丽江机场导航设备数据自动收集与分析

吴同

（云南机场集团有限责任公司丽江机场 云南省丽江市 674100）

机场地面无线电导航设备（以下简称导航设备）是在地面设置地面无线电设备引导航空器飞离或进入预定航线，引导航空器安全着陆，确定空中飞行的航空器位置、航向和时间的一系列设备。根据中国民航局下发的《民用航空通信导航监视运行保障与维护维修规程》要求，导航设备是否正常运行可以直接影响空中交通管制运行方式，导航设备年度运行正常率需要达到99.97%以上，因此需要地面导航设备维护人员对导航设备参数变化极为敏感，定期对导航设备进行维护，记录和分析导航设备的参数，以确保导航设备正常运行。在以往的工作中，这些导航设备参数均是通过人工测量和统计，使用纸笔进行记录，存在统计和分析不准确、记录不方便查找等人为因素。并且随着丽江机场空中管制区域的不断扩大，航路导航设备越来越多，并且导航设备大多布局在航路的山顶，需要派遣专业人员到设备本地进行参数记录，增加了设备记录和查询的难度。而且导航设备均是通过无线电技术往空中发射信号，设备参数的缓慢变化不容易被发现和监测到，因此丽江机场开发一套导航设备数据集中分析系统，实现丽江机场导航设备参数自动收集和存储，对设备参数进行统计和分析，监测设备数据变化情况，解决设备生命周期内参数统计分析困难的问题，实现降低设备运行维护成本和运行风险的目标。

1 仪表着陆系统参数收集分析

丽江机场目前有2 套仪表着陆系统，每套系统由1台航向信标设备和1 台下滑信标设备组成，一共4 台设备，设备型号均为NM7000B，主要由发射机系统、天线系统、监视和控制系统、电源系统、遥控和状态显示系统组成。由发射系统产生需要的信号输送到天线系统产生两个单音幅度调制的合成场型，在航空器的系统中解调后对比两个单音频调制度差，航向信标设备场型应产生一个航道扇区，给正在着陆过程中的航空器提供水平方向对跑道引导信息，下滑信标设备场型在包含跑道中心线的垂直面内提供一条下滑道，给正在着陆过程中的航空器提供垂直方向逐渐降落到跑道引导信息。为确保设备每个系统的各个板件都正常工作，NM7000B 设备在每个板件和天线上都设置了很多数据采集点，通过监控板件采集到的数据来显示设备是否正常。所有采集到的数据实时汇总存储在RMS（远程监控系统）板件中，可以通过专NM7000B 专用软件进行本地或远程访问。

采集NM7000B 数据有两种方式：

（1）通过仪表着陆设备接口板远程访问RMS 板块获取数据，优点是可以实时获取数据，得到设备实时运行状态，缺点是经过测试远程取得的数据有加密，需要逐帧进行分析，难度较大，还可能影响到设备正常运行；

（2）利用NM7000B 自带的专用软件功能，从软件中可以获得一个临时网页，里面包括设备当时监控数据和所有设置数据，通过保存这个临时网页就可以获取设备数据，优点是不影响设备运行、获取简单，缺点是不能实时得到监控数据，综合考虑后采用此方式采集仪表着陆设备数据。

分析NM7000B 临时网页数据，每个网页大小为34KB，在获取后需要在另外位置进行保存，否则下次生成时会覆盖这个临时文件。在标题1 中包含数据保存时间信息，然后在接下来的两个表格中包含有设备名称、版本型号、设备运行状态等信息。在第3 个表格中含有监控器1 和监控器2 测量和监测到的32 个参数信息，在日常维护中我们只需要关注其中的13 个参数。两个监控器独立运行，且无论主备机那一台运行，两个监控器都是同时运行，因此需要同时采集两台监控器的参数。第4 个表格中含有设备延迟参数，此参数设置后一般不进行变更。第5 个表格主要包含维护参数和门限值。维护参数主要是每块板件在运行时电压、电流、功率等信息，会随设备开启和关闭变化。门限值是针对监控器测量参数和维护参数设定的门限值，超过门限值后会设备会告警，使设备不能正常使用，因此可以将对应的门限和参数进行相关显示，以更好的判别设备参数是否正常。第6 个表格是低频信号产生板配置参数，第7 个表格是功率放大板的配置参数，这两个设置参数会影响空中无线电信号，一般只在飞行校验中才进行调整。

