任立平，曾思博，劉功貴

(廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510403)

引言

機(jī)場(chǎng)目視助航燈光是機(jī)場(chǎng)目視助航工程的主要設(shè)施，對(duì)助航燈光和燈具的布置有四個(gè)“C”要求，為在滑行、起飛或進(jìn)場(chǎng)著陸的飛機(jī)提供燈光指示信號(hào)，是夜間使用或低能見度條件下運(yùn)行安全的重要保障設(shè)施。然而隨著機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)量的激增以及智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)的要求下，傳統(tǒng)巡檢方式人力投入大、效率低、成本高，特別對(duì)于大型繁忙樞紐機(jī)場(chǎng)、山區(qū)機(jī)場(chǎng)高塔進(jìn)近燈光帶區(qū)域等，人工巡檢難度高、人工巡檢安全隱患大等問題尤為突出，可靠性及時(shí)效性等都難以滿足機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的需要。而采用自動(dòng)巡檢方式的單燈監(jiān)控系統(tǒng)是解決上述問題的有效方式，機(jī)場(chǎng)助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)助航燈的監(jiān)控和自動(dòng)巡檢，在助航燈發(fā)生故障時(shí)及時(shí)將故障信息上報(bào)監(jiān)控中心通知工作人員進(jìn)行維修[1]，并能將故障位置在監(jiān)視界面上進(jìn)行定位顯示，維修人員能快速做出響應(yīng)，大幅提升故障解決速率。當(dāng)前助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)多采用電力載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通信與電力傳輸復(fù)用燈光回路一次電纜，不需要敷設(shè)附加線纜，大大降低了線纜成本，并提升了施工的安全性。本文借鑒智慧城市道路照明領(lǐng)域單燈監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用情況，結(jié)合公司在中西部地區(qū)兩機(jī)場(chǎng)助航燈光項(xiàng)目單燈監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)國(guó)內(nèi)某廠商民航機(jī)場(chǎng)助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)ICMS系列產(chǎn)品展開研究探討，詳細(xì)闡述了其工作原理、信道建立、關(guān)鍵技術(shù)、調(diào)制與解調(diào)等內(nèi)容，并進(jìn)行了總結(jié)，為后期開展更深入地研究和應(yīng)用提供參考。

1 單燈監(jiān)控系統(tǒng)研究情況

單燈監(jiān)控系統(tǒng)在智慧城市道路照明領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，參與研究的廠家較多，品類齊全。通過文獻(xiàn)研究，道路照明領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)單燈監(jiān)控的通信技術(shù)主要包括電力載波方式、無線傳輸方式和其他傳輸方式[2]，其中以電力載波和ZigBee、NB-IoT、LoRa為代表的通信技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較多[3-6]。而在民航機(jī)場(chǎng)目視助航燈光領(lǐng)域，眾多學(xué)者對(duì)單燈監(jiān)控系統(tǒng)傳輸方式進(jìn)行了深入研究，其中文獻(xiàn)[1]中提出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入機(jī)場(chǎng)助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)，可以很好地避免舊機(jī)場(chǎng)重新鋪設(shè)管道線纜施工等問題，并提出了基于簇的層次化能耗均衡路由協(xié)議，通過仿真研究得出其能有效降低無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗開銷的結(jié)論。王丙元等[7]提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)GPRS/GSM技術(shù)的助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出其能夠穩(wěn)定可靠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。許名華[8]通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的特點(diǎn)，從硬件、軟件以及路由協(xié)議三方面提出了節(jié)能措施，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。目前，基于無線傳輸?shù)闹綗艄鈫螣舯O(jiān)控系統(tǒng)仍然面臨安全性、可靠性與穩(wěn)定性等問題，實(shí)際應(yīng)用還存在諸多難題，而以電力載波通信實(shí)現(xiàn)助航燈光單燈監(jiān)控因技術(shù)成熟、安全可靠等優(yōu)勢(shì)贏得業(yè)內(nèi)好評(píng)，是目前業(yè)內(nèi)主流的應(yīng)用方式。2021年民航局先后發(fā)布了《中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》與《航空5G機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用實(shí)施方案(2022—2025)》，提出要大力推進(jìn)新一代航空寬帶通信的應(yīng)用，助力智慧民航系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行，目前5G專網(wǎng)及其5G助航燈的研發(fā)引起華為等公司的重視，相信在不遠(yuǎn)的將來，基于無線傳輸技術(shù)的助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)在民航業(yè)步入實(shí)際應(yīng)用。

