□ 海口美蘭國際機場 郭知靜 吉 巖 周建濤 劉昌財/文

雷電對民航業(yè)來說是一種高危害性天氣現象，它是發(fā)生于大氣中的一種瞬態(tài)電流，具有高電壓、強電磁輻射特點的天氣現象。當對流活動加強，云中電荷就會被分離，這樣在云中的不同部位或云與地面之間的電位梯度不斷被加大，直到超過空氣能夠經受的能力時，就會出現介質被擊穿的現象，這就出現閃電。由于機場地理環(huán)境開闊，航空器、地面設備及人員傷害概率遠高于一般區(qū)域，加之航空器進近及起飛爬升階段較高的氣象要求，降低雷擊傷害事件概率及其對航空器飛行的影響，提升航班放行效率，確保機場安全運行，是機場管理機構在探索建設智慧機場中的重要研究方向之一。

雷電防護的行業(yè)現狀

由美國聯邦航空局（FAA）贊助的機場合作研究計劃小組提出，云對地閃電對于機坪保障作業(yè)人員具有極強的危險性，如行李搬運人員、航油加注人員、航食工作人員、機務人員等。該小組特別指出，當云對地閃電對機坪作業(yè)人員危害存在的時候，應當采取暫停措施直到確?；謴椭涟踩珷顟B(tài)。我國《民用航空器維修地面安全》（MH/T 3011.7-2006）指出“機場上空有沙暴、大雨，視區(qū)范圍8 k m上空有雷電時，不應加油”。一方面，由于暫停機坪作業(yè)會顯著影響機場運作效率，包括飛行區(qū)、航站區(qū)、地面交通以及空域的運行能力。因此，航空公司、空管和機場方面都十分關注雷電的潛在危害；另一方面，基于不同的運行需要和保障側重點，加之各方對雷電危害的認識程度存在差異，往往在識別和應對雷電潛在危害時所采用的程序與標準不一致。

雷電防護目前存在的問題

（一）過于依賴被動防護

目前機場業(yè)對雷電的防御主要集中于被動防護（接閃、避雷、浪涌保護等手段）層面。為防止雷閃直接擊在建筑物、電氣網絡或電氣裝置上，通常采用防護裝置（如避雷針）影響雷電先導放電的發(fā)展方向，通過接地裝置和接地引下線將雷電流引入大地，減弱雷擊時產生的巨大電流，保護建筑物和電氣裝置本身不受雷電損害。這種被動防御方式能夠有效保護建筑物和設備免遭雷電破壞，但是未能有效涵蓋人身防護、便攜式設備防護和航班運行保障等方面。

（二）雷電預測精度不高

在實踐中，民航對雷暴觀測多依賴于多普勒氣象雷達。它基于熱帶大氣云團向東或向西作高速運動可能產生雷電現象這一原理，觀測一定區(qū)域內大氣團或強對流天氣，從而預測雷暴的產生。因為高速運動的大氣團和強對流天氣并不必然產生雷電，這就導致了基于氣象雷達的雷電預報不能精準預測發(fā)生時間，也無法得到雷電的運動趨勢，從而導致機場停工時間大大延長，運行效率降低。部分機場雖然使用閃電定位儀或電場儀進行雷電預測，通過實際測量雷擊落點，以落點距離作為分級預警的標準，但難于應對實時多變的復雜雷電態(tài)勢，并不能利用歷史數據進行整合和計算演變規(guī)律以及獲得運動趨勢，預留的安全時間窗口也不夠，使得機場無法有效啟動預警。

（三）氣象預警系統(tǒng)集成性差

智慧機場建設步伐日益加速，機場在信息化建設過程中,多數信息系統(tǒng)為“應急式”建設，系統(tǒng)各自處于獨立狀態(tài)。各部門一般根據自身需求提出設計要求，往往只解決了當下的問題，沒有考慮到后續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)間關聯的問題，導致了信息孤島的出現，同時也不利于統(tǒng)一管理。同樣，目前民航廣泛采用的基于雷達探測的氣象預警作為單獨模塊獨立運行，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和完整的信息化建設策略，沒有依托全方位集成的管理信息平臺，信息資源的利用也遠沒達到精細化層面，同時也缺乏共享機制。

雷電預警系統(tǒng)在機場的前沿應用

（一）雷電預警系統(tǒng)的應用原則

機場信息化管理的精髓是信息集成，其核心是在統(tǒng)一的管理規(guī)范和數據標準下進行平臺建設和應用。機場在進行信息化建設的過程中，應以航班保障作業(yè)流程為導向建設統(tǒng)一的數據平臺，對資源進行集中、整合、共享及分析應用，實現系統(tǒng)間的無縫集成及管理流程的標準化，以數據集成為核心，最終建立機場級的管理信息數據平臺，提供決策支撐。由此而來，雷電預警系統(tǒng)在應用過程中要更加注重與機場運行信息的融合，應確保與各應用系統(tǒng)之間信息的一致性和完整性，特別注意要規(guī)避重復建設和信息覆蓋范圍過窄、數據接口標準不一致等問題，提升數據共享的效率。

