基于信號(hào)強(qiáng)度分析的智能民航飛機(jī)輪檔計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

姬雨初 崔欣怡 熊志浩 陳濤 葉銳

(中國民航大學(xué),天津 300300)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定快速發(fā)展,我國民航業(yè)也逐漸興起。經(jīng)過幾代民航人的不懈努力,我國民航產(chǎn)業(yè)已達(dá)到世界第二的水平,僅次于美國。而民航產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,也讓越來越多的人關(guān)注民航產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率與服務(wù)質(zhì)量。

在飛機(jī)降落后至起飛之前,需要完成一系列的保障任務(wù)節(jié)點(diǎn),并在完成必要的結(jié)點(diǎn)之后才能夠起飛。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)起降的管理,目前可憑借管理人員的經(jīng)驗(yàn)判斷還沒完成的保障業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)大概在何時(shí)完成,這種手工采集的方式存在時(shí)間不精確、效率低、出錯(cuò)率高的問題。并不適應(yīng)機(jī)場未來信息化、智能化的發(fā)展方向。作業(yè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中擋輪擋與撤輪檔時(shí)間顯得尤為重要,其原因是輪擋時(shí)間是航空器劃分空側(cè)用時(shí)與陸側(cè)用時(shí)的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn),是標(biāo)志地面保障開始與結(jié)束的時(shí)間,同時(shí)也是衡量航班是否延誤與機(jī)場放行是否正常的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于輪擋時(shí)間的計(jì)量,目前仍然使用人工進(jìn)行計(jì)量,但可見的專利與論文中,已經(jīng)有不少智能計(jì)量方法被提出。目前所能檢索到的相關(guān)專利資料中,給出的方案主要有如下幾種:(1)基于射頻技術(shù)的自動(dòng)計(jì)時(shí)輪檔;(1)基于機(jī)坪圖像識(shí)別與模式識(shí)別,通過判定航空器狀態(tài)與地服人員狀態(tài)以獲取上輪當(dāng)、撤輪檔動(dòng)作;(3)通過在輪檔上加裝壓力感器、振動(dòng)傳感器或其他類型傳感器,結(jié)合輪檔的位置狀態(tài),獲取輪檔的位置與狀態(tài)特點(diǎn),以判斷輪檔作業(yè)狀態(tài);(4)基于光柵等非可視光或低功率激光,判斷輪檔是否接近航空器輪胎,以判斷輪檔的作業(yè)狀態(tài)[1-2]。

本系統(tǒng)針對(duì)民航飛機(jī)輪擋作業(yè)狀態(tài)開展監(jiān)測方法研究,具體為結(jié)合無線傳感網(wǎng)技術(shù),提出一種基于信號(hào)強(qiáng)度分析的智能民航飛機(jī)輪檔計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在每一個(gè)機(jī)坪上設(shè)計(jì)若干個(gè)低成本檢測基站,輪擋上安裝低功耗發(fā)射器。當(dāng)輪擋在機(jī)坪存放處存放或航空器到來后放置在機(jī)輪處,檢測基站會(huì)檢測出不同的輪檔信號(hào)強(qiáng)度分布,以此分辨出飛機(jī)輪檔作業(yè)狀態(tài)。同時(shí)建立遠(yuǎn)端信息監(jiān)測與管理系統(tǒng),用于機(jī)場運(yùn)行部門進(jìn)行安全事故或隱患糾查,也可為運(yùn)行管理所涉及輪擋時(shí)間提供技術(shù)信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧輪擋采用傳統(tǒng)橡膠輪擋作為載體在其中嵌入Zigbee無限通訊模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的終端模塊,然后在停機(jī)坪設(shè)立多個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝Zigbee模塊作為接受模塊。接受模塊接收到信號(hào)后通過指定的基站上傳至云端。最后用戶可在客戶端讀云端的信息從而判斷輪擋狀態(tài)。

輪擋材料選擇考慮了環(huán)境因素導(dǎo)致性能下降和材料變質(zhì)給輪擋帶來的影響,所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智慧輪檔選用橡膠材質(zhì)。

智慧輪擋的實(shí)現(xiàn)需要借助無線通訊技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的接收,轉(zhuǎn)發(fā)至指定服務(wù)器的功能。綜合考慮之后,本系統(tǒng)選擇Zigbee技術(shù)。