2 助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)

單燈監(jiān)控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)單燈監(jiān)控、按需照明，減少巡燈工作量，當(dāng)光源及其附件出現(xiàn)故障時(shí)，單燈監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)報(bào)警[9]。單燈監(jiān)控系統(tǒng)用于單個(gè)燈具的監(jiān)視和控制，可以在不敷設(shè)任何附加電纜的情況下，對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道燈光進(jìn)行逐燈檢測(cè)和控制，并能將壞燈報(bào)警、隔離變壓器二次短路、壞燈百分率等燈狀態(tài)信息以圖形化的方式直觀、準(zhǔn)確地反映到計(jì)算機(jī)界面和模擬顯示屏上，不再需要人巡來確?！傲翢袈省?，當(dāng)故障燈數(shù)量達(dá)到設(shè)定比率后，才進(jìn)行修燈[10]，從而可以大大提升故障排除效率，最大程度上保證飛行安全。

2.1 工作原理

結(jié)合先前機(jī)場(chǎng)工程項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐，闡述基于電力載波通信的助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of navigation light single lamp monitoring system

針對(duì)助航燈光電氣回路原理可參考筆者先前發(fā)表的研究論文[11]，本文不再對(duì)助航燈光電氣原理進(jìn)行闡述。助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如下：

(1)調(diào)光器開機(jī)以后，現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)(CPC)通過CAN總線向通信控制單元(CCU)發(fā)送查詢命令，CCU將查詢命令通過隔離變壓器耦合到串聯(lián)燈光回路；

(2)單燈監(jiān)控單元BMC將接收到的載波信息經(jīng)過硬件濾波、軟件濾波及校驗(yàn)后，將監(jiān)測(cè)到的助航燈狀態(tài)通過隔離變壓器耦合到燈光回路；

(3)CCU將接收到的載波信息經(jīng)過硬件濾波、軟件濾波和計(jì)算，將助航燈狀態(tài)通過CAN總線上傳到CPC，由CPC執(zhí)行顯示、報(bào)警等功能，助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)(ALCMS)或單燈監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控終端通過快速以太網(wǎng)或工業(yè)控制RS485總線從CPC得到所有相關(guān)數(shù)據(jù)，在界面上顯示被監(jiān)視燈的狀態(tài)和報(bào)警信息；

(4)在操作控制場(chǎng)合，CPC接收來自ALCMS或單燈監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控終端的控制指令，并通過CCU將指令發(fā)送到BMC，由BMC執(zhí)行對(duì)應(yīng)燈位或燈段的開、關(guān)控制。

2.2 通信傳輸信道

電力載波通信技術(shù)是以電力線作為傳輸媒介來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的通信技術(shù)，是通過對(duì)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制，把信息上傳至信道上，并通過電力線進(jìn)行傳輸，在接收端將耦合的信息解調(diào)，再譯碼后送給用戶端，從而完成信息傳遞[12]。文獻(xiàn)[12]中提供了“配電變壓器會(huì)阻隔電力線中載波信號(hào)，故電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送”的結(jié)論。

本文單燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定5 kHz信號(hào)通道中心頻率，為構(gòu)建完整的信號(hào)傳輸通道，在調(diào)光器輸出端安裝一臺(tái)以LC器件為主體、中心頻率為5 kHz的無源通信濾波單元(CFU)，通信信號(hào)將以燈光回路一次電纜和隔離變壓器初級(jí)繞組側(cè)為介質(zhì)，在通信濾波單元與通信介質(zhì)構(gòu)建的通信信號(hào)閉合回路中流動(dòng)，該信號(hào)傳輸通道的建立可避免恒流調(diào)光回路中升壓變壓器對(duì)通信信號(hào)的阻隔。