（二）雷電預警集成應用的方向

1.與機場運行信息系統(tǒng)融合

為了提高機場運行效率，提高航班放行正常率，減少航班延誤，利用大數據和集成平臺將機場事前審批的現狀變?yōu)槭虑邦A測、事中監(jiān)控、事后分析的模式勢在必行。根據民航局《關于進一步加強航班正常工作的通知》（局發(fā)明電〔2017〕1774號）和《關于進一步統(tǒng)籌推進機場協(xié)同決策（A-CDM）建設的通知》（局發(fā)明電〔2017〕2412號)的要求，各機場應于2019年底前完成A-CDM系統(tǒng)建設。A-CDM是以機場為中心，通過航空公司、空管、地面保障單位等各個運營方面資源調配和數據集成共享協(xié)同決策，其最終目的在于解決信息孤島的問題，健全信息交換服務，實時掌控航班運行動態(tài)，進而提高機場總體運行效率和服務品質。A-CDM系統(tǒng)作為民航局大力推廣的信息共享平臺，雷電預警信息與其集成融合，將使得雷電預警信息得到最大范圍的傳遞和應用。

2.與其他氣象信息融合協(xié)助研判航班放行情況

民航航班放行權限由空中交通管制部門整體決策把握，部分機場的機坪塔臺由機場方面獨立運行以后，機場能從空管方面獲取航班放行的序列，從而掌握完成地面保障的航班推出、開車的時機。機場方面屬于被動地、即時性獲取航班放行序列，對未來一定時間的放行和流量控制情況卻不得而知。特別是因雷暴、航路天氣等原因產生流量控制的情況下，機場方面不能有效獲取預警信息，對旅客服務和航班地面保障帶來被動。未來，雷電預警系統(tǒng)將覆蓋進離場航路圖，融合氣象監(jiān)測系統(tǒng)信息，包含云低高度、跑道視程、風向、風速等信息，為航班起降安全保障提供決策支持的同時，還能協(xié)助機場指揮中心和機坪塔臺管制人員提前了解機場起降航路的氣象狀態(tài)及演變趨勢，并據此合理安排旅客服務和航班保障工作。

3.為員工職業(yè)健康提供保護

2018年3月12日，全新職業(yè)健康安全管理體系國際標準ISO45001正式發(fā)布，標志著對企業(yè)職業(yè)健康安全管理提出了更高的要求。在航班量迅速增長的背景下，民航員工職業(yè)病人數和工傷事故隨之增加。2013年8月11日，在北京首都國際機場公務機機坪626號機位，一名男性機坪保潔員在作業(yè)過程中被雷擊中死亡。機場目擊者稱，事發(fā)時未下雨，經過一個響雷后該保潔員便倒下了，該事件引起了民航廣泛關注。黨的十八大以來，黨中央國務院更加高度重視職業(yè)健康，把職業(yè)健康作為民生大事，納入到全面建成小康社會的重要內容，而雷電預警系統(tǒng)的應用，能夠根據雷電發(fā)展態(tài)勢提前進行預警，有效把握作業(yè)人員撤離和返回工作的安全時間，最大限度為機坪作業(yè)人員提供人身保護。

（三）基于智能算法的雷電預警系統(tǒng)介紹

基于智能算法的雷電預警系統(tǒng)是指利用海量的雷電大數據（定位/電場/氣象），通過機器學習方法建立短時預報/臨近預警模型，并提前發(fā)布預警信息輔助機場運行決策的系統(tǒng)（如圖1所示）。它集中了機場和周邊進離場航線上雷暴預測情況，同時反映了影響航班起降的云低高度、跑道視程、風向、風速等氣象信息。相較于傳統(tǒng)雷達預測，其氣象信息更加全面、精準度大幅提升，特別是能充分體現雷電局地特征，而且模型的預測性能隨著數據積累不斷進化。

從技術實現方式來看，我國科研機構通過精確測量雷暴放電產生的VLF/LF電磁脈沖到達時間，并基于網絡通訊和多站TOA時間差定位原理，研制的高精度雷暴云地回擊、云內閃擊三維定位探測系統(tǒng)（LLS），在毫秒級別對雷擊進行遠距離探測。而大氣電場儀能夠較為準確的感知5～10公里近距離電場的變化，通過這兩種探測方式結合獲取數據源，依托智能算法就能夠精確的預報雷電發(fā)生的位置、高度、時間、類型以及運行趨勢，為雷電的預警、信息傳遞、防護以及機場恢復生產運行提供有效指引。

