基于增强现实技术的导航设备监控研究

陈 媛

(上海宝信软件股份有限公司 上海：201900)

目前导航设备监控主要对航向、下滑、指点标、测距仪、全向信标等设备进行监控，这些设备一般需要7×24小时不间断监控，且每种设备都会有一到多个终端，工作人员负责监控每个终端提供的设备参数信息，一旦发现问题或者接到用户故障报修后会立即进行处理。这是一种各自独立的“多终端”监控方式，在设备数量较少或者位置较为集中的环境中可以很好地发挥作用。但是，随着空管业务的发展，空管设备数量不断增加和位置日趋分散，各自独立的“多终端”方式所固有的维护成本高、信息不全面、效率低下、安全隐患较大等局限性就凸现出来。

针对上述设备管理的“多终端”现状，为了达到提高空管设备维护质量、保证空管安全、降低维护成本的目的，提出设备集中监控的构想，即对所有空管导航设备和系统实施统一监视与必要控制、管理，将“多终端”集成为“单终端”。导航设备集中监控系统旨在不影响各设备正常运行和现行终端监控的前提下，采用目前国内先进、成熟的数据采集、智能通信等技术，把被监控设备的主要运行参数采集解析并传输至监控中心。通过数据比对完成对设备的运行参数以及设备状态的监控，实时掌控设备运行状态，实现导航设备的集中化、可视化、智能化监控与管理。

通过集中监控，运行维护人员可以实现对设备的集中管理；管理部门可以实现日常管理的规范化、计算机管理的科学化。管理人员能够实时掌握设备的运行状况，部分站点可以实现无人或少人值守；当发生紧急事件时，管理人员能够通过系统所提供的全面信息，迅速做出合理的决策；随着集中监控系统的建立，维护机制和管理方法将由原来分散的、人工看守式的维护方式，逐步向集中监控、集中维护和集中管理的维护模式过渡。

1 AR技术简介

目前，虚拟现实已经受到大众的关注，但我们生活的社会毕竟是真实社会，虚拟现实毕竟是不存在的，而实现真实与虚拟相结合的社会，那才是完美的统一。而增强现实(Augmented Reality，简称AR)，通过电脑技术，将虚拟与现实相结合，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间且同时存在，从而实现真实世界信息和虚拟世界信息的“无缝”集成。

增强现实，也称为扩增现实，它把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，通过这些技术手段，实现虚实结合与实时交互。增强现实技术具有以下特点：

(1)虚实结合：可以将显示器屏幕扩展到真实环境,使计算机窗口与图标叠映于现实对象,然后由用户用眼睛凝视或手势指点进行操作,让三维物体在用户的全景视野中根据当前任务或需要,交互改变其形状和外观,将虚拟场景叠加到真实场景中。

(2)实时交互：可以使交互从精确的位置扩展到整个环境,从简单的面对屏幕交流发展到将自己融合于周围的空间与对象中。这个时候,运用信息系统将不再是自觉而有意识的独立行动,而是和人们的当前活动自然而然地融为一体,交互性系统也不再是具备明确的位置,而是扩展到整个环境。

2 分析和设计

2.1 架构分析

系统采用经典的分层架构，由设备层、接口层、数据预处理层、数据存储层、业务逻辑层、应用表示层组成。图1为系统分层结构。

图1 平台架构图

设备层：本系统监控的所有设备，包括语言设备、转报机、甚高频对空电台等设备。

接口层：集中和统一管理与设备的集成，完成与设备层之间的数据交换。

数据预处理层：通过数据预处理模块对接口层收集的数据进行计算、分发、报警以及存储。

数据存储层：专用于数据管理和高级应用功能，采用实时历史数据库和关系型数据库技术。

业务逻辑层：负责导航设备监控系统业务的处理，负责逻辑性数据的生成、处理及转换。

应用展示层：主要用于页面展示功能，将统计报表、故障报告、历史趋势等功能应用通过终端展现出来。数据源于本地采集或中心服务器，在操作员工作站上实现。

系统通过多层体系架构，将数据、业务逻辑、展现在逻辑层面隔离，不仅满足现阶段建设需求，也为未来持续化建设和扩展提供支持。

2.2 系统功能与逻辑设计

2.2.1 系统功能

系统主要为多终端设备监控提供集中化管理监控，构建基于网络化、信息共享的智能化协同价值链，通过优化技术在系统中实现实时监控、智能分析、统计分析、系统管理等功能应用。

(1)实时监控

对各监控系统中相互独立的多个终端集中监控，包括导航设备、气象数据、通讯数据等多个系统中的监控设备，实现设备集中化管理，完善系统的信息交互能力，提高工作效率，降低运维成本。主要监控内容包括：