2 全向信标和测距仪参数分析

在航路航线上丽江机场主要使用DVOR（多普勒甚高频全向信标） VRB-53D 型设备（以下简称VOR 53D）和DME（测距仪） LDB-103 型设备（以下简称DME 103）作为区域导航设备。VOR 53D 是工作在甚高频波段提供给航空器相对于此设备磁方位信息的导航设备，DME 103 是工作于超高频波段通过接收和发送无线电脉冲对提供给航空器与该设备斜距的导航设备，从而引导空中的航空器飞行到正确的位置。这两个型号的设备主要由发射机系统、天线系统、监视和控制系统、电源系统、遥控和状态显示系统组成，DME 103 因为需要接收转发因此还有应答系统和询问测试系统。为确保设备运行正常，在每个系统的板件和天线上都设置了很多数据采集点，采集到每个点的数据后，汇总存储在CMU（控制和监控单元）板件。可以在设备本身屏幕上进行查看和操作，也可以使用外接终端配置好网络设置后接入到网络管理处理单元，通过浏览器输入设备访问地址，在输入用户名和密码即后访问到CMU 的数据。可以在CMU 板件中设置用户的权限。设备可以配置5个级别的权限，最低级别的两个权限只能查看设备参数而不能操作设备，而高级别的权限不仅能查看设备参数还可以操作设备和改变设备设置参数。因此可以设置最低级别的权限用户来访问CMU 获取数据，避免影响设备正常运行。在CMU 中可以生成当前配置和运行参数的报告，每个报告大小为134KB，报告格式为CVS（逗号分隔值），以逗号分割为5 列，第一列为参数名，第二列为板件名，第三列是改否可写入，第四列是参数值，第五列为数值的单位。第一列参数名中许多重复的名称需要结合第二列板件名才能唯一确定为某个参数。通过第三列可以判断是否为运行时测量的参数还是设置参数。VOR 53D 设备报告中一共有个1806 个参数，其中有可量化数值的有701 个，包括各个模块的电压值、调制度、功率、设置的门限等参数，根据板件模块可以分为17 类，剩下的参数中只需要记录识别码、当前设备运行状态和当前主用的设备即可，其他的参数主要是各个模块的是否告警信息，只需要在存入时做一致性检查即可。DME 103 设备共有1617 个参数，其中可量化数值的共911 个，包括模块电压、监控值、发射功率、门限等信息，根据板件模块可以分为13 类，其余的参数中需要记录运行状态、当前使用设备和识别码。需要注意的是LDB-103 设备可以配置4 块MTU（监控应答单元），在设备中分别标记为MTU1 至4，实际中运行中只配置了两块MTU1 和MTU4，但在参数报告中保留了MTU2 和MTU3 的数值行，因此显示MTU2 和MTU3的行均为无效值。

3 导航设备数据自动收集分析系统架构

采集到每个设备的数据后，需要将数据进行集中存储。导航设备在设计制造时就要求比较高的稳定性和可靠性，并且通过人工记录的历史数据分析，导航设备运行参数在正常情况下短期内的变化较小或没有变化，因此每个设备只需要采集每天早中晚三个时段的数据。6个设备每天的数据量约为1MB 左右，一般导航设备使用年限为15-20年，因此需要10GB 以上存储空间。采集到的数据是文件形式存储的且比较杂乱，不利于数据的检索和分析，因此需经过数据清洗、整理分类后进行存储。考虑数据存储和调用的便利性，选择使用数据库进行存储，并且项目数据量不大，每个设备的数据相互独立，使用开源免费的数据库较为合适。数据收集后集中于一个服务器，可以供多个用户进行查看，并且为了减少系统软件兼容性等问题，因此选择浏览器／服务器模式，方便用户查看。为了保障记录的时间的准确性需要引入精确的GPS（全球定位系统）的时钟信号，同时为了对比设备现场运行情况，需要将设备视频监控引入作为对比。系统整体硬件架构如图1所示。所有设备通过交换机连接到服务器。

图1：系统硬件架构示意图

数据采集在导航设备监控端完成，由监控端按照时间计划运行脚本文件，自动在设备监控终端采集设备数据文件。服务器按计划时间远程收集数据文件，上传到服务器，根据文件名和时间判断是否为重复文件，并根据设备名称对文件进行分类存储。如果是新的数据文件则对其中的数据进行清洗，挑选出需要存储的数据，在对数据进行格式转换为适合数据库存储的数据格式，根据数据序列一一存入到数据库。在服务器上部署Springboot 及其相关代码，配置好网络设置，让用户可以通过浏览器向服务器发起需要查看设备参数的请求，提交要查看的设备名称、参数名称和查询的时间段到服务器，服务器收到请求后将对应的参数数值返回给用户。