（四）雷電預警系統(tǒng)集成的應用案例

1.香港機場雷電預警系統(tǒng)案例

香港機場主要采用“機場雷暴與閃電預警系統(tǒng)”預測雷電，該系統(tǒng)可覆蓋香港國際機場，雷達覆蓋范圍可達200公里。香港天文臺的“機場雷暴和閃電預警系統(tǒng)”融合了雷達、閃電定位儀，為香港機場專門設計，可自動在機坪內發(fā)出紅色、黃色閃電告警，雷電捕捉率達90%以上。黃色警報時，機場中心半徑五公里范圍內，觀測或預測有雷電發(fā)生。此時，停機坪上所有存在作業(yè)危險的非必要活動都會暫時停止。紅色警報時，機場島向外延伸一公里范圍內預測有雷電發(fā)生。此時，停機坪上所有工作人員應立即采取防護措施并前往安全區(qū)域躲避，同時也要暫停遠機位上下旅客。

當雷雨天氣時，香港天文臺將雷電信息發(fā)送給香港機場管理局，由香港機場管理局根據民航業(yè)特點對雷電信息進行研判，并將信息發(fā)送至機場運營機構。香港機場雷電預警數據來源于氣象系統(tǒng)，避免了機場獨立建設雷電預警基礎設施給企業(yè)帶來的經濟壓力。其雷電預警發(fā)布途徑包括：自動話音信息、多線傳真、警示鈴，警示燈等，使雷電預警信息能夠以最快的速度傳遞至機坪保障作業(yè)人員。

2.?？诿捞m機場雷電預警應用案例

美蘭機場位于海南島北部地區(qū)，地處熱帶北緣，既受熱帶系統(tǒng)影響，又常受冷空氣侵襲，局地強對流天氣經常發(fā)生且程度激烈，容易成災。海南島是我國閃電活動最頻繁的地區(qū)，多數市縣年均雷暴日數在100天以上，雷暴日持續(xù)的時間之長堪稱全國之首。根據氣象監(jiān)測數據顯示，2018全年的監(jiān)測數據，美蘭機場周邊50 KM內共發(fā)生雷電12.3萬次，周邊10 KM內發(fā)生5056次，嚴重影響飛行器操作安全；機場飛行區(qū)內落雷63次（如圖2所示），嚴重影響機坪作業(yè)安全。

雷電的發(fā)生通常是聚集成團，有明顯的雷暴中心，并隨著時間的推移向相鄰空間發(fā)展，具有典型的時空序列特征，而傳統(tǒng)的雷電模型無法刻畫這種特征。海口美蘭機場利用電場、閃電定位等信息，并結合機場雷電預警的業(yè)務需求，構建了機場雷電預警模型（數據流程如圖3）解決了此問題。該模型采用深度神經網絡（D N N）中的卷積神經長期短期記憶網絡（簡稱：CNN-LSTM），通過卷積神經網絡（CNN）層結合LSTM架構對輸入的數據進行特征提取，以支持序列預測。

圖3：雷電預警模型數據流向圖

集成了雷電預警模型輸出的預測數據與氣象雷達輸出的影響航班放行的重要氣象數據的機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)），對機場運行提供整體決策依據。A-CDM系統(tǒng)用可視化的方法將雷電實時運移、趨勢信息和其它氣象信息等集成在分級預警畫面上，決策人員根據這些綜合信息并結合現場任務的緊迫性，決定是否采用分級預警結論。各級別的設計目的及劃分標準見表1所示。

表1：各級別的設計目的及劃分標準

美蘭機場雷電預警系統(tǒng)集成于機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的應用，一是實現雷電預警信息和其它氣象信息融合，為人員職業(yè)健康和地面保障進程提供有效預警信息。二是有利于促進地面運行高效化，雷電預警信息和其它氣象信息的引入是完善機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的必要條件。三是實現航班放行一體化，空管、機場、航空公司和各運行保障單位之間數據交換和數據共享，打通信息壁壘，合理利用雷電“安全時間窗口”，實現“安全—效益”的最優(yōu)目標。四是促進大數據應用往前邁步，機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的建設不應僅局限于傳統(tǒng)意義的基礎內容，更應該作為民航信息化建設的先驅者，雷電預警和氣象信息的融入將用于氣象大數據在民航領域應用。

結束語：

當前，在國家氣象預報網絡建設相當完善，在VAISALA氣象系統(tǒng)、雷電公共云平臺運行高效穩(wěn)定的情況下，機場運營管理機構已經有條件獲取準確、及時、專業(yè)的氣象信息，將這些信息和數據與機場運行信息集成融合，借助民航業(yè)目前大力推廣的機場協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）實現集成。在建設規(guī)劃上，消除了民航業(yè)信息化建設過程中出現的缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、單獨模塊運行、信息散亂等弊病。在技術應用上，不僅能夠為機場作業(yè)人員提供職業(yè)健康保護，避免雷擊悲劇的發(fā)生，還能實現雷電等氣象信息與航班保障、航班起降的全流程關聯，合理利用安全時間窗口，提高運行保障能力。