麗江機場導航設備數據自動收集與分析

吳同

（云南機場集團有限責任公司麗江機場 云南省麗江市 674100）

機場地面無線電導航設備（以下簡稱導航設備）是在地面設置地面無線電設備引導航空器飛離或進入預定航線，引導航空器安全著陸，確定空中飛行的航空器位置、航向和時間的一系列設備。根據中國民航局下發的《民用航空通信導航監視運行保障與維護維修規程》要求，導航設備是否正常運行可以直接影響空中交通管制運行方式，導航設備年度運行正常率需要達到99.97%以上，因此需要地面導航設備維護人員對導航設備參數變化極為敏感，定期對導航設備進行維護，記錄和分析導航設備的參數，以確保導航設備正常運行。在以往的工作中，這些導航設備參數均是通過人工測量和統計，使用紙筆進行記錄，存在統計和分析不準確、記錄不方便查找等人為因素。并且隨著麗江機場空中管制區域的不斷擴大，航路導航設備越來越多，并且導航設備大多布局在航路的山頂，需要派遣專業人員到設備本地進行參數記錄，增加了設備記錄和查詢的難度。而且導航設備均是通過無線電技術往空中發射信號，設備參數的緩慢變化不容易被發現和監測到，因此麗江機場開發一套導航設備數據集中分析系統，實現麗江機場導航設備參數自動收集和存儲，對設備參數進行統計和分析，監測設備數據變化情況，解決設備生命周期內參數統計分析困難的問題，實現降低設備運行維護成本和運行風險的目標。

1 儀表著陸系統參數收集分析

麗江機場目前有2 套儀表著陸系統，每套系統由1臺航向信標設備和1 臺下滑信標設備組成，一共4 臺設備，設備型號均為NM7000B，主要由發射機系統、天線系統、監視和控制系統、電源系統、遙控和狀態顯示系統組成。由發射系統產生需要的信號輸送到天線系統產生兩個單音幅度調制的合成場型，在航空器的系統中解調后對比兩個單音頻調制度差，航向信標設備場型應產生一個航道扇區，給正在著陸過程中的航空器提供水平方向對跑道引導信息，下滑信標設備場型在包含跑道中心線的垂直面內提供一條下滑道，給正在著陸過程中的航空器提供垂直方向逐漸降落到跑道引導信息。為確保設備每個系統的各個板件都正常工作，NM7000B 設備在每個板件和天線上都設置了很多數據采集點，通過監控板件采集到的數據來顯示設備是否正常。所有采集到的數據實時匯總存儲在RMS（遠程監控系統）板件中，可以通過專NM7000B 專用軟件進行本地或遠程訪問。

采集NM7000B 數據有兩種方式：

（1）通過儀表著陸設備接口板遠程訪問RMS 板塊獲取數據，優點是可以實時獲取數據，得到設備實時運行狀態，缺點是經過測試遠程取得的數據有加密，需要逐幀進行分析，難度較大，還可能影響到設備正常運行；

（2）利用NM7000B 自帶的專用軟件功能，從軟件中可以獲得一個臨時網頁，里面包括設備當時監控數據和所有設置數據，通過保存這個臨時網頁就可以獲取設備數據，優點是不影響設備運行、獲取簡單，缺點是不能實時得到監控數據，綜合考慮后采用此方式采集儀表著陸設備數據。

分析NM7000B 臨時網頁數據，每個網頁大小為34KB，在獲取后需要在另外位置進行保存，否則下次生成時會覆蓋這個臨時文件。在標題1 中包含數據保存時間信息，然后在接下來的兩個表格中包含有設備名稱、版本型號、設備運行狀態等信息。在第3 個表格中含有監控器1 和監控器2 測量和監測到的32 個參數信息，在日常維護中我們只需要關注其中的13 個參數。兩個監控器獨立運行，且無論主備機那一臺運行，兩個監控器都是同時運行，因此需要同時采集兩臺監控器的參數。第4 個表格中含有設備延遲參數，此參數設置后一般不進行變更。第5 個表格主要包含維護參數和門限值。維護參數主要是每塊板件在運行時電壓、電流、功率等信息，會隨設備開啟和關閉變化。門限值是針對監控器測量參數和維護參數設定的門限值，超過門限值后會設備會告警，使設備不能正常使用，因此可以將對應的門限和參數進行相關顯示，以更好的判別設備參數是否正常。第6 個表格是低頻信號產生板配置參數，第7 個表格是功率放大板的配置參數，這兩個設置參數會影響空中無線電信號，一般只在飛行校驗中才進行調整。