本文中,并未用到Zigbee的組網(wǎng)技術(shù),而是使用期較為成熟的商業(yè)模塊和開發(fā)環(huán)境。輪檔中放置Zigbee模塊,每隔一段時(shí)間(1～2s)向外廣播自己的ID號(hào),之后便進(jìn)入休眠狀態(tài),滿足輪檔低功耗要求。檢測基站同樣適用Zigbee模塊,在接收到輪檔模塊的發(fā)射信號(hào)后,對(duì)其進(jìn)行解析并讀取信號(hào)強(qiáng)度值,在經(jīng)過RSSI換算后,得出輪檔距離其大概位置與大概分布,進(jìn)而判斷出輪檔的位置。

本系統(tǒng)考慮了利用RSSI測距技術(shù)和基于此技術(shù)的定位算法進(jìn)行對(duì)輪擋的定位,實(shí)際應(yīng)用中受多徑、陰影等噪聲干擾影響,誤差較大,影響定位精度。因此在測得數(shù)據(jù)后,采用最小二乘法估計(jì)法來減小其誤差。Zigbee模塊在信號(hào)傳輸時(shí)其RSSI值隨兩模塊之間的距離變化而不斷變化。我們可以在接收模塊讀取出其RSSI值來判斷終端模塊的位置變化。當(dāng)所接收到的RSSI值為設(shè)定好的范圍時(shí)便視為工作狀態(tài),并開始計(jì)時(shí)。撤出輪擋時(shí),RSSI值不在設(shè)定好的范圍內(nèi)則工作狀態(tài)結(jié)束并結(jié)束計(jì)時(shí)。

圖1 航空器停泊前后輪檔放置狀態(tài)Fig.1 Wheel chock placement before and after aircraft berthing

本系統(tǒng)借助4G DTU設(shè)備,將傳感器采集到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至基站,再上傳至云端,從而使客戶端可以通過指定的IP獲得輪擋的數(shù)據(jù)。

4G DTU是一種廣泛用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備,支持TCP和UDP兩種報(bào)文格式,多SOCKET接口。本系統(tǒng)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝至TCP報(bào)文中,通過4G DTU設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),在客戶端進(jìn)行報(bào)文的解析,從指定位置獲得數(shù)據(jù)。

借助4G DTU設(shè)備與公共網(wǎng)絡(luò)互連,以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和檢測終端的通信,其優(yōu)勢在于實(shí)驗(yàn)方便、測試較為靈活,不受基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)搭建條件的限制,且實(shí)現(xiàn)成本較低。然而,借助公共網(wǎng)絡(luò)也存在安全性與穩(wěn)定性兩方面的問題。安全性方面,機(jī)場輪檔數(shù)據(jù)為運(yùn)行敏感數(shù)據(jù),具有一定的機(jī)場運(yùn)行管理與經(jīng)濟(jì)價(jià)值,使用公共網(wǎng)絡(luò)傳輸有被竊取篡改的風(fēng)險(xiǎn),因此需要建立訪問認(rèn)證、防火墻與加密操作。穩(wěn)定性方面,公共網(wǎng)絡(luò)受旅客數(shù)量、基站吞吐量等客觀環(huán)境影響,尤其是機(jī)場客流量較大時(shí),旅客手機(jī)會(huì)占用大量公共網(wǎng)絡(luò)資源,造成數(shù)據(jù)延時(shí)或丟包。對(duì)于已建有千兆生產(chǎn)網(wǎng),自身可提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)場,也可借助其基礎(chǔ)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和檢測終端的連接,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。

2 輪擋狀態(tài)判別算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

航空器駛?cè)霗C(jī)位前后,輪檔的放置狀態(tài)分別如圖1(a)和圖1(b)所示。圖中,以C類航空器為例,根據(jù)機(jī)務(wù)保障要求,其機(jī)坪停泊狀態(tài)下共需要6個(gè)輪檔。圖中圓圈表示本文所設(shè)計(jì)的具有WSN信號(hào)發(fā)射功能的輪檔,當(dāng)輪檔未放置時(shí),通常其處于機(jī)坪左上角的輪檔堆放區(qū)(如圖1(a)所示)。當(dāng)輪檔放置后,6個(gè)輪檔分別位于鼻輪前后,左主輪前后、右主輪前后。

