基于大數(shù)據(jù)的雷電預(yù)警系統(tǒng)在智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的前沿應(yīng)用

□ 海口美蘭國際機(jī)場(chǎng) 郭知靜 吉 巖 周建濤 劉昌財(cái)/文

雷電對(duì)民航業(yè)來說是一種高危害性天氣現(xiàn)象，它是發(fā)生于大氣中的一種瞬態(tài)電流，具有高電壓、強(qiáng)電磁輻射特點(diǎn)的天氣現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)，云中電荷就會(huì)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(jīng)受的能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)被擊穿的現(xiàn)象，這就出現(xiàn)閃電。由于機(jī)場(chǎng)地理環(huán)境開闊，航空器、地面設(shè)備及人員傷害概率遠(yuǎn)高于一般區(qū)域，加之航空器進(jìn)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(duì)航空器飛行的影響，提升航班放行效率，確保機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行，是機(jī)場(chǎng)管理機(jī)構(gòu)在探索建設(shè)智慧機(jī)場(chǎng)中的重要研究方向之一。

雷電防護(hù)的行業(yè)現(xiàn)狀

由美國聯(lián)邦航空局（FAA）贊助的機(jī)場(chǎng)合作研究計(jì)劃小組提出，云對(duì)地閃電對(duì)于機(jī)坪保障作業(yè)人員具有極強(qiáng)的危險(xiǎn)性，如行李搬運(yùn)人員、航油加注人員、航食工作人員、機(jī)務(wù)人員等。該小組特別指出，當(dāng)云對(duì)地閃電對(duì)機(jī)坪作業(yè)人員危害存在的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)采取暫停措施直到確保恢復(fù)至安全狀態(tài)。我國《民用航空器維修地面安全》（MH/T 3011.7-2006）指出“機(jī)場(chǎng)上空有沙暴、大雨，視區(qū)范圍8 k m上空有雷電時(shí)，不應(yīng)加油”。一方面，由于暫停機(jī)坪作業(yè)會(huì)顯著影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)作效率，包括飛行區(qū)、航站區(qū)、地面交通以及空域的運(yùn)行能力。因此，航空公司、空管和機(jī)場(chǎng)方面都十分關(guān)注雷電的潛在危害；另一方面，基于不同的運(yùn)行需要和保障側(cè)重點(diǎn)，加之各方對(duì)雷電危害的認(rèn)識(shí)程度存在差異，往往在識(shí)別和應(yīng)對(duì)雷電潛在危害時(shí)所采用的程序與標(biāo)準(zhǔn)不一致。

雷電防護(hù)目前存在的問題

（一）過于依賴被動(dòng)防護(hù)

目前機(jī)場(chǎng)業(yè)對(duì)雷電的防御主要集中于被動(dòng)防護(hù)（接閃、避雷、浪涌保護(hù)等手段）層面。為防止雷閃直接擊在建筑物、電氣網(wǎng)絡(luò)或電氣裝置上，通常采用防護(hù)裝置（如避雷針）影響雷電先導(dǎo)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(shí)產(chǎn)生的巨大電流，保護(hù)建筑物和電氣裝置本身不受雷電損害。這種被動(dòng)防御方式能夠有效保護(hù)建筑物和設(shè)備免遭雷電破壞，但是未能有效涵蓋人身防護(hù)、便攜式設(shè)備防護(hù)和航班運(yùn)行保障等方面。

（二）雷電預(yù)測(cè)精度不高

在實(shí)踐中，民航對(duì)雷暴觀測(cè)多依賴于多普勒氣象雷達(dá)。它基于熱帶大氣云團(tuán)向東或向西作高速運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生雷電現(xiàn)象這一原理，觀測(cè)一定區(qū)域內(nèi)大氣團(tuán)或強(qiáng)對(duì)流天氣，從而預(yù)測(cè)雷暴的產(chǎn)生。因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)的大氣團(tuán)和強(qiáng)對(duì)流天氣并不必然產(chǎn)生雷電，這就導(dǎo)致了基于氣象雷達(dá)的雷電預(yù)報(bào)不能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)發(fā)生時(shí)間，也無法得到雷電的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)停工時(shí)間大大延長，運(yùn)行效率降低。部分機(jī)場(chǎng)雖然使用閃電定位儀或電場(chǎng)儀進(jìn)行雷電預(yù)測(cè)，通過實(shí)際測(cè)量雷擊落點(diǎn)，以落點(diǎn)距離作為分級(jí)預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)，但難于應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)多變的復(fù)雜雷電態(tài)勢(shì)，并不能利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和計(jì)算演變規(guī)律以及獲得運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，預(yù)留的安全時(shí)間窗口也不夠，使得機(jī)場(chǎng)無法有效啟動(dòng)預(yù)警。

