使用电子技术和网络技术实现机场助航灯光及其电力系统的综合监控是当前机场航运管理现代化的一个重要标志。它不仅可以使系统运行高效、可靠、故障报警准确及时, 而且还可以大大提高管理效率, 为飞机起降提供迅速、准确的引导。另外还可以减少飞机起降时间, 增加航运班次, 降低营运成本。本文结合实际项目, 阐述了机场助航灯光综合网络监控系统的设计方案。

1.   系统组成

整个机场助航灯光监控除了机场跑道和滑行道的各种灯光监控以外, 还包括供电系统的监视和应急发电机的监控。设在机场跑道和滑行道上的各种灯光通过亮灭和颜色为起降和进出跑道的飞机提供位置和方向的指示。为了满足全天候的使用要求, 各种灯光可以根据机场上空的能见度不同开出5种不同亮度或光级以满足实际需要。各灯光的电源在正常情况下通过市电供给。一旦市电发生故障则需要自动起动应急发电机以保证供电。由于机场助航灯光数目众多, 跑道纵长, 因此在跑道两端附近分别各设一个控制站, 并根据就近的原则, 把助航灯光分别集中在附近的控制站进行控制。这些控制站常称为灯光站, 其中位于跑道主降端附近的称为主灯光站, 位于次降端附近的称为次灯光站。每个灯光站都有两路独立的市电供电, 互为冗余, 另有一路应急电, 由设在各灯光站的一台400多千瓦应急发电机供电。

机场助航灯光通过调光器进行分组控制。调光器输出恒流信号控制所串连的一组灯, 流过同一个调光器所控制的灯的电流是相同的。调光器可以通过CAN总线向上返回命令光级、故障状态、主动/被动、本地/遥控、主接触器上电状态、调光器上电状态, 调光器共有5级电流输出, 根据命令光级的大小可以输出相应强度的电流用于灯光强度的控制。在调光器中还配套装有灯光回路的参数检测单元和绝缘电阻检测单元。其中参数检测单元用于检测或计算调光器输出到灯光回路中的电流、电压、有功功率、无功功率、坏灯数、坏灯百分比、CCR主/备切换状态。绝缘电阻检测单元用于检测灯光回路对地的绝缘电阻值。表 1为国内某大新建机场的单跑道所用的调光器列表。由表 1可见, 一共使用了40个调光器, 其中主灯光站有26个调光器, 次灯光站有14个调光器。在一般情况下每4个调光器有一个备机, 用于故障切换。

表  1  某机场单跑道所用调光器

Table  1.  All CCRs in one runway of a airfield

序号	调光器名	序号	调光器名	序号	调光器名	序号	调光器名
1	西坡度灯	11	西进近1	21	跑中1	31	滑行道中线灯7/次
2	接地带1	12	西进近2	22	跑中2	32	东进近1/次
3	接地带2	13	旁线1	23	跑边1	33	东进近2/次
4	滑行道中线灯1	14	旁线2	24	跑边2	34	备机2/次
5	备机1	15	备机3	25	备机5	35	东标记牌/次
6	滑行道中线灯2	16	停止排1	26	东坡度灯/次	36	滑行道中线灯6/次
7	滑行道中线灯5	17	停止排2	27	跑道入口3/次	37	滑行道中线灯4/次
8	滑行道边灯1	18	跑道入口1	28	跑道入口4/次	38	滑行道中线灯3/次
9	西标记牌	19	跑道入口2	29	备机1/次	39	备机3/次
10	备机2	20	备机4	30	滑行道边灯2/次	40	闪光灯

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机场助航灯光的控制一般集中在塔台进行, 在塔台中的监控机为互为冗余设计, 在主次灯光站各设一台监控机, 在主灯光站还设有一台维修机, 用于系统故障查询与维修。网络系统服务器设在主灯光站。