圖2 單燈監(jiān)控系統(tǒng)通信傳輸信道示意圖Fig.2 Schematic diagram of communication transmission channel of single lamp monitoring system

李豐[13]研究結(jié)果表明基于電力載波通信的單燈監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)載電容對(duì)電力載波信號(hào)有很大的影響，這是由于電容器高頻信號(hào)的阻抗較小，會(huì)使電力載波高頻信號(hào)有較大的衰減，可能造成區(qū)域性通信故障。對(duì)于采用助航燈光串聯(lián)回路中進(jìn)行電力線載波的技術(shù)而言，構(gòu)建如圖2所示的通信信道只能滿足基本通信的要求，針對(duì)每種回路對(duì)地的電容分布特性，助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)必須要解決該電容分布特性對(duì)通信信號(hào)的衰減問題。有關(guān)研究表明，任何一種基于中高頻為數(shù)字傳輸頻點(diǎn)的載波方式，在以非屏蔽電纜構(gòu)建的串聯(lián)回路上的傳輸都是非常理想的，衰減幾乎可忽略不計(jì)，而在以屏蔽電纜構(gòu)建的回路上，由于隔離變壓器相對(duì)于助航燈光一次回路屏蔽電纜的不均勻分布，造成了非常復(fù)雜的分布電容特性，該特性會(huì)在局部對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生極大的衰減，同時(shí)在另一個(gè)相對(duì)位置對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生放大作用，造成信號(hào)傳輸失真等問題，給單燈監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

為解決電容分布特性對(duì)通信信號(hào)的衰減問題，ICMS系統(tǒng)采用一個(gè)以LC諧振為機(jī)理、中心頻點(diǎn)為發(fā)生衰減頻段的濾波設(shè)備(SFU)的應(yīng)對(duì)方案，如圖3所示，SFU安裝在該調(diào)光回路的物理中心點(diǎn)(在靠近回路物理中心點(diǎn)附近的燈箱內(nèi)增加一個(gè)隔離變壓器，SFU安裝在隔離變壓器的副邊，SFU的大小與BMC相同)，以此抬升由于分布電容造成的較低的信號(hào)幅度，這是以頻移鍵控(FSK)為核心載波技術(shù)的同類型單燈監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的調(diào)制方法，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，這種方法非常有效，在一條回路中可安裝和控制不少于130盞燈，通信能力可達(dá)到15 km回路長(zhǎng)度。

圖3 單燈監(jiān)控系統(tǒng)通信傳輸信道優(yōu)化方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication transmission channel optimization scheme of single lamp monitoring system

2.4 電力載波信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

在載波通信技術(shù)中，同步信號(hào)的選取和信號(hào)傳輸時(shí)機(jī)是非常重要的，也是調(diào)制和解調(diào)的基礎(chǔ)。交流電在過零點(diǎn)附近具有阻抗連續(xù)、諧波污染值低、相位與周期穩(wěn)定等特點(diǎn)[14]，彭建軍[15]采用過零檢測(cè)電路作為電力載波通信收發(fā)同步的基準(zhǔn)，效果較好。在民航機(jī)場(chǎng)目視助航工程中，目前還存在可控硅恒流調(diào)光器，其輸出的電流波形在理想情況下才是正弦波，其他條件下均為斷續(xù)波，若采用過零檢測(cè)將難以建立有效的同步信號(hào)基準(zhǔn)。為此，ICMS系統(tǒng)的通信控制單元和單燈監(jiān)控單元以回路電流峰值點(diǎn)作為信號(hào)同步點(diǎn)，并以實(shí)時(shí)高速采樣勾畫每周期的電流包絡(luò)線，數(shù)字信號(hào)只有加載到電流包絡(luò)線上才能夠得到有效的傳輸。電流峰值點(diǎn)是電力線載波的相對(duì)穩(wěn)定的合理參照點(diǎn)，根據(jù)電流包絡(luò)線進(jìn)行信號(hào)傳輸是系統(tǒng)適應(yīng)不同類型負(fù)載的基礎(chǔ)。

