CN103576650A - 一种机场地面设备运行安全监控管理系统 - Google Patents

Abstract

一种机场地面设备运行安全监控管理系统。其由现场级子系统和上位管理子系统组成；地面设备为与航空器直接相连的机场地面设备，其通过信号端子和通信接口与现场子级系统相接；现场级子系统为安装在地面设备附近的信息处理装置，其与上位管理子系统相连接；上位管理子系统为安装在机场候机楼内的机场管理系统，用于通过现场级子系统对地面设备实施控制、监测和管理。本发明具有如下优点：现场数据采集方式实现了对地面设备安监数据的标准化无缝连接采集，突破了不同品牌地面设备间的通信兼容性和互换性瓶颈，消除了技术壁垒，从而推动了地面设备节能方法的大范围推广。

Description

一种机场地面设备运行安全监控管理系统

技术领域

本发明属于民航机场地面设备运行监控技术领域，特别是涉及一种机场地面设备运行安全监控管理系统。

背景技术

根据民航局工作部署，2012年正式启动民用机场使用地面设备（静变电源和空调机组）替代飞机机载APU（辅助动力装置）的节能减排技术推广工作。在这种情况下，随之而来的地面设备安全运行问题也就逐渐地显现出来，保障机场地面设备的安全运行是机场设备维护部门的首要任务，及时监测甚至预测到设备故障并采取有效遏制措施，并且对设备故障产生的原因进行分析是设备管理者需要解决的重要问题。

对地面设备（静变电源和空调机组）的运行监控不仅停留在机场层级，设备厂商对设备的售后追踪和远程诊断维护，行业管理部门对安全运行的追踪评估均需要监控数据支持，故监控和管理平台数据的网络化是必须的，目前国内在这方面仍处于空白。

在远机位地面设备即静变电源和空调机组采用车载的方式，而近机位地面设备需挂装在登机桥活动端底部，因此登机桥的运行状态会影响地面设备，所以将登机桥也作为监控对象之一，但仅限于近机位。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种机场地面设备运行安全监控管理系统。

为了达到上述目的，本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统由现场级子系统和上位管理子系统组成；其中地面设备为与航空器直接相连接的机场地面设备，其通过信号端子和通信接口与现场子级系统相连接；现场级子系统为安装在地面设备附近的信息处理装置，其与上位管理子系统相连接；上位管理子系统为安装在机场候机楼内的机场管理系统，用于通过现场级子系统对地面设备实施控制、监测和管理。

所述的现场级子系统由处理单元、数据采集模块、数据仓库、用户界面、扩展接口、通信接口、时钟模块和故障监测模块组成，其中：处理单元分别与数据采集模块、数据仓库、用户界面、扩展接口、通信接口、时钟模块和故障监测模块相连接；

数据采集模块为信号检测与变换装置，其与地面设备相连接；用于采集地面设备现场工作过程中的各类数据，其具备多输入输出通道，支持对数字量、模拟量、开关量的在线检测和输出控制，同时支持各类总线接口、以太网和光纤接口通信方式；

数据仓库为嵌入式数据仓库；

用户界面为人机互交接口装置，用于在现场显示所有采集数据，同时完成人机对话；

扩展接口为系统扩展端口，用于实现本系统其它功能扩展，以及将本系统嵌入到其它系统内部；

通信接口为远程通信接口电路，其与上位管理子系统相连接；处理单元利用通信接口将采集数据上传给上位管理子系统；

时钟模块为实时时钟系统，其与处理单元相连接；用于提供系统时钟信息；

故障监测模块为现场级子系统的故障监测模块，其与处理单元相连接；用于在线监测现场级子系统中各部的故障状态，并对出现的故障进行实时处理。

所述的处理单元为嵌入式实时处理单元，其由微控制器、微处理器、FPGA或PLC作为核心控制器件或模块构成。

所述的数据采集模块包括：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口、网络通信接口和隔离电路，其中：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口和网络通信接口均通过隔离电路与处理单元相连接。