2.   系统硬件设计

该系统将设计为一个实时专用的网络系统以便设备实时监控。由于系统庞杂, 将采用分散式监控设计方案。根据整个网络监控系统所要完成的功能可分为6个子系统: 助航灯光控制子系统、单灯故障检测子系统、电力监视子系统、应急柴油发电机监控子系统、网络检测子系统和UPS监视子系统。为保证灯光监控系统的安全性和可靠性, 系统网络及现场工控设备均采用冗余设计; 为保证整个系统的实时性, 网络信息采用实时交互^[1]的方案; 为保证整个系统的可维护性, 系统采用分散式结构, 同时每一个被监控的对象都有其独立的通信接口, 独立的工控机监控应用程序和独立的监控机网络信号接发程序。机场助航灯光监控系统如图 1所示。

图  1  机场助航灯光监控系统硬件结构

Figure  1.  Hardware structure of the monitoring and controlling system for airfield lighting

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整个助航灯光网络监控系统由1台服务器和9台工作站组成, 其分布为: 塔台有2台监控机, 互为冗余, 两台同时运行时, 一台为主机, 可具有监控功能, 另一台为备机, 起监视作用, 实现主备切换。主灯光站有一台监控机, 二台互为冗余工控机, 用于与下层现场设备信息交互, 对位于该灯光站附近的灯光、电力和油机进行监控, 同时完成与上层计算机的网络通信、控制权裁决和数据保存等功能。在一般情况下两工控机同时运行, 可主备切换实现冗余功能, 在主灯光站中还设有一台维修机, 该机具有更强大细致的监控功能。次灯光站与主灯光站类似, 同样有一台监控机, 二台互为冗余的工控机, 但本站的工控机监控的现场设备为位于该灯光站附近的灯光、电力和油机, 与主灯光站监控的现场设备不相同。

助航灯光网络监控系统所控制的设备主要分为三类: 灯光、电力和油机, 其中灯光通过调光器进行控制, 有闪光灯、停止排灯、跑道人口灯、坡度灯、跑道边线灯、跑道中线灯、接地带灯、滑行道中线灯、滑行道边线灯、渐近灯、旁线灯和标记牌灯等类型, 它们散布于机场跑道或滑行道四周和中间, 共有1600多盏灯。通过控制各灯的开关和闪烁为飞机的起降提供明确的指引。为了迅速判断出各灯的好坏, 还对其中较重要的635个灯进行单灯故障自动检测, 可以自动实时地报出故障灯存在的灯位、灯号和所属的灯光组。电力的监视内容主要有二路市电和油机发出的应急电的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等内容和各路电闸的开关情况。对油机主要是监视各种运行参数如转速、油位、水温等, 并实现起停和加载等控制, 主次灯光站各有一台油机。调光器分为主调光器和备调光器两种类型。位于主调光器中的监控单元是监控系统与主调光器的接口单元, 在调光器遥控状态下, 它接收CAN网络发来的指令, 实现对调光器的各种操作, 同时采集主回路的电流电压以及调光器和监控单元自身的状态开关量形成数据包通过CAN网送至上位机。位于备调光器中的监控单元是监控系统与备用调光器的接口单元, 当系统发生切换操作时它实现与备调光器、PLC及CAN网络的通讯, 替代主调光器对回路的控制。系统服务器位于主灯光站, 使用Microsoft SQL Server数据库实现重要的历史数据存贮、查询和打印, 各监控机专门开发有数据浏览窗口可对其中的数据进行分类、分时查询和打印。

3.   系统软件设计

由于系统庞杂、设备众多、位置分散, 另外, 系统软件的设计不仅要满足监控的实时性要求, 同时还要具有很好的可靠性、可维护性、可诊断性、可扩展性等功能, 因此整个软件设计是一项技术难度大, 数据规划非常复杂、编程工作量极其浩大的工作^[2]。作者在多年的研究与实践基础上, 在此给出了整个软件设计方案简图, 如图 2所示。下面结合图 2论述其中的工控和监控软件分布, 所要解决的关键问题和相应的解决措施。