(1)信號(hào)調(diào)制方面，ICMS系統(tǒng)中的CCU的信號(hào)發(fā)送通過耦合變壓器和隔離變壓器耦合到燈光回路，調(diào)試人員將根據(jù)回路的實(shí)際情況、以單燈監(jiān)控單元反饋的信號(hào)接收幅度進(jìn)行功率適應(yīng)性調(diào)節(jié)。BMC的信號(hào)調(diào)制不設(shè)功率調(diào)節(jié)，直接采用隔離變壓器作為耦合變壓器，在電流包絡(luò)線上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的載波傳輸。

(2)信號(hào)解調(diào)方面，系統(tǒng)中CCU和BMC采用相近的硬件濾波電路和濾波頻點(diǎn)，在硬件上確保信號(hào)的不失真解調(diào)，兩種設(shè)備在軟件控制和算法上采用相同的信號(hào)采樣頻率，并以上下行信號(hào)的頻率進(jìn)行相應(yīng)倍率的抽值、濾波和運(yùn)算，以此解調(diào)并還原來自通信信道的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)的校驗(yàn)采用CRC校驗(yàn)方法，保證數(shù)據(jù)還原的完整性和準(zhǔn)確性。CCU的信號(hào)接收功率也可調(diào)，調(diào)試人員將根據(jù)回路的實(shí)際情況及單燈監(jiān)控單元的反饋信號(hào)幅度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。在信號(hào)通道建立完整的基礎(chǔ)上，ICMS系統(tǒng)的載波通信幾乎達(dá)到了近百萬分之一的誤碼率，這也是ICMS系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并得以應(yīng)用的最大前提[16]。

3 助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 工程概況

2020年，中西部地區(qū)兩新建4C民用機(jī)場(chǎng)跑道主降端均設(shè)置Ⅰ類精密進(jìn)近燈光系統(tǒng)；兩機(jī)場(chǎng)跑道主降方向地勢(shì)落差均較大，部分位置均需在山體間架設(shè)鐵塔。I類精密進(jìn)近燈光系統(tǒng)，由一行位于跑道中線延長(zhǎng)線上，間距30 m，從跑道端延伸至距跑道入口900 m、長(zhǎng)4 m的短排進(jìn)近燈具和一排在距跑道入口300 m、長(zhǎng)30 m橫排燈具組成，燈具為輕型易折式燈具或設(shè)置易碎桿，其中在鐵塔上的進(jìn)近燈均設(shè)置單燈監(jiān)控裝置。

3.2 監(jiān)控需求

由于兩機(jī)場(chǎng)位于山區(qū)，尤其是跑道主降端進(jìn)近燈光帶均設(shè)置在地勢(shì)高差極大的山澗、溝壑地區(qū)，日常檢修維護(hù)極為困難。

如按傳統(tǒng)建設(shè)模式，雖然減少了單燈監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本，但運(yùn)營(yíng)期依靠人工巡檢燈塔難度極大，成本很高，且巡檢與故障處理不及時(shí)對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行造成較大安全隱患(圖4)。綜合考慮，兩機(jī)場(chǎng)均對(duì)機(jī)場(chǎng)主降方向安裝在鐵塔架上的進(jìn)近燈光設(shè)置助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 中南地圖某機(jī)場(chǎng)跑道主降端進(jìn)近燈塔Fig.4 Approach lighthouse at the main landing end of an airport runway on the map of Central South China

3.3 系統(tǒng)配置

兩機(jī)場(chǎng)單燈監(jiān)控系統(tǒng)配置方面，應(yīng)根據(jù)回路數(shù)量、需監(jiān)控的助航燈數(shù)量進(jìn)行配置。配置依據(jù)為：

(1)在燈光站設(shè)置1臺(tái)CPC，每條監(jiān)控回路各配備1臺(tái)CFU、1臺(tái)CCU以及每個(gè)需監(jiān)控的燈位配套的BMC單元。