导航实时监控：对跑道的运行方向及状态、开启关闭、方向切换、台站设备状态以及语音报警实时监控，并提供数据追溯功能。

气象实时监控：对本场气象信息进行实时监控，包括温度、湿度、烟雾以及水浸等信息。

通信数据监控：对通信相关数据进行监控，包括链路状态、方位信息、跑道视程以及着陆雷达监控。

(2)智能分析

通过AR技术，使虚拟与现实相结合，将智能化融入本系统，为设备提供智能巡检、智能分析和预测性维护等功能。同时，系统为每个设备建立唯一的设备档案(见图2)，记录设备到货、上架使用、维修记录、维护记录，直至设备老化被替换的整个生命周期，从而便于设备的管理。

智能巡检：通过AR方式，生成的虚拟物体或信息和真实环境实时叠加在一起，便于设备维护者进行日常巡检。设备信息展示包括设备基本信息管理，比如设备编号、名称、设备日常维护记录、设备的故障等。

图2 VR设备参数

智能分析：对采集的监控数据以及智能巡检中获取的数据进行分析，包括报警时段分析、报警趋势分析、设备异常类型分析、巡检数据分析。

预测性维护：对集中监控的设备提供预测性维护功能，分别从人工和系统两个维度设定维护策略，从而实现设备的预测性维护，维护策略主要包括系统自评策略和人工设定策略。

(3)统计查询

对所有监控设备的参数信息、报警信息、巡检数据进行统计查询，并提供数据分析功能，生成统计分析报表。

(4)系统管理

对本系统进行管理与配置，从数据、安全管理、权限等方面进行管理，主要实现用户管理、权限管理、操作日志查询等功能。

2.2.2 逻辑设计

系统通过对设备建立唯一标识码，全面管控设备的采购、出厂、使用、维修、维护、报废等信息，实现导航设备资产数据的全生命周期管理，同时采用VR技术，实现设备的智能化管理，见图3。

图3 VR/AR 设备传导

设备虚拟现实指在设备上安装传感器后，VR虚拟场景感应真实设备的实时状况，并把数据传输到后台，实现监控平台设备的仿生监管。系统具有以下优点：

(1)设备三维立体数据展示

通过加装传感器，在后台显示为大屏幕上的平面数据，通过VR仿生监管技术将传感器数据叠加在设备上，通过查看监控平台中某一导航设备获取对应的数据信息，三维数据显示相对更直观，做人工智能分析的能力更强。

(2)同步设备运行数据

VR场景监控平台实时收集真实场景中设备的数据信息，和真实场站实时链接，达到双生的效果，实现数字孪生。

(3)避免数据的误读

设备自身的运行数据仅显示在自身设备的上方，避免集中监控大屏中众多设备信息数据云集，造成设备信息的误读误判。

2.3 实现要点

(1)设备集中化

设备集中化就是将多个监控设备集中到单个终端进行监控，实现所有导航设备和系统统一监管，以支撑导航设备监控业务构建基于网络化、信息共享的智能化协同价值链。

集中化管理的第一步就是数据解析。通过对导航NORMARC设备和THALES设备的通讯协议进行解析处理，分析出各个设备的通讯协议与规格，并开发相应驱动程序。

集中化管理的第二步满足集中化需求，将原有“多终端”监控模式转变为在“单终端”模式下，实现所有设备的可视化监控。

集中化管理的第三步实现智能分析。通过对采集的数据记录智能分析，完成设备的自动化智能巡检。对异常情况进行记录并报警，让值班人员及时发现问题，同时为未来设备维护提供便利。

(2)数据可视化

数据可视化不仅包括跑道位置可视化、现场台站可视化、台站状态可视化，还包括基于AR技术，将虚拟与现实相结合，使生成的虚拟物体或信息和真实环境实时叠加在一起，实现物理设备与监控数据的可视化展示，提高管理人员对整体环境、事态的统筹以及工作效率。

(3)报警智能化

导航设备监控系统对设备故障或其他警告等事件报警提供终端报警消息推送的同时，提供智能语音报警，且报警声音可定制，以满足现场值班人员的工作需求。包括以下功能：

报警语音提醒功能：设备异常系统自动语音报警，告知值班人员设备报警，为方便值班人员处理相关报警；

系统提供自定义语音提醒：可以直接语音告知值班人员报警的设备。

当某设备发生故障，系统发出语音报警，并为对此次报警事件提供设备运行参数变化分析、智能环境分析，为用户处理报警事件提供有效支持。

3 总结

导航设备监控系统采用目前国内先进成熟的设备接入、数据采集、智能通信等监控技术，把监控设备的主要运行参数解析采集并传输至监控中心，在导航监控方面形成以数据为基础，结合AR技术的集中化、可视化、智能化监控平台，协助用户对设备的高效监控，满足用户高附加值的个性化需求，提高系统的适应性变化和应对异常状况的柔韧性。本文中提到的功能和技术在上海民航华东空管工程技术有限公司的设备集中监控系统的建设过程中得到了初步应用，且取得良好的效果，可以为国内其它机场建设导航设备监控系统提供借鉴。