图  2  系统软件结构

Figure  2.  The simplified software structure of the system

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灯光站工控机软件设计: 在灯光站工控机中设计有4个可独立运行的程序, 分别用于灯光监控、电力监视、油机监控和主备切换。在一个工控机中, 按要完成的功能使用VC⁺⁺6.0开发多个独立的程序是为了从宏观上解决系统的可维护性和可靠性等关键问题。除了主备切换程序以外, 其它各工控程序可分别自己独立运行, 互不影响, 从而可以用于单独测试或与其它程序任意组合运行, 提高了系统的可维护性和软件故障的可诊断性, 同时部分程序因故障运行失败不会导致整个系统崩溃, 提高了系统的可靠性。主备切换程序用于管理工控机中其它独立程序的主备状态, 通过全局内存的方法实现与同机内其它独立程序的信息通讯, 控制它们的主备状态、显示和隐藏、起动或退出, 并通过点对点网络通讯方式实现与互为冗余的另一工控机的主备切换程序之间的主备信息交流, 控制除主备切换程序以外的其它独立工控程序在两冗余机之间的独立主备切换, 从而在互为冗余的两工控机间有效地实现高度灵活的程序主备切换的功能, 进一步加强工作的可靠性。工控机中的程序人机界面非常简单以减少不必要的计算机资源开销, 保证系统工作的实时性。各独立程序界面的设计原则是尽可能简明地显示各项实时数据和板卡收发状态, 因此各独立程序所用的控件都非常少, 只用了分页标签、网格控件和自制状态显示控件等几类控件。为了便于监控机中的实时数据及时刷新, 除主备切换程序以外其它各工控程序均使用WinSock网上广播的方式为各监控机提供实时的现场状态信息。

监控机软件设计: 由多个VC网络通讯模块, 一个主备切换模块和一个VB主监控界面程序组成。各VC通讯模块分别完成与工控机中的灯光监控、电力监视、油机监控程序之间的通讯。各VC通讯模块和主备切换模块以VC⁺⁺COM DLL的方式实现与VB主监控界面程序的联合运行, 完成相互间的信息交流。

各监控机中的监控程序完全相同, 各监控机的优先级、机器名字和其它运行配置通过修改当地的数据库和配置文件来实现, 从而简化了软件开发的工作量, 提高了软件的灵活性和可维护性。

在系统中所有工控机软件和监控机的通信软件都采用VC⁺⁺6.0开发, 各机都有一个本地的Access数据库用于贮存系统结构信息, 在程序刚起动运行时用于对象和数据变量的初始化, 并在监控机中开发有专门的程序来保证网络上各机器的系统设置与服务器的一致性。在工控机中调光器、电力、油机各部分仍采用单独的应用程序模块, 使软件具有相对的独立性。网络通信采用WinSock技术, 使用UDP协议。各系统的现场数据定时通过CAN总线、485总线采集读入, 定时向网络总线上广播, 供各控制站接收。控制站的命令通过点到点的通信方式下达, 工控机收到命令后给予应答, 同时将命令下传至调光器等现场设备。工控机冗余的实现采用单独的调度模块进行, 当监视到某应用程序停止运行时自动切换到备用机。

在工控机中设置有四个可独立运行的程序, 分别用于灯光监控、电力监视、油机监控和主备切换。各监控程序在同一灯光站中运行的两台工控机可分别独立地进行主备切换。灯光程序与现场设备之间的通信由CAN总线实现, 电力监视和油机监控工控机程序通过485串行通信实现。工控机中的程序有简单的人机界面, 并使用WinSock网上广播的方式为各监控机提供实时的现场状态信息。

在塔台、主灯光站、次灯光站和维修中心的监控机中装有监控程序, 根据各机所要求的功能不同, 可以通过配置相应的配置文件达到所要求的功能。整个监控程序通过VC和VB开发而成, 其中用VC实现灯光、电力和油机的网络信息接收和发送以及主备切换工作, 通过COM DLL的形式实现与VB的联合运行。

4.   系统界面设计

监控程序的人机交互部分是全中文化的图形界面, 采取多文档结构, 主窗体设为主文档, 只有一个; 子窗体设为子文档, 有很多个。运行时, 主文档界面保持不变, 通过主文档上工具条及其子菜单的点击实现子文档的切换。由于子文档中的内容非常丰富, 程序运行耗时较大, 因此采用事件触发和子文档不显示即卸载的机制^[3], 达到实时、快速和有效的要求。同时采用定时播放动画的方式向操作者提供程序正在运行的标志, 采用定时闪烁的标志向操作者提示各VC动态链接库和网络的运行状态。

