無人機對機場道面與周邊區域監視的研究

文/薛睿，楊家忠

隨著民航事業的快速發展，各地新修、擴建機場的工程逐漸增多，全國機場數量與面積明顯增加。但現階段，機場跑道與周邊區域的日常巡查仍主要依靠人工來完成。傳統的人工巡道車等方式不僅耗時耗力，還有可能對機場的整體運行效率造成不同程度的影響。近年來，無人機技術與計算機視覺技術結合而成的監視技術促使無人機在超低空高效巡視道面障礙物與檢查機場邊界完整性等方面發揮出積極作用，有望取代傳統的人工巡查方式對整個機場進行監視。更重要的是，該技術不僅能保證巡查安全、提高監視效率，還有利于機場降低成本。未來，無人機還可以借助場面對比模型，對不同道面的圖像特征進行分析，以更精準地識別人工難以識別的極小或低色差障礙物。

近年來，國民經濟的增長帶動了客運量的攀升，不少城市增建或者擴建機場以滿足客運需求。由于總機場面積逐漸增加，機場整體構造更為復雜，單純依靠傳統的人工道面巡查已經難以滿足機場對巡查效率等的要求。隨著國內低空空域的逐步開放，我國通用航空事業獲得進一步發展，并一躍成為國民經濟發展的新增長點，進而促進低空飛行器在國民經濟建設、工業發展中的廣泛應用。實踐證明，無人機在監視識別、遙感測繪、節日表演等領域均表現出巨大的潛力。近年來，中國的無人機技術實現了層層突破，其制造成本明顯下降且智能化水平顯著提升，而將無人機引入機場管理體系已是大勢所趨。

一、無人機技術概述

20世紀20年代，無人機被作為軍事訓練的靶機首次投入使用。由于其具備制作成本較低、易部署、機動性強、適應惡劣環境等優點，很快被多個領域引入使用，協助完成一些原本難以完成的任務。如今，無人機的功能進一步完善，并在航拍測繪等領域得到更廣泛的應用。得益于相對成熟的電子成像技術和圖像識別技術的支持，無人機開始被應用于機場道面與周邊區域的監視。在該領域，無人機的優勢在于便捷、高效，不受地形限制，成本遠低于傳統人工巡道模式，并且能24小時全天候待命作業。機場可借助無人機對機場道面與周邊區域進行監視，并在標記可疑點后，派遣人工進行針對性處理。此舉降低了作業成本，提高了機場巡查效率，有效實現了智能機場維護道面與監視機場環境的目的。

二、無人機機場作業難點

在傳統理念下，為了避免無人機發生失控并與航空器產生碰撞，在機場管制區域內是嚴禁無人機飛行的。目前，應對此類影響飛行安全的問題時，機場通常會選擇對無人機采取管理措施，如設置無人機圍欄或者對無人機云管理系統進行線上監控等，以此避免無人機與航空器異常接近。此外，由于無人機具備造價相對較低、作業效率高等優勢，其被廣泛應用于機場道面與環境監視等方面，有效提高了機場運行與監管效率。但在具體應用過程中，機場需要注意以下幾點。首先，機場應嚴格管控無人機在機場及周邊的飛行時間，以免其與正常飛行的航空器發生碰撞，進而威脅航空器的正常運行。另外，無人機本質上依舊是由人工操控的，所以由無人機造成的不安全事件大多受人為因素的影響。現階段，無人機因體積小、重量輕，動力水平有限，因而并不能搭載過多設備，這就要求無人機機載電腦必須具備較高的集成水平，并且能夠滿足識別道面與周邊環境、獲取完整的道面圖像信息等要求。

基于此，本文提出用無人機巡查代替人工巡查具有重要作用：首先，無人機能夠提高機場的自動化水平，對于未來智能機場的建設意義深遠；其次，無人機巡查的工作效率和準確度較高，并且能夠監視到機場周圍以及人工巡查難以覆蓋的復雜地區；最后，科學使用無人機設備能夠有效增強機場的安全性和可靠性，避免道面出現異物。