（三）氣象預(yù)警系統(tǒng)集成性差

智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)步伐日益加速，機(jī)場(chǎng)在信息化建設(shè)過程中,多數(shù)信息系統(tǒng)為“應(yīng)急式”建設(shè)，系統(tǒng)各自處于獨(dú)立狀態(tài)。各部門一般根據(jù)自身需求提出設(shè)計(jì)要求，往往只解決了當(dāng)下的問題，沒有考慮到后續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的問題，導(dǎo)致了信息孤島的出現(xiàn)，同時(shí)也不利于統(tǒng)一管理。同樣，目前民航廣泛采用的基于雷達(dá)探測(cè)的氣象預(yù)警作為單獨(dú)模塊獨(dú)立運(yùn)行，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和完整的信息化建設(shè)策略，沒有依托全方位集成的管理信息平臺(tái)，信息資源的利用也遠(yuǎn)沒達(dá)到精細(xì)化層面，同時(shí)也缺乏共享機(jī)制。

雷電預(yù)警系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)的前沿應(yīng)用

（一）雷電預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用原則

機(jī)場(chǎng)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(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)和應(yīng)用。機(jī)場(chǎng)在進(jìn)行信息化建設(shè)的過程中，應(yīng)以航班保障作業(yè)流程為導(dǎo)向建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)資源進(jìn)行集中、整合、共享及分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫集成及管理流程的標(biāo)準(zhǔn)化，以數(shù)據(jù)集成為核心，最終建立機(jī)場(chǎng)級(jí)的管理信息數(shù)據(jù)平臺(tái)，提供決策支撐。由此而來，雷電預(yù)警系統(tǒng)在應(yīng)用過程中要更加注重與機(jī)場(chǎng)運(yùn)行信息的融合，應(yīng)確保與各應(yīng)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(fù)建設(shè)和信息覆蓋范圍過窄、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)不一致等問題，提升數(shù)據(jù)共享的效率。

（二）雷電預(yù)警集成應(yīng)用的方向

1.與機(jī)場(chǎng)運(yùn)行信息系統(tǒng)融合

為了提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，提高航班放行正常率，減少航班延誤，利用大數(shù)據(jù)和集成平臺(tái)將機(jī)場(chǎng)事前審批的現(xiàn)狀變?yōu)槭虑邦A(yù)測(cè)、事中監(jiān)控、事后分析的模式勢(shì)在必行。根據(jù)民航局《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)航班正常工作的通知》（局發(fā)明電〔2017〕1774號(hào)）和《關(guān)于進(jìn)一步統(tǒng)籌推進(jìn)機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策（A-CDM）建設(shè)的通知》（局發(fā)明電〔2017〕2412號(hào))的要求，各機(jī)場(chǎng)應(yīng)于2019年底前完成A-CDM系統(tǒng)建設(shè)。A-CDM是以機(jī)場(chǎng)為中心，通過航空公司、空管、地面保障單位等各個(gè)運(yùn)營方面資源調(diào)配和數(shù)據(jù)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(wù)，實(shí)時(shí)掌控航班運(yùn)行動(dòng)態(tài)，進(jìn)而提高機(jī)場(chǎng)總體運(yùn)行效率和服務(wù)品質(zhì)。A-CDM系統(tǒng)作為民航局大力推廣的信息共享平臺(tái)，雷電預(yù)警信息與其集成融合，將使得雷電預(yù)警信息得到最大范圍的傳遞和應(yīng)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(quán)限由空中交通管制部門整體決策把握，部分機(jī)場(chǎng)的機(jī)坪塔臺(tái)由機(jī)場(chǎng)方面獨(dú)立運(yùn)行以后，機(jī)場(chǎng)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(shí)機(jī)。機(jī)場(chǎng)方面屬于被動(dòng)地、即時(shí)性獲取航班放行序列，對(duì)未來一定時(shí)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(chǎn)生流量控制的情況下，機(jī)場(chǎng)方面不能有效獲取預(yù)警信息，對(duì)旅客服務(wù)和航班地面保障帶來被動(dòng)。未來，雷電預(yù)警系統(tǒng)將覆蓋進(jìn)離場(chǎng)航路圖，融合氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息，包含云低高度、跑道視程、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，為航班起降安全保障提供決策支持的同時(shí)，還能協(xié)助機(jī)場(chǎng)指揮中心和機(jī)坪塔臺(tái)管制人員提前了解機(jī)場(chǎng)起降航路的氣象狀態(tài)及演變趨勢(shì)，并據(jù)此合理安排旅客服務(wù)和航班保障工作。

3.為員工職業(yè)健康提供保護(hù)