所述的数据仓库采用存储卡或电子盘。

所述的用户界面在常态时外接三种设备：键盘、ID卡识别设备和感应显示设备，预留远程信号接收端口、网络摄像接口和指纹传感器接口。

所述的通信接口包括：有线局域网接口、无线网络接口、串行总线接口；所述的扩展接口为总线接口扩展板卡和通信协议转换器，还包括JTAG调试接口和ISP调试接口。

所述的时钟模块具备电源监控和备份模块。

所述的上位管理子系统包括：机场内网和服务器；其中：服务器为微机或以上级别的计算机，接入机场内网，并物理隔离连接机场生产网数据库，获取航班信息和机场时钟数据，并将这些数据下发至数据仓库，实现整个系统的航班联动。

所述的现场级子系统集成于一台地面设备运行监控箱内，箱体预留电力线和通信线过孔，箱体放置或悬挂于地面设备附近处或随地面设备共同车载；或者现场级子系统制成移动手持式设备。

本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统所具有的优点和使用效果如下：

保障机场桥载设备的安全运行是机场设备维护部门的首要任务，及时监测甚至预测到设备故障并采取有效遏制措施，并且对设备故障产生的原因进行分析是设备管理者要研究的重要问题。

本系统利用物联网架构发明设计了一套系统，为机场设备维护部门、管理部门和设备制造商提供了按权限共享的数据平台，满足了不同民航单位对机场地面设备运行状况和设备状态的远程监控、远程故障诊断、数据集中分析管理等需求。

本系统的优点在于：

1.现场数据采集方式实现了对地面设备安监数据的标准化无缝连接采集，突破了不同品牌地面设备间的通信兼容性和互换性瓶颈，消除了技术壁垒从而推动了地面设备节能方法的大范围推广。

2.参考国外先进的设备管理模式，利用实时采集、网络和大数据技术对地面设备进行标准化、规范化的维护和管理，实现了设备故障的及时获取和预知，降低设备故障发生率提高航空安全。

3.架设专用服务器为多方提供了远程获取各自需要数据的平台，同时减少了人工现场工作的时间，提高了效率。

系统样机已在天津、珠海等机场试用，基本达到预期效果。

附图说明

图1为本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统的组成示意图。

图2为本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统中的现场级子系统的组成示意图。

图3为本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统的服务器功能模块示意图。

图4为本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统的近机位现场级子系统安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的机场地面设备运行安全监控管理系统,用于实现对地面设备3工作过程进行安全监控、故障数据管理和设备维护管理，其由现场级子系统2和上位管理子系统1组成；地面设备3为与航空器4直接相连接的机场地面设备，其通过信号端子和通信接口与现场级子系统2相连接；现场级子系统2为安装在地面设备3附近的信息处理装置，其与上位管理子系统1相连接；上位管理子系统1为安装在机场候机楼内的机场管理系统，用于通过现场级子系统2对地面设备3实施控制、监测和管理。

如图2所示，所述的地面设备3包括：静变电源31、空调机组32和登机桥33；其中：静变电源31为地面400Hz静变电源机组，空调机组32为地面空调机组，登机桥33为地面活动登机桥。

如图1、图2所示，所述的现场级子系统2由处理单元21、数据采集模块22、数据仓库23、用户界面24、扩展接口25、通信接口26、时钟模块27和故障监测模块28组成，其中：处理单元21是现场级子系统2的现场级智能核心处理器，其分别与数据采集模块22、数据仓库23、用户界面24、扩展接口25、通信接口26、时钟模块27和故障监测模块28相连接；

处理单元21可根据地面设备3各类数据对航空器4的影响权重和设备使用环境等因素，对数据采集模块22采集的数据进行分类、实时处理和编码，同时可实时响应地面设备3的请求，进行按级别控制或上报；

数据采集模块22为信号检测与变换装置，其与地面设备3相连接；用于采集地面设备3现场工作过程中的各类数据，其具备多输入输出通道，支持对数字量、模拟量、开关量的在线检测和输出控制，同时支持各类总线接口、以太网和光纤接口等通信方式；处理单元21可以从数据采集模块22中读取地面设备3的采集数据，进行实时处理并将采集数据存储到数据仓库23中；