三、無人機機場作業的解決對策

（1）現有航空器均配置有無線電收發器，如ADS-B、TCAS等。其中，TCAS的機載設備主要包括：一個詢問機，用于發射1030MHz詢問信號，接收1090MHz 信號；一個應答機，用于接收1030MHz信號，發射1090MHz 信號。而ADS-B OUT主要包括一個GPS接收機和一個發射機，用于發射1090MHz ADS-B信號。ADS-B IN則主要包括一個接收機，用于接收1090MHz ADS-B 信號。因此，機場可以基于信號特點，在無人機巡航設計環節設置強制性命令，以確保無人機在作業過程中遠離1030MHz與1090MHz信號。但考慮到遠離該信號的無人機同樣需要加裝無線電接收機，并且其頻率與控制無人機的無線電信號的頻率差異較大，加之無人機受到體積和重量的限制，對無人機加裝1030MHz與1090MHz接收機的處理方式在現階段仍然面臨技術瓶頸。未來，無人機技術將趨于成熟，電子集成技術有望取得進一步突破，屆時，無人機加裝對應頻率的無線電接收機后，必然將具備更多功能。

（2）由于航空器機載設備豐富、無線電收發機齊全，并且具備自主發送特定頻率信號的功能，理論上，機場可以創建無人機圍欄。無人機圍欄是指在無人機系統或者其加入的云系統中，以民航局規定的特定地理范圍邊界為依據，使航空器在地面運行過程中自主建立無人機禁區范圍，即通過技術手段來維持無人機與航空器的安全距離。

（3）無人機在運行過程中主要依靠高清攝像機實現對道面與機場周邊環境的監視。機場工作人員獲取無人機傳輸回來的高清圖片后，還需要借助機場內部的局域網對其進行計算處理。此外，由于航空器體積大、目標明顯，高清攝像機可以對航空器進行智能識別，從而有效避免額外占用無人機處理資源，實現更為嚴謹的路線規劃。

四、無人機道面與周邊區域監視要點

考慮到無人機作業環境的特殊性，在規劃更高精度的無人機飛行路徑時，技術人員可利用機場道面標示牌、道面滑行線等較為明顯的參照物，對無人機內部計算機系統進行調整。例如，在無人機執行路面檢查任務期間，借助車輛自動駕駛技術中的路線識別功能，以及無人機自帶的衛星定位導航系統，技術人員可以取得更高精度的檢查結果，同時快速規劃切實可行的飛行路線來指引飛行。技術人員也可以提前為無人機設置默認路線，無人機只需要執行該預設路線進行場面監控巡邏即可。在巡邏過程中，無人機將智能識別并避開航空器的默認路線，并對機場道面清潔情況與異物進行識別。在執行機場周邊區域的監視巡查任務時，無人機內置的衛星定位導航系統將圈定巡查路線和巡查范圍，并嚴格控制其飛行軌跡處在機場圍欄控制區域內。

除此之外，技術人員還可以使用背景差分法來進一步增強無人機的機場跑道異物檢測功能。簡單來說，該方法綜合利用了無人機機載式監視設備，在機載高清攝像頭采集道面圖像信息的基礎上，配合跑道異物監測系統，以快速獲取同一區域內的跑道背景，進而構建出完整的跑道背景圖。由于傳統的跑道檢測方法具有局限性，如果技術人員能夠基于跑道邊緣、形狀、色差、紋理等多個特征，以及跑面滑行線與邊線的色彩，對跑道道面及異物進行多特征融合的特點分析，就可以在充分發揮無人機機載高清攝像頭快速、連續采集圖像優勢的同時，有效提高無人機的平面跑道檢測水平、道面污染物及跑道道面受損辨識度。跑道異物特征分析的主要目的是快速、精準地檢測跑道污染物。在日常工作中，為了提高機場運行效率，保證航班任務的正常推進，機場通常會盡量減少對跑道不必要的占用。在傳統作業模式下，工作人員監測跑道異物的效率相對較低，跑道維修時間較長，長時間封閉跑道必然會降低機場的運行效率。而搭載了道面異物監測系統后，無人機能夠在檢測道面異物的基礎上，進一步研判危險等級，并根據對應等級提醒工作人員攜帶適合的維護設備快速對現場異物進行處理。

五、結語

綜上所述，本文就如何在機場運行的復雜環境中安全使用無人機準確識別地面目標展開分析，旨在不影響航空器和機場安全的前提下，快速對指定位置進行檢測，從而實現日常巡查效率與質量提升的目的。分析結果表明，機場區域內并不排斥無人機飛行，但其前提是機場能夠合理使用無人機。為此，機場應配合道面異物檢測系統，并對各類危險因素進行分級，以實現快速檢查機場道面和周邊環境安全的目的，有序處理無人機巡查發現的各種問題，進而推動智能機場的建設。