2018年3月12日，全新職業(yè)健康安全管理體系國際標(biāo)準(zhǔn)ISO45001正式發(fā)布，標(biāo)志著對(duì)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(shù)和工傷事故隨之增加。2013年8月11日，在北京首都國際機(jī)場(chǎng)公務(wù)機(jī)機(jī)坪626號(hào)機(jī)位，一名男性機(jī)坪保潔員在作業(yè)過程中被雷擊中死亡。機(jī)場(chǎng)目擊者稱，事發(fā)時(shí)未下雨，經(jīng)過一個(gè)響雷后該保潔員便倒下了，該事件引起了民航廣泛關(guān)注。黨的十八大以來，黨中央國務(wù)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(huì)的重要內(nèi)容，而雷電預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠根據(jù)雷電發(fā)展態(tài)勢(shì)提前進(jìn)行預(yù)警，有效把握作業(yè)人員撤離和返回工作的安全時(shí)間，最大限度為機(jī)坪作業(yè)人員提供人身保護(hù)。

（三）基于智能算法的雷電預(yù)警系統(tǒng)介紹

基于智能算法的雷電預(yù)警系統(tǒng)是指利用海量的雷電大數(shù)據(jù)（定位/電場(chǎng)/氣象），通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立短時(shí)預(yù)報(bào)/臨近預(yù)警模型，并提前發(fā)布預(yù)警信息輔助機(jī)場(chǎng)運(yùn)行決策的系統(tǒng)（如圖1所示）。它集中了機(jī)場(chǎng)和周邊進(jìn)離場(chǎng)航線上雷暴預(yù)測(cè)情況，同時(shí)反映了影響航班起降的云低高度、跑道視程、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象信息。相較于傳統(tǒng)雷達(dá)預(yù)測(cè)，其氣象信息更加全面、精準(zhǔn)度大幅提升，特別是能充分體現(xiàn)雷電局地特征，而且模型的預(yù)測(cè)性能隨著數(shù)據(jù)積累不斷進(jìn)化。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式來看，我國科研機(jī)構(gòu)通過精確測(cè)量雷暴放電產(chǎn)生的VLF/LF電磁脈沖到達(dá)時(shí)間，并基于網(wǎng)絡(luò)通訊和多站TOA時(shí)間差定位原理，研制的高精度雷暴云地回?fù)簟⒃苾?nèi)閃擊三維定位探測(cè)系統(tǒng)（LLS），在毫秒級(jí)別對(duì)雷擊進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)。而大氣電場(chǎng)儀能夠較為準(zhǔn)確的感知5～10公里近距離電場(chǎng)的變化，通過這兩種探測(cè)方式結(jié)合獲取數(shù)據(jù)源，依托智能算法就能夠精確的預(yù)報(bào)雷電發(fā)生的位置、高度、時(shí)間、類型以及運(yùn)行趨勢(shì)，為雷電的預(yù)警、信息傳遞、防護(hù)以及機(jī)場(chǎng)恢復(fù)生產(chǎn)運(yùn)行提供有效指引。

（四）雷電預(yù)警系統(tǒng)集成的應(yīng)用案例

1.香港機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警系統(tǒng)案例

香港機(jī)場(chǎng)主要采用“機(jī)場(chǎng)雷暴與閃電預(yù)警系統(tǒng)”預(yù)測(cè)雷電，該系統(tǒng)可覆蓋香港國際機(jī)場(chǎng)，雷達(dá)覆蓋范圍可達(dá)200公里。香港天文臺(tái)的“機(jī)場(chǎng)雷暴和閃電預(yù)警系統(tǒng)”融合了雷達(dá)、閃電定位儀，為香港機(jī)場(chǎng)專門設(shè)計(jì)，可自動(dòng)在機(jī)坪內(nèi)發(fā)出紅色、黃色閃電告警，雷電捕捉率達(dá)90%以上。黃色警報(bào)時(shí)，機(jī)場(chǎng)中心半徑五公里范圍內(nèi)，觀測(cè)或預(yù)測(cè)有雷電發(fā)生。此時(shí)，停機(jī)坪上所有存在作業(yè)危險(xiǎn)的非必要活動(dòng)都會(huì)暫時(shí)停止。紅色警報(bào)時(shí)，機(jī)場(chǎng)島向外延伸一公里范圍內(nèi)預(yù)測(cè)有雷電發(fā)生。此時(shí)，停機(jī)坪上所有工作人員應(yīng)立即采取防護(hù)措施并前往安全區(qū)域躲避，同時(shí)也要暫停遠(yuǎn)機(jī)位上下旅客。

當(dāng)雷雨天氣時(shí)，香港天文臺(tái)將雷電信息發(fā)送給香港機(jī)場(chǎng)管理局，由香港機(jī)場(chǎng)管理局根據(jù)民航業(yè)特點(diǎn)對(duì)雷電信息進(jìn)行研判，并將信息發(fā)送至機(jī)場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)。香港機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警數(shù)據(jù)來源于氣象系統(tǒng)，避免了機(jī)場(chǎng)獨(dú)立建設(shè)雷電預(yù)警基礎(chǔ)設(shè)施給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)壓力。其雷電預(yù)警發(fā)布途徑包括：自動(dòng)話音信息、多線傳真、警示鈴，警示燈等，使雷電預(yù)警信息能夠以最快的速度傳遞至機(jī)坪保障作業(yè)人員。