地面设备3的模拟或数字信号端子和数据通信接口与现场级子系统2中的数据采集模块22相连接，数据采集模块22可以采集地面设备3之中的静变电源31、空调机组32和登机桥33的工况和故障数据；

地面设备3的各类运行数据包括：设备工况数据、环境数据、操作记录和故障数据等由数据采集模块22采集至处理单元21，数据采集模块22是采用微处理器和PLC设计的数据采集和集中装置，与处理单元21间的光电隔离电路起到了电磁干扰保护的作用；数据采集模块22具备多输入通道以兼容不同类型采集数据，同时可以输出对地面设备3的应急控制信号，支持对数字量、模拟量、开关量的同步在线检测和输出控制，同时支持RS232、RS485、RS422、CAN等各类总线接口、以太网和光纤接口等通信方式；数据采集模块22可根据现场情况配置相应的检测、输出通道和通信接口类型，同时可配置各类所需通道的数量；

数据仓库23为嵌入式数据仓库；

用户界面24为人机互交接口装置，用于在现场显示所有采集数据，同时完成人机对话；

扩展接口25为系统扩展端口，可实现本系统其它功能扩展，以及将本系统嵌入到其它系统内部；

通信接口26为远程通信接口电路，其与上位管理子系统1相连接；处理单元21利用通信接口26将采集数据上传给上位管理子系统1；

时钟模块27为实时时钟系统，其与处理单元21相连接；用于提供系统时钟信息；时钟模块27自带电源监控备份模块，具有电源掉电检测和备电自动投入功能；

故障监测模块28为现场级子系统2的故障监测模块，其与处理单元21相连接；用于在线监测现场级子系统2中各部的故障状态，并对出现的故障进行实时处理。

所述的处理单元21为嵌入式实时处理单元，其由微控制器、微处理器、FPGA或PLC作为核心控制器件或模块构成，支持单线程工作模式，同时可移植操作系统。

根据对航空器4的影响权重和设备使用环境等因素，地面设备3各类运行数据分为三类：非实时信息、实时信息和紧急信息，处理单元21对数据采集模块22采集的数据进行分类、实时处理和编码，同时可实时响应地面设备3的请求，进行按级别控制或上报，例如紧急信息是在地面设备3遇到突发故障或者状态突变时产生，数据采集模块22捕捉后由处理单元21识别、编码并立即通过通信接口26上传至监控中心的服务器12，同时存储到数据仓库23中，并且在用户界面24显示。

所述的数据采集模块22包括：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口、网络通信接口和隔离电路，其中：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口和网络通信接口均通过隔离电路与处理单元21相连接。

数据采集模块22可根据现场情况配置相应的检测、输出通道和通信接口类型，同时可配置各类所需通道的数量。

所述的数据仓库23是建立在大容量存储介质硬件上的数据库软件系统，处理单元21处理后的各类数据存储到数据仓库23中，数据仓库23可人工或自动导出数据报表和曲线。

所述的数据仓库23采用存储卡、电子盘等大容量存储介质。

数据仓库23，处理单元21利用存储在数据仓库中的航班数据可实现地面设备3的航班联动管理。

所述处理单元21将采集和处理数据通过用户界面24利用多媒体方式实时显示出来；

用户界面24用于实现人机交流功能，其常态外接三种设备：键盘、ID卡识别设备和感应显示设备，并预留远程信号接收端口、网络摄像接口和指纹传感器接口；

用户界面24的ID卡识别设备用于读入ID数据，系统利用ID卡的形式确认地面设备使用权限、记录地面设备的操作和使用对象、管理系统等现场工作信息，ID卡內信息可区分设备操作人员、航空公司人员和机场管理人员，同时ID卡内记录了具体的人员身份信息或航空公司信息，利用从ID卡读入的ID数据结合数据仓库23内部航班数据，实现了地面设备3的使用维护信息登记和安全事故问责功能；

