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機場跑道異物(FOD)監測系統

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一、FOD——小異物,大麻煩

 何謂FOD

FOD是Foreign Object Debris的縮寫,泛指可能損傷航空器或系統的某種外來的物質,常稱為跑道異物。

FOD的種類相當多,如飛機和發動機連接件(螺帽、螺釘、墊圈、保險絲等)、機械工具、飛行物品(釘子、私人證件、鋼筆、鉛筆等)、野生動物、樹葉、石頭和沙子、道面材料、木塊、塑料或聚乙烯材料、紙制品、運行區的冰碴兒等等。

FOD危害非常嚴重

實驗和案例都表明,機場道面上的外來物可以很容易被吸入發動機,導致發動機失效。碎片也會堆積在機械裝置中,影響起落架、襟翼等設備的正常運行。據保守估計,每年全球因FOD造成的損失至少在30-40億美元,2007年5月至2008年5月,中國民航共發生4500多起FOD損傷輪胎的事件。

外來物不僅會造成巨大的直接損失,還會造成航班延誤、中斷起飛、關閉跑道等間接損失,間接損失至少為直接損失的4倍。

目前,全球絕大多數的機場的FOD監測仍然是靠人工完成的,這種方法不但可靠性差、效率低,而且占用了寶貴的跑道使用時間,這又是一筆經濟損失。

 

二、FOD引發一場空難,FOD檢測系統的研發從此開始

2000年7月25日法航協和飛機因FOD失事,造成機上109人,地面4人,共113人遇難。

事件回放:協和飛機的上一個航班是美國大陸航空公司DC10飛機,該飛機在跑道上掉下來一塊43cm金屬片,它扎破了隨后起飛的協和飛機輪胎,輪胎爆破產生的碎片擊中了一個或多個油箱,飛機左機翼起火并很快墜毀,這個過程不到1分30秒。此次事件的后果造成協和飛機在2003年10月24日全部退役。

這場因FOD引發的空難將FOD自動監測系統的研究提上了日程。

英國QinetiQ公司最先研發出【Tarsier(眼鏡猴)Foreign Object Debris radardetection system】,眼鏡猴系統先在英國及美國德州空軍基地使用。2006年12月6日,溫哥華機場宣布啟用了這套跑道異物雷達偵測系統。成為全世界第一個采用FOD檢測系統的民航機場。溫哥華機場裝備后的3年里,倫敦希斯洛國際機場、美國甘迺迪機場、阿拉伯聯合大公國杜拜機場、德國法蘭克福、法國巴黎機場、多哈國際機場都陸續安裝了這套系統。

 

三、全球最具代表性的四個FOD監測系統

1、Tarsier(眼鏡猴)

英國Qinetiq公司研究開發的Tarsier1100(T1100)FOD探測系統,工作頻率為94.5GHz,雷達體制為連續波調頻(FMCW)。該系統具有雷達探測距離長、波束窄和分辨率高的特點,能夠對目標位置準確地定位。FMCW技術具有探測靈敏度高、成本低和峰值功率低等特點;其核心技術是“切割邊沿傳感技術”(cutting edge sensor)和實時數字信號處理技術。眼鏡猴可對目標進行實時自動探測和識別,能及時、可靠地探測到跑道上最大雷達散射截面為0.01m2雜物并予以定位。

Qinetiq公司在Tarsier1100之后還對系統進行了升級,研發了安裝有視頻監控設備的新系統。新系統于2007年1月在溫哥華使用,在溫哥華機場安裝了4部雷達,可以探測南北跑道;2008年新系統在英國希斯羅南跑道使用,使用效果良好,兩部雷達可以全天候掃描3658米長的跑道。視頻設備的安裝使監控人員可以通過觀察判斷探測結果是否屬實,大大提高了探測準確率。

2、FODetect

FODetect系統由以色列的Xsight公司開發,系統由77GHz毫米波雷達和攝像設備所組成,多個道面監測單元(SDU)分別安裝在不同位置的跑道邊燈上,每個SDU都對跑道中線附近的區域進行掃描,發現FOD后,可以立即向機場管理人員發出報警信息,告知FOD的準確位置以及發現時間。而后,設備會拉近鏡頭,提供FOD的視頻圖像,發現FOD之后,傳感器會鎖定FOD的位置,以幫助機場管理人員將FOD取走,在夜間,還可使用激光指示器協助將FOD取走。

FODetect的設計在一定程度上減少了投資(相對與Tarsier系統而言),此系統可在30秒內完成對整條跑道的掃描,采用視頻識別系統可以在毫米波雷達探測到FOD后,對探測結果進行視頻確認,從而使虛警率大大降低。