为了更直观的展示设备数据，反映设备数据变化情况，便于用户统计分析，因此在用户页面使用图表的形式展现数据，如图2所示。每个图表中有这段时间内设备参数的变化折线图、最大值、最小值以及此参数对应时间的数值和上下门限值。通过每个参数在每段时间的数值折线图，导航设备维护人员可以掌握参数变化情况、了解参数统计值、分析导航设备老化情况、是否需要对参数进行调整、门限设置是否合理等等。在上线运行一年后每个设备都收集到上千条有效数据，而对比人工抄录的维护记录表每个设备每年仅50 多条数据，数据不完整。

图2：系统参数显示页面示意图

4 数据分析结论

在导航设备数据集中收集与分析系统上线运行后，我们对采集到的各个设备数据进行分析了，我们也得到了一些很有意义的结论：

（1）很多参数门限设置不合理性。在以往维护中，设备参数的门限值和设备实时参数值是分开进行记录，并没有将两者进行对比，而且由于记录参数较少、没有进行统计分析，无法知道设备正常运行时参数运行的最大值、最小值是、平均值多少，从而无法判断门限是否设置合理。如果门限设置过大则导致设备参数异常时没有出现告警，门限值设置过低则导致在参数正常范围内运行时导致告警而关机，都可能引起空中的航空器接收到异常信号。在导航设备数据集中收集与分析系统上线后，就可以清晰的看到每个参数长期运行的情况。NM7000B的4台设备大多参数运行平稳，很少发生跳变，但是许多参数的门限值设置过高，因此可以将此设备的门限值适当缩小。在以往会遇到VOR 53D 设备因为监控方位值告警而切换到备用设备，给机场运行带来一定的隐患，而再将原设备开机后方位值又恢复正常，设备也可以正常运行，由于在人工抄录参数时没有告警前的参数记录对比，一直没有解决此隐患，而在导航设备数据集中分析系统上线后，我们可以观察到方位值总体运行平稳的，设备运行应该是正常的，只是偶尔会有一个跳变，但很快就能恢复正常，因此只需要将门限值略微增大，避免在跳变时换机即可解决此隐患。

（2）一些参数的呈现固定的变化规律，提前主动采取措施预防设备故障。导航设备几乎是24 小时全年不间断运行，在长时间运行后，设备一些参数必然会发生变化。在以往没有形成对设备参数统计分析时，维护人员很难察觉到小数点后一两位数值的变化。但是在这个系统上线后，就可以清晰的看到所有参数的变化规律。总体来说丽江机场使用的导航设备的功率值、频率值和大多数电压值都是比较稳定的，而通过监控天线或耦合回来的空间信号数值则会发生明显的波动，随着运行时间增加一般呈下降趋势。因此我们在日常维护中应着重关注监控参数，在数值波动接近门限时及时进行调整，防止产生设备故障告警。但也有例外，在NM7000B 设备的远程系统板件中有一块电池是为了在设备断电后仍然能保证系统设置的参数不会丢失，对这块电池电压的监测十分重要。在导航设备数据集中分析系统中对比4台设备此电池电压的变化情况，可以知道电池更换后的1年内几乎没有变化，而在使用2年左右的电池电压值就会出现下降，因此对超过两年的电池应提前进行更换。

（3）全面掌握设备参数，有利于降低维护成本，减少设备故障维修时间。在以往记录导航设备参数时，设备维护人员每次记录所有导航设备参数需要2-3 小时，而且每个设备只能记录几十个参数，效率较为低下，而且容易出现记错记漏等情况。使用导航设备数据集中收集系统完全自动收集设备参数，无需人工手动抄录，数据随取随用，降低了设备维护成本，提高了记录的准确性。另外系统也能帮助缩短故障排除时间。近期遇到1台航向设备的航道射频值和余隙射频值预警，在系统中查看两个参数情况，看到参数有缓慢下降的趋势，再查看航道和余隙的发射功率值并没有变化，因此可以判断是监控器原因，只需要对监控器进行校准即可。通过仪表进行测量，结论也是如此。通过运用系统长时间记录的数据迅速判断出了故障，缩短了排故时间。

5 结语

丽江机场通过一个导航设备数据集中收集与分析系统，收集分析了6 台导航设备的上千个参数数据，记录监测由周期性记录转变每天不间断记录，解决设备生命周期内参数统计分析困难的问题，解决了以往人工记录记录不准确、不方便查找等问题，还可以运用系统提前防范设备参数变化引起的安全风险，实现了降低设备运行维护成本和运行风险的目标。