2 全向信標和測距儀參數分析

在航路航線上麗江機場主要使用DVOR（多普勒甚高頻全向信標） VRB-53D 型設備（以下簡稱VOR 53D）和DME（測距儀） LDB-103 型設備（以下簡稱DME 103）作為區域導航設備。VOR 53D 是工作在甚高頻波段提供給航空器相對于此設備磁方位信息的導航設備，DME 103 是工作于超高頻波段通過接收和發送無線電脈沖對提供給航空器與該設備斜距的導航設備，從而引導空中的航空器飛行到正確的位置。這兩個型號的設備主要由發射機系統、天線系統、監視和控制系統、電源系統、遙控和狀態顯示系統組成，DME 103 因為需要接收轉發因此還有應答系統和詢問測試系統。為確保設備運行正常，在每個系統的板件和天線上都設置了很多數據采集點，采集到每個點的數據后，匯總存儲在CMU（控制和監控單元）板件?？梢栽谠O備本身屏幕上進行查看和操作，也可以使用外接終端配置好網絡設置后接入到網絡管理處理單元，通過瀏覽器輸入設備訪問地址，在輸入用戶名和密碼即后訪問到CMU 的數據?？梢栽贑MU 板件中設置用戶的權限。設備可以配置5個級別的權限，最低級別的兩個權限只能查看設備參數而不能操作設備，而高級別的權限不僅能查看設備參數還可以操作設備和改變設備設置參數。因此可以設置最低級別的權限用戶來訪問CMU 獲取數據，避免影響設備正常運行。在CMU 中可以生成當前配置和運行參數的報告，每個報告大小為134KB，報告格式為CVS（逗號分隔值），以逗號分割為5 列，第一列為參數名，第二列為板件名，第三列是改否可寫入，第四列是參數值，第五列為數值的單位。第一列參數名中許多重復的名稱需要結合第二列板件名才能唯一確定為某個參數。通過第三列可以判斷是否為運行時測量的參數還是設置參數。VOR 53D 設備報告中一共有個1806 個參數，其中有可量化數值的有701 個，包括各個模塊的電壓值、調制度、功率、設置的門限等參數，根據板件模塊可以分為17 類，剩下的參數中只需要記錄識別碼、當前設備運行狀態和當前主用的設備即可，其他的參數主要是各個模塊的是否告警信息，只需要在存入時做一致性檢查即可。DME 103 設備共有1617 個參數，其中可量化數值的共911 個，包括模塊電壓、監控值、發射功率、門限等信息，根據板件模塊可以分為13 類，其余的參數中需要記錄運行狀態、當前使用設備和識別碼。需要注意的是LDB-103 設備可以配置4 塊MTU（監控應答單元），在設備中分別標記為MTU1 至4，實際中運行中只配置了兩塊MTU1 和MTU4，但在參數報告中保留了MTU2 和MTU3 的數值行，因此顯示MTU2 和MTU3的行均為無效值。

3 導航設備數據自動收集分析系統架構

采集到每個設備的數據后，需要將數據進行集中存儲。導航設備在設計制造時就要求比較高的穩定性和可靠性，并且通過人工記錄的歷史數據分析，導航設備運行參數在正常情況下短期內的變化較小或沒有變化，因此每個設備只需要采集每天早中晚三個時段的數據。6個設備每天的數據量約為1MB 左右，一般導航設備使用年限為15-20年，因此需要10GB 以上存儲空間。采集到的數據是文件形式存儲的且比較雜亂，不利于數據的檢索和分析，因此需經過數據清洗、整理分類后進行存儲?？紤]數據存儲和調用的便利性，選擇使用數據庫進行存儲，并且項目數據量不大，每個設備的數據相互獨立，使用開源免費的數據庫較為合適。數據收集后集中于一個服務器，可以供多個用戶進行查看，并且為了減少系統軟件兼容性等問題，因此選擇瀏覽器／服務器模式，方便用戶查看。為了保障記錄的時間的準確性需要引入精確的GPS（全球定位系統）的時鐘信號，同時為了對比設備現場運行情況，需要將設備視頻監控引入作為對比。系統整體硬件架構如圖1所示。所有設備通過交換機連接到服務器。

圖1：系統硬件架構示意圖

數據采集在導航設備監控端完成，由監控端按照時間計劃運行腳本文件，自動在設備監控終端采集設備數據文件。服務器按計劃時間遠程收集數據文件，上傳到服務器，根據文件名和時間判斷是否為重復文件，并根據設備名稱對文件進行分類存儲。如果是新的數據文件則對其中的數據進行清洗，挑選出需要存儲的數據，在對數據進行格式轉換為適合數據庫存儲的數據格式，根據數據序列一一存入到數據庫。在服務器上部署Springboot 及其相關代碼，配置好網絡設置，讓用戶可以通過瀏覽器向服務器發起需要查看設備參數的請求，提交要查看的設備名稱、參數名稱和查詢的時間段到服務器，服務器收到請求后將對應的參數數值返回給用戶。