通过用户界面24人工输入的数据可控制处理单元21或写入数据仓库23中保存。

用户界面24是处理单元21外扩的视音频硬件模块和人机交互设备，处理单元21可以将采集和处理数据通过用户界面24利用多媒体方式实时显示出来，还可以组态的方式显示地面设备工作状况，用户界面24同时实现人机交流功能，其常态外接三种设备：键盘、ID卡识别设备和触摸屏，预留红外或射频等无线接收端口、网络摄像头接口和指纹传感器接口；地面设备3服务对象和操作人员都各自持有身份识别ID卡，使用地面设备3时，用户界面24的ID卡识别设备利用读入的服务对象和操作人员的身份识别数据，结合数据仓库23内部航班数据，将地面设备3、服务对象和操作者信息绑定，实现了使用维护信息登记和安全事故问责功能；用户界面24人工输入的数据可控制处理单元21完成操作，也可将数据写入数据仓库23保存；本发明系统可强制管理ID卡的设备使用权限，对某些使用地面设备3有不良记录的服务对象，通过服务器12设定其名下所有ID卡为“禁止服务”状态，并将此信息发布至各台处理单元21，当任意一台处理单元21从其用户界面24阅读到此ID卡数据，便会在用户界面24显示屏上显示警告标识，直至服务器12对该ID卡解锁。

扩展接口25实际上是总线接口扩展板卡和通信协议转换器，并且可连接处理单元21的JTAG和ISP调试接口，从而实现对现场级子系统2的硬件测试、升级与硬件功能扩展，同时可利用扩展接口25的总线接口将现场级子系统2嵌入到其它管理系统当中。

所述的通信接口26将现场级子系统2接入机场内网11；处理单元21将处理后的数据利用通信接口26通过机场内网11上传至服务器12；

通信接口26支持RJ-45或光纤连接的局域网接口LAN、无线网络接口WLAN和串行总线接口；可以根据机场的实际情况配置通信接口26的类型和数量；

通信接口26支持两种接入模式，可作为独立子网端口接入机场内网11或使用机场内网11的虚拟局域网VLAN；

通信接口26具备网络安全隔离功能，且支持网络断点续传；

处理单元21通过外扩大容量存储介质，如CF卡、电子盘等，在此硬件上建立数据库即嵌入式数据仓库23，处理单元21处理后的各类数据存储到数据仓库23中，数据仓库23可人工操作或定时自动导出数据报表、曲线图表等历史数据，导出数据可远传也可本地拷贝；数据仓库23通过通信接口26接收来自服务器12的航班信息和时钟信息，并存储到相应的数据库表中，处理单元21利用时钟信息同步本地时钟，利用航班信息匹配地面设备3的服务对象并记录相关数据，从而实现对地面设备3的航班联动管理。

在将数据存储在数据仓库23的同时，处理单元21还利用通信接口26将数据上传至服务器12；通信接口26是采用微处理器设计的双向通信接口扩展模块，将现场级子系统2接入机场内网11，实现现场级子系统2和上位管理子系统1的数据交互，利用其可实现机场全部地面设备的监控组网，远程COM支持三种通信模式：有线局域网、无线网络和总线，其中有线局域网接口LAN可选择RJ-45接口的五类以上双绞线、单模或多模光纤，无线网络接口WLAN多使用机场支持的2.4/1.8GHz无线、WiFi、GPRS等无线网络，在不易布线的情况下，如远机位使用WLAN接口，针对部分网络化程度低的机场选用串行总线接口，如CAN、RS-485等等，同时串口可扩展其它方式的通信网络接口，通信接口26可根据机场的实际情况配置COM接口类型和数量。

所述的时钟模块27为现场级子系统提供时钟，其和机场时钟同步；

时钟模块27为现场级子系统提供时钟，是利用RTC芯片和单片机设计的处理单元21的外扩硬件模块，通过数据仓库23获取的机场内网时钟完成与时钟模块27机场时钟同步，从而实现地面设备3运行记录的时间精确性；时钟模块27具备电源监控和备份模块，实现时钟电源的监控功能，备份模块能够实时监测时钟模块27的供电电压和电流值，当认定电流电压异常，则启动时钟模块27备份电源，同时生成故障信息并上报处理单元21进行处理。