在主文档窗体中, 有一个自制的动画控件, 用来显示当前子窗体的名称, 有几个自制的可变边框、文字、颜色的控件, 用来显示机场类别、能见度信息、当前系统控制权在哪个机器上、本机有无控制权、操作员姓名、主备状态、单灯故障检测系统东西站状态、灯光、电力和油机的通信状态等内容。

子窗体有历史数据查询、UPS监视、串行通信设置、灯光监控、单回路监控、单灯故障监控、电力监视、油机监控、网络状态显示、实时信息显示、操作日志、绝缘电阻显示、报警信息显示与处理、控制权限设置、操作员登录与解除登录等窗体, 下面主要介绍灯光监控、电力监视、油机监控和实时信息显示4个子窗体。灯光监控子窗体如图 3所示, 在该子窗体中可以实现所有灯光的控制, 可以实现不同光级的选择(0~5级)^[4], 可以实现分组控制和方向控制以满足各种实际需要; 同时在界面中实现了实时灯光开关状态和光级大小显示等功能。

图  3  灯光监控子窗体

Figure  3.  A child window to monitor and control lighting

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电力监视子窗体用来显示助航灯光电力系统的结构、电闸的开关状态、市电1、市电2和油机电源的三相电流、线电压、相电压、中线电流、有功功率、无功功率、视在功率和频率等信息的实时显示。

在油机监控子窗体中使用自制的各种仪表控件直观地显示油机的转速、频率、水温、滑油压力、电池电压、油机和市电的各项电力参数、与油机有关的各种故障和状态等信息, 并可以通过按钮进行油机的启动、测试、停车等状态的控制。

在实时信息显示子窗体中可以得到最近操作记录、回路、单灯、调光器、工作站、油机、低压供电等系统的各种实时的具体参数值。

5.   其它系统设计

本系统是一个大型的监控系统, 关键是要解决实时性的问题, 为了保证现场设备状态信息在监控机上显示和操作员下发命令执行的及时性, 不宜采用基于数据库为中心的方案, 本系统采用VC实现现场设备信息实时广播, 其它信息点对点通信的方式完好地解决了实时性的要求。

数据备份问题是一般系统所要求的, 本系统采用一个独立运行的代理程序, 它用VC开发, 实现与数据库服务器的链接, 向其它程序提供数据写入接口, 完成灯光、电力、油机和操作等实时数据写入工作, 从而避免了一旦数据库链接出错导致整个系统无法运行的情况。

由于本系统多种特殊要求, 在界面显示上采用即用即显、不用卸载的方案, 确保系统资源能够确保系统安全可靠地运行。在一些复杂的界面中, 为了保证实时响应和实时刷新的功能, 也采用不变内容不刷新, 只有变化的内容才刷新的机制。

在本系统中, 有5个监控机、4个与现场设备相连的工控机。在5个监控机中, 在同一个时刻只允许有一个机器有操作权, 其它都为监视机, 无控制权, 该有控制权的监控机发布的命令要能监控全部的设备, 而主次灯光站的工控机分别都只能监控其中的一部分设备, 另外还要实现冗余设计, 这就要求妥善地安排控制权的裁决方法, 本系统采用COM技术实现了这些功能。

在各类控制命令发出后, 通过网络传送到现场的设备。如果出现误操作, 一方面会影响控制的效果, 另一方面引发事故的隐患, 所以设置有多级延时程序, 实现操作与确定之间的延时、命令发出与执行完成之间的延时, 一旦延时达到命令还没有成功执行即触发报警, 并提供准确及时的文字信息。

6.   结语

(1) 本机场助航灯光监控系统已成功地开发并应用到某国际机场, 各项指标已达到或接近国际同类系统的水平。

(2) 灯光控制和命令执行时间可达到0.5 s之内。灯光、电力和油机可独立工作, 互不影响。

(3) 主灯光站工控机故障不影响次灯光站的设备监控。