(2)跑道主降端進(jìn)近燈均設(shè)計(jì)為兩個(gè)調(diào)光回路，采用兩路能分五級(jí)調(diào)光的串聯(lián)回路供電。

3.4 設(shè)備安裝與功能

CPC安裝在燈光站內(nèi)，是單燈監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，其主要功能為：1)運(yùn)行單燈監(jiān)控系統(tǒng)軟件，接收來自上位機(jī)的控制和查詢命令，執(zhí)行控制命令，反饋控制狀態(tài)、單燈運(yùn)行狀態(tài)；2)通過安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)的智能CAN通信單元和現(xiàn)場(chǎng)控制總線與控制站內(nèi)的CCU建立通信；3)解析并執(zhí)行來自上位機(jī)的控制命令；4)解析并上傳來自CCU的底層監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)。

CFU安裝在調(diào)光器升壓變壓器輸出兩端，用于抑制回路中的高次諧波干擾，建立CCU、BMC的載波通信信道。

CCU安裝在燈光站內(nèi)，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)隔離變壓器接入回路，用于接收集中控制計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制和查詢指令，通過電力線載波通信方式向BMC發(fā)出查詢和控制命令，并接收BMC返回的助航燈狀態(tài)信息，經(jīng)過信號(hào)處理，再把數(shù)據(jù)上傳到集中控制計(jì)算機(jī)。

BMC安裝在前端連接在隔離變壓器和受監(jiān)控的燈具間，每個(gè)BMC都有自身的地址碼，通過接收串聯(lián)回路上傳送過來的命令字來進(jìn)行打開/關(guān)閉所控制的單燈，并將所控單燈的狀態(tài)信息上傳給CCU。

SFU安裝在前端進(jìn)近燈兩個(gè)回路物理中點(diǎn)附件，采用燈箱進(jìn)行安裝，連接于隔離變壓器次級(jí)繞組，用于消除回路電容分布參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

系統(tǒng)投運(yùn)后，各項(xiàng)功能滿足要求，達(dá)到了單燈監(jiān)控的目的。根據(jù)運(yùn)行情況，單燈監(jiān)控系統(tǒng)有如下特性，以供參考。

(1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定好后無需定期調(diào)校，在燈光回路正常工作情況下，可實(shí)現(xiàn)良好的載波通信，通信質(zhì)量好；

(2)在通信信道構(gòu)建好之后，單燈監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)只與負(fù)載大小有關(guān)；

(3)在運(yùn)行過程中，若回路負(fù)載發(fā)生變化達(dá)到一定數(shù)值后，如隔離變壓器及燈具的增加或減少超過預(yù)警數(shù)量，會(huì)引起回路電容分布參數(shù)不對(duì)稱問題，從而影響到載波通信質(zhì)量，需要根據(jù)負(fù)載情況重新調(diào)校；

(4)對(duì)單芯多股鎧裝屏蔽燈光電纜，在對(duì)地懸浮的通信信道下，電纜芯對(duì)地絕緣大小甚至包括一點(diǎn)接地均不會(huì)對(duì)通信信道產(chǎn)生任何影響。

4 結(jié)束語

目前，單燈監(jiān)控系統(tǒng)核心部件還依賴國(guó)外供應(yīng)，實(shí)施成本相對(duì)較高，現(xiàn)階段難以做到機(jī)場(chǎng)助航燈光全覆蓋。單燈監(jiān)控系統(tǒng)電力載波通信信道受負(fù)載變化影響較大，自動(dòng)參數(shù)補(bǔ)償還需進(jìn)一步研究，單燈監(jiān)控模塊集成到助航燈也是待研究的課題等。隨著“四型機(jī)場(chǎng)”、“品質(zhì)工程”建設(shè)的要求下，以數(shù)字化、智能化、智慧化為發(fā)展主線的智慧民航正催生機(jī)場(chǎng)新一輪技術(shù)革命，隨著高級(jí)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)(A-SMGCS)的快速發(fā)展，單燈監(jiān)控系統(tǒng)作為其必不可少的組成部分順應(yīng)智慧化發(fā)展方向，必將迎來更廣闊的發(fā)展前景。