所述的故障监测模块28可监测现场级子系统2内各部件自身的故障情况，并生成故障代码存入数据仓库23并上传至服务器12；故障监测模块28具有自故障修复能力；故障监测模块28实现了处理单元21的看门狗复位功能。

故障监测模块28是集成于处理单元21的一组固件，基于微处理器和嵌入式操作系统设计，独立于处理单元21的处理器，可监测现场级子系统内各部件自身的故障情况，并生成故障代码存入数据仓库23并上传至服务器12；故障监测模块28具有自故障修复能力，通常需要等待服务器12的修复指令，但对于某些高优先级故障可以自动处理，不需要等待；故障监测模块28实现了处理单元21的看门狗复位功能，在无人值守时可完成系统自动复位。

所述的上位管理子系统1包括：机场内网11和服务器12，服务器12通过机场内网11从现场级子系统2建立双向数据流，同时需从机场内网数据库获取航班信息和时钟信息，用于地面设备3运行监控的航班联动和监控系统的时钟同步；本发明系统可以被机场、设备制造商和民航管理部门等用户按权限远程访问获取各自所需数据；

服务器12为微机或以上级别的计算机，接入机场内网11，并物理隔离连接机场生产数据库，获取航班信息和机场时钟数据，并将这些数据下发至数据仓库23，实现整个系统的航班联动；

服务器12可对机场全部地面设备3按实际地理位置标识，并进行组态方式的监控管理，提供用户GUI，并支持各类采集和处理数据的报表、曲线、图表等方式显示和查询；

服务器12可存储现场级子系统上传的全部机场地面设备3各类运行数据，并实现地面设备3的深层故障归因和故障预测功能；

服务器12提供地面设备3维护专家数据库，实现地面设备3的快速故障查询和维护，地面设备3保养维修和备件记录查询，事故问责溯源查询功能；

服务器12提供数据远程发布接口，采用浏览器-服务器架构或客户端-服务器架构两种数据服务模式，与机场地面设备3运行工作有关的各类用户，均可以远程实时登陆服务器12并享受各自数据服务，服务器12提供客户权限管理功能。

现场级子系统2可制成移动手持式设备。

服务器12以及其所在机场内网11构成了地面设备运行安全监控管理系统的上位管理子系统1，如图2所示；服务器12为微机或以上级别的计算机，接入机场内网11并通过物理隔离连接机场生产网数据库，获取航班信息和机场时钟数据，并将这些数据下发至数据仓库23，实现整个系统的航班联动和时钟同步；利用地理信息系统GIS，服务器12可对机场全部地面设备3按实际地理位置标识，并进行组态方式的监控管理，提供用户GUI，并支持各类采集和处理数据的报表、曲线、图表等方式显示和查询；服务器12利用自身数据库存储现场级子系统上传的全部机场地面设备3各类运行数据，并实现对地面设备3的深层故障归因和故障预测功能，主要是对不能直接检测的故障原因进行分析推理和诊断，以及预估故障未来发生的时间并提供处置方案；服务器12提供地面设备3维护专家数据库，实现地面设备3的快速故障查询和维护，地面设备3保养维修和备件记录查询，事故问责溯源查询功能；服务器12提供数据远程发布接口，采用浏览器-服务器架构或客户端-服务器架构两种数据服务模式，与机场地面设备3运行工作有关的各类用户，均可以远程实时登陆服务器12并享受各自数据服务，服务器12提供客户权限管理功能，服务器12的功能如图3所示。