2.海口美蘭機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警應(yīng)用案例

美蘭機(jī)場(chǎng)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(qiáng)對(duì)流天氣經(jīng)常發(fā)生且程度激烈，容易成災(zāi)。海南島是我國閃電活動(dòng)最頻繁的地區(qū)，多數(shù)市縣年均雷暴日數(shù)在100天以上，雷暴日持續(xù)的時(shí)間之長堪稱全國之首。根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2018全年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，美蘭機(jī)場(chǎng)周邊50 KM內(nèi)共發(fā)生雷電12.3萬次，周邊10 KM內(nèi)發(fā)生5056次，嚴(yán)重影響飛行器操作安全；機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)落雷63次（如圖2所示），嚴(yán)重影響機(jī)坪作業(yè)安全。

雷電的發(fā)生通常是聚集成團(tuán)，有明顯的雷暴中心，并隨著時(shí)間的推移向相鄰空間發(fā)展，具有典型的時(shí)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(jī)場(chǎng)利用電場(chǎng)、閃電定位等信息，并結(jié)合機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建了機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警模型（數(shù)據(jù)流程如圖3）解決了此問題。該模型采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（D N N）中的卷積神經(jīng)長期短期記憶網(wǎng)絡(luò)（簡稱：CNN-LSTM），通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）層結(jié)合LSTM架構(gòu)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，以支持序列預(yù)測(cè)。

圖3：雷電預(yù)警模型數(shù)據(jù)流向圖

集成了雷電預(yù)警模型輸出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象雷達(dá)輸出的影響航班放行的重要?dú)庀髷?shù)據(jù)的機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)），對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行提供整體決策依據(jù)。A-CDM系統(tǒng)用可視化的方法將雷電實(shí)時(shí)運(yùn)移、趨勢(shì)信息和其它氣象信息等集成在分級(jí)預(yù)警畫面上，決策人員根據(jù)這些綜合信息并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的緊迫性，決定是否采用分級(jí)預(yù)警結(jié)論。各級(jí)別的設(shè)計(jì)目的及劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

表1：各級(jí)別的設(shè)計(jì)目的及劃分標(biāo)準(zhǔn)

美蘭機(jī)場(chǎng)雷電預(yù)警系統(tǒng)集成于機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的應(yīng)用，一是實(shí)現(xiàn)雷電預(yù)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(jìn)程提供有效預(yù)警信息。二是有利于促進(jìn)地面運(yùn)行高效化，雷電預(yù)警信息和其它氣象信息的引入是完善機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的必要條件。三是實(shí)現(xiàn)航班放行一體化，空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司和各運(yùn)行保障單位之間數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享，打通信息壁壘，合理利用雷電“安全時(shí)間窗口”，實(shí)現(xiàn)“安全—效益”的最優(yōu)目標(biāo)。四是促進(jìn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用往前邁步，機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）的建設(shè)不應(yīng)僅局限于傳統(tǒng)意義的基礎(chǔ)內(nèi)容，更應(yīng)該作為民航信息化建設(shè)的先驅(qū)者，雷電預(yù)警和氣象信息的融入將用于氣象大數(shù)據(jù)在民航領(lǐng)域應(yīng)用。

結(jié)束語：

當(dāng)前，在國家氣象預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相當(dāng)完善，在VAISALA氣象系統(tǒng)、雷電公共云平臺(tái)運(yùn)行高效穩(wěn)定的情況下，機(jī)場(chǎng)運(yùn)營管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)有條件獲取準(zhǔn)確、及時(shí)、專業(yè)的氣象信息，將這些信息和數(shù)據(jù)與機(jī)場(chǎng)運(yùn)行信息集成融合，借助民航業(yè)目前大力推廣的機(jī)場(chǎng)協(xié)同決策系統(tǒng)（A-CDM系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)集成。在建設(shè)規(guī)劃上，消除了民航業(yè)信息化建設(shè)過程中出現(xiàn)的缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、單獨(dú)模塊運(yùn)行、信息散亂等弊病。在技術(shù)應(yīng)用上，不僅能夠?yàn)闄C(jī)場(chǎng)作業(yè)人員提供職業(yè)健康保護(hù)，避免雷擊悲劇的發(fā)生，還能實(shí)現(xiàn)雷電等氣象信息與航班保障、航班起降的全流程關(guān)聯(lián)，合理利用安全時(shí)間窗口，提高運(yùn)行保障能力。