3、iFerrer

iFerret智能視頻探測系統,通過在跑道上每隔一定間距裝置先進的高分辨率功能的攝像機,自動探測和辨認跑道上的障礙物,復雜的圖像處理軟件可以針對變化的照明和路面條件作出適當的調整。發現FOD后,系統能夠放大物體的圖像,給用戶提供碎片的實時圖像,讓用戶看到發現的物品。

iFerret系統能夠提供精確的位置、報警的時間、FOD的圖像和系統發現后的持續報警記錄。該系統的精度能夠達到探測大小為1cm的物體。

iFerret現應用于新加坡的樟宜國際機場,并在Chicago的奧黑爾國際機場由FAA技術人員對系統進行測試。在對跑道雜物探測中,發現攝像機和視頻系統受亮度和天氣的影響,在能見度低的情況下具有很多局限性,性能受到黑夜和陰雨天氣環境的影響和制約。

4、FOD Finder

FOD Finder系統是由美國Trex Enterprises公司開發的一套移動監控系統,可以安裝在車輛的車頂。

系統由監控系統與后臺軟件處理系統組成,監控系統使用的是78-81GHz毫米波雷達、高精度的GPS定位系統和攝像系統,雷達掃描速度為30次/分鐘,探測半徑為200米,裝在車頂的一個雷達罩中;攝像系統也裝于車頂,用于跟蹤所發現的FOD;GPS定位裝置用于鎖定探測區域和標示FOD的地理位置,除此之外,此高精度的GPS定位裝置還可以應用差分技術校準場內的其它GPS設備。

這套系統的獨特之處在于它是可移動的,探測時車輛的最大行駛速度可以達到64Km/小時,其不僅可以偵測跑道上的FOD,還可以偵測滑行道、停機坪等區域的FOD。車輛向前移動時,系統掃描車輛前部的區域,并向機場控制人員提供雷達和視頻信號。

車輛上裝有軟件處理系統(AirBoss處理系統),由觸摸式電腦、照相機、條碼機組成,機場控制人員可以根據系統指示方位拾取FOD。一旦FOD被取出,裝于車內的相機會給碎片照相備案,機場控制人員還會給FOD貼上條形碼以作記錄,同時記錄信息將通過互聯網存儲在系統數據庫中。

四、FAA關于 FOD監測系統的咨詢通告

FAA——The Federal Aviation Administration,即美國聯邦航空局。

FAA于2007年初開始啟動機場FOD探測系統的評估工作,將第三節提及的四個FOD監測系統作為被評估產品,在美國選取了幾個機場,開始做測試工作。

嚴格的測試工作歷時兩年多,2009年9月30日,我們終于等來了FAA正式發布的關于FOD應用的AC No: 150/5220-24,即150/5220-24號咨詢通告。該咨詢通告第一次對FOD監測系統的規范提供了依據。下面是咨詢通告的一些節選:

 

FOD監測系統的分類及指標要求:

(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檢測系統的性能要求:

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機場安全專家吉姆在INTERNATIONAL AIRPORT REVIEW】 2008年2期

發表文章——Foreign Object Debris (FOD) detection research】。該文章公布了FAA測試評估的一些細節,并報道了這項工作帶來的影響。文章指出:

對FOD 偵測系統的評估在國際上引起關注,許多國家也開始了自己的研究工作,許多研究內容與FAA 所進行的研究工作非常類似。特別是歐洲空中交通管制組織,啟動了一個類似的研究項目,其目的是制訂一套性能標準,法國也表示,他們也正在對FOD 探測系統進行評估。這些標準或評估結果在將來有可能會通過國際民航組織(ICAO)的認可而成為國際標準。

 

五、我國關于FOD監測系統和民航機場的現狀

在我國尚未發現關于FOD監測的雷達系統研制成功的報道,但有一些光學、視頻監測的產品,如深圳億成安科技有限公司的【機場跑道數字化監控預警系統】,上海東信網絡通信有限公司的【飛機起降跟蹤和跑道搜索系統】。但是,也許是自身的性能差距,這些產品鮮有應用。

國內一些大型民用機場如首都機場、武漢機場等已經有購買國外FOD監測系統的動向。國外FOD監測系統的產品也有在我國建立生產基地的動作。

國家民航總局機場司民航局安全技術中心在2009年編寫了【FOD防范手冊】,這也許是我國關于FOD監測系統將要提到日程上的一個信號。

 

收集整理:劉光祜 2010.1.14

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