為了更直觀的展示設備數據，反映設備數據變化情況，便于用戶統計分析，因此在用戶頁面使用圖表的形式展現數據，如圖2所示。每個圖表中有這段時間內設備參數的變化折線圖、最大值、最小值以及此參數對應時間的數值和上下門限值。通過每個參數在每段時間的數值折線圖，導航設備維護人員可以掌握參數變化情況、了解參數統計值、分析導航設備老化情況、是否需要對參數進行調整、門限設置是否合理等等。在上線運行一年后每個設備都收集到上千條有效數據，而對比人工抄錄的維護記錄表每個設備每年僅50 多條數據，數據不完整。

圖2：系統參數顯示頁面示意圖

4 數據分析結論

在導航設備數據集中收集與分析系統上線運行后，我們對采集到的各個設備數據進行分析了，我們也得到了一些很有意義的結論：

（1）很多參數門限設置不合理性。在以往維護中，設備參數的門限值和設備實時參數值是分開進行記錄，并沒有將兩者進行對比，而且由于記錄參數較少、沒有進行統計分析，無法知道設備正常運行時參數運行的最大值、最小值是、平均值多少，從而無法判斷門限是否設置合理。如果門限設置過大則導致設備參數異常時沒有出現告警，門限值設置過低則導致在參數正常范圍內運行時導致告警而關機，都可能引起空中的航空器接收到異常信號。在導航設備數據集中收集與分析系統上線后，就可以清晰的看到每個參數長期運行的情況。NM7000B的4臺設備大多參數運行平穩，很少發生跳變，但是許多參數的門限值設置過高，因此可以將此設備的門限值適當縮小。在以往會遇到VOR 53D 設備因為監控方位值告警而切換到備用設備，給機場運行帶來一定的隱患，而再將原設備開機后方位值又恢復正常，設備也可以正常運行，由于在人工抄錄參數時沒有告警前的參數記錄對比，一直沒有解決此隱患，而在導航設備數據集中分析系統上線后，我們可以觀察到方位值總體運行平穩的，設備運行應該是正常的，只是偶爾會有一個跳變，但很快就能恢復正常，因此只需要將門限值略微增大，避免在跳變時換機即可解決此隱患。

（2）一些參數的呈現固定的變化規律，提前主動采取措施預防設備故障。導航設備幾乎是24 小時全年不間斷運行，在長時間運行后，設備一些參數必然會發生變化。在以往沒有形成對設備參數統計分析時，維護人員很難察覺到小數點后一兩位數值的變化。但是在這個系統上線后，就可以清晰的看到所有參數的變化規律?？傮w來說麗江機場使用的導航設備的功率值、頻率值和大多數電壓值都是比較穩定的，而通過監控天線或耦合回來的空間信號數值則會發生明顯的波動，隨著運行時間增加一般呈下降趨勢。因此我們在日常維護中應著重關注監控參數，在數值波動接近門限時及時進行調整，防止產生設備故障告警。但也有例外，在NM7000B 設備的遠程系統板件中有一塊電池是為了在設備斷電后仍然能保證系統設置的參數不會丟失，對這塊電池電壓的監測十分重要。在導航設備數據集中分析系統中對比4臺設備此電池電壓的變化情況，可以知道電池更換后的1年內幾乎沒有變化，而在使用2年左右的電池電壓值就會出現下降，因此對超過兩年的電池應提前進行更換。

（3）全面掌握設備參數，有利于降低維護成本，減少設備故障維修時間。在以往記錄導航設備參數時，設備維護人員每次記錄所有導航設備參數需要2-3 小時，而且每個設備只能記錄幾十個參數，效率較為低下，而且容易出現記錯記漏等情況。使用導航設備數據集中收集系統完全自動收集設備參數，無需人工手動抄錄，數據隨取隨用，降低了設備維護成本，提高了記錄的準確性。另外系統也能幫助縮短故障排除時間。近期遇到1臺航向設備的航道射頻值和余隙射頻值預警，在系統中查看兩個參數情況，看到參數有緩慢下降的趨勢，再查看航道和余隙的發射功率值并沒有變化，因此可以判斷是監控器原因，只需要對監控器進行校準即可。通過儀表進行測量，結論也是如此。通過運用系統長時間記錄的數據迅速判斷出了故障，縮短了排故時間。

5 結語

麗江機場通過一個導航設備數據集中收集與分析系統，收集分析了6 臺導航設備的上千個參數數據，記錄監測由周期性記錄轉變每天不間斷記錄，解決設備生命周期內參數統計分析困難的問題，解決了以往人工記錄記錄不準確、不方便查找等問題，還可以運用系統提前防范設備參數變化引起的安全風險，實現了降低設備運行維護成本和運行風險的目標。