现场级子系统2各部件集成于一台地面设备运行监控箱内，箱体预留电力线和通信线过孔，也可利用原有的配电柜进行连接，在近机位该箱体放置或悬挂于地面设备3附近处，见图4；在远机位该箱体随地面设备共同车载，使用无线网络连接现场级子系统和上位管理系统；本发明系统的具体安装方法是：在每一停机位处，针对该机位的地面设备3安装一台地面设备运行监控箱，所有现场监控箱通过机场内网11连接到服务器12及其备份服务器，服务器12置于候机楼室内环境空间，该空间具备防水、防震、防爆、防电磁干扰等防护措施。

Claims (10)

1.一种机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：其由现场级子系统（2）和上位管理子系统（1）组成；其中地面设备（3）为与航空器直接相连接的机场地面设备，其通过信号端子和通信接口与现场子级系统（2）相连接；现场级子系统（2）为安装在地面设备（3）附近的信息处理装置，其与上位管理子系统（1）相连接；上位管理子系统（1）为安装在机场候机楼内的机场管理系统，用于通过现场级子系统（2）对地面设备（3）实施控制、监测和管理。

2.根据权利要求1所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的现场级子系统（2）由处理单元（21）、数据采集模块（22）、数据仓库（23）、用户界面（24）、扩展接口（25）、通信接口（26）、时钟模块（27）和故障监测模块（28）组成，其中：处理单元（21）分别与数据采集模块（22）、数据仓库（23）、用户界面（24）、扩展接口（25）、通信接口（26）、时钟模块（27）和故障监测模块（28）相连接；

数据采集模块（22）为信号检测与变换装置，其与地面设备（3）相连接；用于采集地面设备（3）现场工作过程中的各类数据，其具备多输入输出通道，支持对数字量、模拟量、开关量的在线检测和输出控制，同时支持各类总线接口、以太网和光纤接口通信方式；

数据仓库（23）为嵌入式数据仓库；

用户界面（24）为人机互交接口装置，用于在现场显示所有采集数据，同时完成人机对话；

扩展接口（25）为系统扩展端口，用于实现本系统其它功能扩展，以及将本系统嵌入到其它系统内部；

通信接口（26）为远程通信接口电路，其与上位管理子系统（1）相连接；处理单元（21）利用通信接口（26）将采集数据上传给上位管理子系统（1）；

时钟模块（27）为实时时钟系统，其与处理单元（21）相连接；用于提供系统时钟信息；

故障监测模块（28）为现场级子系统（2）的故障监测模块，其与处理单元（21）相连接；用于在线监测现场级子系统（2）中各部的故障状态，并对出现的故障进行实时处理。

3.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的处理单元（21）为嵌入式实时处理单元，其由微控制器、微处理器、FPGA或PLC作为核心控制器件或模块构成。

4.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的数据采集模块（22）包括：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口、网络通信接口和隔离电路，其中：开关量输入检测接口、模拟量输入检测接口、串行总线接口和网络通信接口均通过隔离电路与处理单元（21）相连接。

5.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的数据仓库（23）采用存储卡或电子盘。

6.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的用户界面（24）在常态时外接三种设备：键盘、ID卡识别设备和感应显示设备，预留远程信号接收端口、网络摄像接口和指纹传感器接口。

7.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的通信接口（26）包括：有线局域网接口、无线网络接口、串行总线接口；所述的扩展接口（25）为总线接口扩展板卡和通信协议转换器，还包括JTAG调试接口和ISP调试接口。

8.根据权利要求2所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的时钟模块（27）具备电源监控和备份模块。

9.根据权利要求1所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的上位管理子系统（1）包括：机场内网（11）和服务器（12）；其中：服务器（12）为微机或以上级别的计算机，接入机场内网（11），并物理隔离连接机场生产网数据库，获取航班信息和机场时钟数据，并将这些数据下发至数据仓库（23），实现整个系统的航班联动。

10.根据权利要求1所述的机场地面设备运行安全监控管理系统，其特征在于：所述的现场级子系统（2）集成于一台地面设备运行监控箱内，箱体预留电力线和通信线过孔，箱体放置或悬挂于地面设备（3）附近处或随地面设备共同车载；或者现场级子系统（2）制成移动手持式设备。

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