道。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。三、RaidaAir的二种技术方

6、案1、技术方案：方案A：固定摄像机实时视频监控为主雷达探测为辅 各监控摄像机固定安装，摄像机不带云台，不能调整位置，全部摄像机安装在跑道一侧。由于摄像机不能转动，故摄像机的安装密度较高，安装间距较短，做到无盲区实时布控。 在机场天气状况良好的条件下，固定摄像机承担实时监控整条跑道区域的任务，可在几几十秒时间内探测到FOD异物并发出报警指示；雷达探测为辅，探测到异物后用视频进行确认。在夜晚、下雨、下雪等较差的天气或照明条件下，视频监控系统的效果可能会明显下降，此时使用毫米波雷达（24台，探测距离为1000m）辅助探测跑道上的异物，探测到异物后调用最近的摄像机拍摄视频画面进行确认。 按照3600m

7、长、60m宽的机场跑道来测算，为实现无盲点实时监控，整条跑道一侧需要安装24个1080P的高清监控摄像机，安装位置为距离跑道近侧165m（离中心线195m），每个摄像机的最大监控的跑道远侧长度为228m（相当于中心线长度约200m），放大10倍后可分辨出2cm大小的异物。方案B：雷达探测为主云台摄像机视频监控为辅 在跑道两端以及中部共安装24部毫米波雷达，每部雷达的探测距离约为1000m，实现对整条跑道实时连续扫描的任务（特别是对金属FOD的探测效果很好），对整条跑道的探测响应时间依据雷达对道面的扫描时间而定，但无法做到视频监控的实时性。在发现有FOD异物后，在跑道一侧安装的云台监控摄像机转动

8、到该异物区域，并拉近异物图像（光学放大），从而方便管制员进行确认。在雷达未发现FOD的时期，云台监控摄像机可按照预设的扫描计划调整云台的位置以及光学焦段，连续摄取跑道的各个角度的视频画面，作为异物监测和跑道入侵监控的手段。 对于3600m的机场跑道，需要安装7个云台高清监控摄像机，安装间隔为600m，云台的水平转动角度为180度，单个摄像机在多个角度下可探测约600m长的跑道范围，可识别的目标物体最小约为3cm。说明：1、毫米波雷达需另购。 2、建议选用方案A。2、RaidaAir视频探测部分的组成：(1) ND200-Air高清网络监控摄像机：a) 1920x1080P60Hz；b) H.2

9、64 High ProfileLevel 4.2，4Mbps网络码流；c) 10倍光学变焦，可对目标物体进行放大、确认；d) 支持日/夜切换，日间采用可见光监控，夜间采用主动近红外视频成像。说明：云台摄像机（ND201）在固定摄像机（ND200）的基础上带有云台并可通过指令运程控制云台的方位。(2) NMS200高清视频服务器及其客户端：a) 每台视频服务器支持六路全高清监控视频流的实时存储、解码和监视，30天循环记录；b) 支持通过用户端的远程登陆，检索、查看实时或回放的单路解码后的1080P60Hz视频图像；c) 支持用户管理、权限管理和安全审查、数据加密；d) 支持对摄像机的远程管理和控

10、制。(3) 机场跑道异物(FOD)和跑道入侵智能视频监控软件：a) 具备对跑道上各种常见异物 (例如飞机脱落的部件、脱落的跑道灯光装置、建筑材料、石头) 进行自动探测、分类、记录及确位的功能；b) 最小可探测到 2cm的异物，并可准确指出异物的位置（定位偏差3m）；c) 具备图像放大认证功能，附文字及图像的FOD实时警报，协助空中交通控制及陆地操作控制中心做出正确的决定；d) 可针对机场环境的变化例如雷电、雨水、光线及霜雪进行一定的自动调适，能247全天候地给监控员一个实时、全面的机场跑道视频监控信息；e) 在一个统一的机场跑道2D（或3D）地理模型上，显示并跟踪防区内和防区外的所有目标物（包

11、括跑道入侵物），随时掌控整个现场环境发生的情况；f) 实时检测、跟踪和对入侵的目标物进行分类，自动识别的入侵目标物种类包括行人、车辆、飞机、飞鸟；g) 当未经授权的活动/入侵发生时，系统自动触发警报，通过语音和视频提醒安保人员，并准确指出入侵物在现场的具体位置，帮助快速部署警卫，防止事件的升级；h) 系统可有效屏蔽周围环境对真实目标物的影响，包括树木、草地、水域、阴影、垃圾以及阳光等。3、RaidaAir的主要技术特点：(1) 1920x1080P全高清监控系统对目标区域的监控更清晰准确，分辨率更高，视频图像在细节方面能与现场场景能保持最大的相似性。(2) 单个全高清监控摄像机的监控范围更大、

12、更远，使用较少的摄像头就可做到对区域的无盲点布控，这样可简化整个监控系统的设计、部署、维护和日常管理的成本，降低总体拥有成本。(3) 只有1080P的全高清图像，才能扩展对跑道异物进行智能识别的应用，这可大大提高自动化的监控水平和效率。(4) 只有图像帧率达到60Hz，才能最大限度地还原机场环境中的飞鸟、飞机、车辆等快速运动的特定目标，这样才便于开展细节监控、智能监控以及进行事件的调查取证。四、RaidaAir FOD监测系统的主要技术规格 参考FAA AC NO: 150/5220-24Airport Foreign Object Debris (FOD) Detection Equipme