輪擋未放置時(shí),由Zigbee路由器放在飛機(jī)停放地面的四角組成一個(gè)包圍盒;此時(shí)輪擋未在指定放置位置且處于包圍盒內(nèi)時(shí)或輪擋處于包圍盒外時(shí),利用信號(hào)傳播接收強(qiáng)度以及信號(hào)在輪擋內(nèi)的協(xié)調(diào)器和四周路由器之間的傳播損耗算出輪擋與路由器的距離,然后將四周路由器的距離數(shù)據(jù)總和,利用包圍盒算法確定輪擋未處在要擋的位置或未觸發(fā)機(jī)械開關(guān),此時(shí)識(shí)別到輪擋狀態(tài)為未工作,路由器停止向終端發(fā)送信息。

輪擋已放置時(shí),此時(shí)輪擋放在指定放置位置時(shí),利用利用信號(hào)傳播接收強(qiáng)度以及信號(hào)在輪擋內(nèi)的協(xié)調(diào)器和四周路由器之間的傳播損耗算出輪擋與路由器的距離,然后將四周路由器的距離數(shù)據(jù)總和,利用包圍盒算法確定輪擋處在要擋的位置且觸發(fā)機(jī)械開關(guān),此時(shí)識(shí)別到輪擋狀態(tài)為工作,路由器向終端發(fā)送飛機(jī)停機(jī)時(shí)間等信息。

與此同時(shí),輪檔在不同位置時(shí),機(jī)坪四周四個(gè)檢測基站,也會(huì)檢測到不同的輪檔節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度分布,綜合即可判斷出輪檔是否放置。

下面對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度的輪檔放置狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。輪檔中放置的發(fā)射模塊與檢測基站均使用CC2530模塊。

無線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系可以用式(1)表示,PR是無線信號(hào)的接收功率,PT是無線信號(hào)的發(fā)射功率,r是收發(fā)單元之間的距離,n傳播因子,數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境。

在公式(1)兩邊取對(duì)數(shù)可得到式(2),

節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率是已知的,將發(fā)送功率代入式(2)中可得式(3),

式(3)的左半部分10lgPR是接收信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達(dá)式,可以直接寫成式(4),在式(4)中A可以看作信號(hào)傳輸1m遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率。

由式(4)中可以得到常數(shù)A和n的數(shù)值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系,分析這兩個(gè)常數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸距離的影響。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,使用matlab利用已知發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)強(qiáng)度,計(jì)算在傳輸過程的損耗,使用信號(hào)模型將損耗轉(zhuǎn)化為待定位目標(biāo)與已知節(jié)點(diǎn)之間的距離。

Matlab仿真結(jié)果表明,輪檔未放置時(shí),機(jī)坪上方兩個(gè)檢測基站,尤其是左側(cè)檢測基站檢測到輪檔信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng),而下方兩個(gè)檢測基站檢測輪檔信號(hào)強(qiáng)度較弱。當(dāng)輪檔放置后,下方兩個(gè)檢測基站能檢測出有4個(gè)輪檔的信號(hào)強(qiáng)度有所增強(qiáng)。利用輪檔不同狀態(tài)下的信號(hào)強(qiáng)度分布,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪檔不同狀態(tài)的判斷。

實(shí)際測試環(huán)境下,由于航空器為巨大導(dǎo)電體,輪檔與檢測終端之間的無線傳輸一定程度上收到航空器的阻礙,檢測終端收到的輪檔RSSI數(shù)值與理論值存在一定的誤差。但由于輪檔在未放置與放置狀態(tài)下存在較大的位置差,因此兩種情況下4個(gè)檢測裝置接收到的輪檔RSSI值差異明顯,可以作為上下輪檔狀態(tài)的檢測標(biāo)志。

3 結(jié)語

本文針對(duì)機(jī)場航空器作業(yè)保障的特征以及實(shí)施可行性的問題,提出了一種基于RSSI測距技術(shù)和Zigbee通訊技術(shù)的智慧輪擋計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。本系統(tǒng)在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、編程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、智能控制等方面進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)民航運(yùn)輸中存在的輪擋置撤行為失當(dāng)、信息管理調(diào)配失序、人員倦怠作業(yè)疏漏的問題,研究輪擋作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測方法,設(shè)計(jì)構(gòu)造監(jiān)測系統(tǒng),開展作業(yè)狀態(tài)分類與識(shí)別及系統(tǒng)低能耗運(yùn)行方法研究,為智能輪檔的實(shí)施提供理論研究基礎(chǔ)。