13、nt的建议，拟订了RaidaAir 机场跑道异物（FOD）监测系统的主要技术规格，分述如下：1、基本功能：(1) 监控机场跑道区域或机场确定的其他运行区域；(2) 探测和定位机场跑道区域中单个或多个FOD；(3) 探测出FOD后能为用户提供警报；(4) 与机场和飞机通信、空管和监控系统能协同工作，且不会产生干扰；(5) 与正常的机场和飞机运行互不干扰；(6) 给出探测到FOD的数据记录，以方便系统的校准和维护，以及FOD事件的分析。2、探测性能：(1) 目标探测能力：a) 未上漆的金属圆柱体，高为3.1cm、直径为3.8cm；b) 白色、灰色或黑色的球体，直径为4.3cm（相当于标准高尔夫球）

14、；c) 90下列的放置在一个30x30m预期覆盖区内的目标对象组，每个类别中的一个物体都必须包含在目标组内，且每个物体的大小都必须不大于10cm（在任何方向），除非另有规定：- 沥青或混凝土；- 跑道灯具的任何部分（在跑道灯或道肩灯）；- 可调月牙扳手（可达20cm长）；- 插座（至少5cm长）；- 从飞机轮胎掉落的橡胶片；- 扭曲的金属带（可达20cm长）；- 燃料箱帽（飞机或汽车）；- 凸耳螺母；- 液压线（飞机或GSE，可达20cm长）；- 白色PVC管（5cm直径）。d) 上述任何二个物体，相互间距离在3m之内，能被分别鉴别开来。(2) 定位精度：提供FOD的定位信息，准确度5m。(3

15、) 检测频率：在机场开放期间连续监测跑道表面。(4) 探测响应时间：在二次飞机运行之间能完成跑道探测，且最长探测时间应在FOD出现后4min内。(5) 监控区域：跑道或其他飞机运行区域，并可设定跑道的特定部分的监视区域。(6) 天气条件下的性能：a) 在Two-Year Storm的下雨、下雪的天气条件下能探测目标；b) 系统能提供地点特异性的性能规格：晴天条件下的性能，恶劣天气下的性能，以及系统从雨、雪的不良天气后恢复到晴天下性能所需的时间；c) 照明条件：白天，黑夜，黎明，黄昏。(7) 警报与告警：a) FOD检测系统必须能够在扫描区域出现异物时通知系统操作员。警报必须提供足够的机场管理信

16、息，用以评估风险的严重性，以确定是否需要立即移除FOD对象。b) 假警报应尽量减少，并且不得超过：在任何90天的周期内，平均每天发生不超过一次。(8) 系统输出：a) FOD检测系统必须自动提供FOD的数据记录： 记录必须至少包含以下信息：警报时间和日期，FOD对象的位置。此外，推荐捕获以下信息，但不是必需的：FOD的说明（如：大小，名称，类型，序列号等），取回FOD的时间和日期，警报处置的时间和日期，检测/调查FOD物体的人员姓名，取回的FOD物体的图像，保管信息链。b) 数据管理：收集到的FOD检测过程的数据应数字化。系统应该保持至少两年的FOD事件数据。附录A：国外的4种FOD监测系统（

17、文献出处： Jim Patterson Jr. Foreign ObjectDebris (FOD) detection research. INTERNATIONAL AIRPORT REVIEW, ISSUE 2 2008, P22-27）1、英国Tarsier：准确定位 英国QinetiQ公司最先研发出Tarsier1100(眼睛猴) Foreign Object Debris radar detection system。Tarsier的工作频率为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，能够对目标位置准确地定位。FMCW技术具有探测

18、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的杂物并予以定位。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。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，也降低了虚警率。 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机场南跑道使用，使用效果良好，两部雷达可以全天

19、候扫描3658米长的跑道。美国联邦航空局（FAA）技术人员于2008年在美国普罗文思对此系统进行了测试。2、以色列FODetect：成本较低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

20、的设计在一定程度上减少了投资（相对于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。 FODetect系统现安装于美国波士顿机场，由FAA人员对其性能进行测试。从Xsight的网站上获悉，其FODetect系统的性能指标已经超越了2009年9月30日FAA发布的“机场FOD探测设备”咨询通告（ACNo:150/5220-24）中的最高性能。3、新加坡iFerret：实时监控新加坡Stratech systems公司的iFerret机场跑道智能视频探测系统，通过在跑道上每隔一定间距安装先进的高分辨率摄像机，来自动探测和辨认跑道上的异物，图像处理软件可针对变化的照明和路面条件做出适当的调整。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画面。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，并在芝加哥的奥黑尔国际机场由FAA技术人员对该系统进行测试。在对跑道异物的探测中，发现摄像机和视频系统易受亮度和天气的影响，在能见度低的情况下