内蒙古自治区民航机场集团有限责任公司呼和浩特分公司内蒙古呼和浩特市010070
摘要：针对机场多跑道助航灯光监控系统，设计了一种树形与环形相结合的混合式网络拓扑结构，并论证了其可靠性。
关键词：多跑道；助航灯光；网络拓扑结构
机场助航灯光系统是指在夜间和复杂天气条件下能有效保障飞机顺利起飞、着陆和滑行的目视助航设备，其已从过去单纯地只是为飞机夜间飞行提供目视指示和引导信号，发展到如今与无线电进场着陆系统有机结合使用，能保障飞机在昼夜间低能见度及其它极端条件下的安全运行。随着社会的进步，现代航空业迅速发展，现在的机场建设越来越完善，在控制方式和效果上要求更加精密，发展相应的更为先进的助航灯光监控系统也势在必行。
一、助航灯光监控系统的总体发展
上世纪九十年代初，如北京首都机场和广东珠海机场先后引进的助航灯计算机监控系统来自美国的ＣＬＯＵＳＥ－ＨＩＮＤＳ公司和德国的ＳＥＭＥＮＳＡＤＢ公司。首都机场监控系统在确定控制方案时选择了并行控制模式，其特点是采用集中式网络，各灯光站的控制和维修中心的信息，均来源于塔台计算机。该方案要求塔台计算机的绝对可靠，而且对通信电缆的需求量大，从而导致了接线复杂，安装与维修困难以及投资大等问题的出现。而德国西门子公司选用的是串行控制模式，因此，所有控制单元的数据可以相互共享，能节省大量的通信电缆，而且接线简单，但在控制速度上明显要比并行方案慢。近年来，国内先后开展的有关设备监控系统的研究取得一定的进展，但仍需深入研究。如湖北武汉天河机场、福建武夷山机场以及陕西西安咸阳机场等先后与国内研究所开展的有关助航灯光监控系统的开发与应用，在大规模使用时并不能达到预期的目标。如广州白云机场、上海浦东机场等则使用的是国外的助航灯光监控系统，如瑞典、英国的灯泡断芯监测与助航灯光监控系统，然而这些系统存在的问题是故障检测功能单一，并不能满足我国机场的实际需求。助航灯监控系统发展的主要趋势是自动化、网络化以及智能化。利用计算机网络可以实现对助航灯监控系统功能、开关柜、变压器和灯光系统线路实行远程监控。网络化监控的优势在于能利用监控系统收集到的系统故障信息，能对故障性质进行快速判断，从而进一步的对故障位置和故障距离的检测也随之更加精准，进而可以实现民用助航灯监控系统运行的自适应。助航灯监控系统自动化、网络化和智能化的发展将能有效提高助航灯系统设备运行的可靠性。
二、系统总体结构及功能描述
助航灯光巡检系统由塔台计算机（PC机）、灯光站控制管理计算机（上位PC机）、主控单元（下位机）和远程巡检单元及通信环路共4部分组成。监控系统的主要功能包括：
1.用户操作权限管理。分为系统管理员和使用用户，使用用户只具有操作和查询的权限。系统管理员则有系统删除、系统功能参数设定和管理使用用户的功能。
2.三级数据通讯。系统采用局域网实现塔台计算机与灯光站管理计算机的通信，利用串口技术实现灯光站管理计算机与多个主控单元之间的通信。每个主控单元与远程灯位巡检单元之间的通信则利用低压工频电力线通信技术实现。
3.助航灯光的监控。使用VisualC++6.0开发机场助航灯分布图，将单灯所对
应物理位置和状态信息以图形界面的形式展示给使用用户。也可以对灯位状态以故障图表形式呈现。对助航灯光的控制（如开关灯、光级改变）设立严格的监控和提示功能以防止误操作。开关灯控制的每一步操作辅以音响形式警示使用用户。
4.数据的保存与查询。实时保存现场的灯光检测数据到Access小型数据库；提供快速便捷的历史数据查询、相关表格生成等服务。数据库和灯光图形之间实现双向查询功能。
5.数字化视情维修服务。根据机场跑道是否开放，灯光故障严重程度按ICAO标准生成优化的维修方案供灯光站工作人员参考。信息以图表的形式呈现。
6.飞机进出港信息与天气信息的获取。塔台计算机向灯光站计算机提供飞机进出港与天气信息。以供灯光站人员开关灯参考。随着航空业的迅猛发展，飞机的性能也在不断的攀升，根据机场多跑道的分布情况，对机场多跑道助航灯光监控系统网络拓扑结构进行了设计分析。助航灯光巡检系统的研制对于提高灯光系统可靠性，增强机场地面助航保障能力，保证飞行安全，无疑具有十分重要的意义。
三、机场多跑道助航灯光监控系统网络建模
1．机场跑道分布分析。国内有多条跑道的机场其跑道均为平行分布，按照塔台与跑道的相对位置可分为图1（a）（b）所示的两种情况（以两条跑道为例）：（a）为跑道均分布在塔台的一侧；（b）为跑道分布在塔台两侧。对于大多数机场，每条跑道的两端各分布一个灯光站，新型的设计提出一条跑道设置一个灯光站，位于跑道中间，如图1（c）所示。
2.网络拓扑结构设计。多跑道助航灯光监控系统中为实现各条跑道灯光站与塔台通信需要设计网络拓扑结构，对于同侧的两条跑道（如图1（a）），可能的网络拓扑方案如下：（1）星形拓扑结构。由跑道各灯光站铺设网络光纤至塔台（图2（a），图中圆圈表示灯光站）。（2）树形拓扑结构。跑道2的两个灯光站分别铺设光纤至相邻的跑道1的灯光站，再连接至塔台（图2（b））。（3）环形拓扑结构。方案1）中同一跑道的两个灯光站通过光纤连接起来（图2（c）），每条跑道的灯光与塔台构成环形网络。（4）混合式拓扑结构。方案2）中同一跑道的两个灯光站通过光纤连接起来（图2（d）），可看作是塔台作为根节点的树形与塔台与灯光站间连接的环形相结合的混合式拓扑结构。
从可靠性方面考虑，方案1和2均为开环网络，任何一处网络故障即可导致通信中断，可靠性低；方案3和方案4网络中任何一处发生故障时仍可通过环网的另一部分进行通信，可靠性较高。
1.建立网络模型。以上为定性分析，为比较方案3和方案4网络拓扑结构的可靠性，运用网络可靠性理论对其进行分析。为便于分析，对实际的网络拓扑结构进行数学建模。网络的抽象结构可以用图来描述。在网络可靠性研究中，网络一般定义为由一个图G（V，E）以及节点集V和边集E分别到区间［0，1］的两个函数φ：V→［0，1］和ψ：E→［0，1］构成。这两个函数的值分别表示节点和边出故障的概率。网络的可靠度Ｒ（G，φ，ψ）定义为图G的节点和边分别以φ，ψ为故障概率函数的情况下，图G保持连通的概率。以塔台和各灯光站的网络设备作为节点，构成节点集V，连接节点间的光纤作为边，构成边集E，将监控系统网络方案3）和4）抽象为图，如图3所示。节点正常工作定义为节点工作的概率值为1，节点失效定义为节点工作的概率值为0。把实际的网络抽象为一个图G来进行处理时，为了更好地使用数学工具，作如下三个方面假设：图中点和边失效的概率均为已知；图中点和边的工作状态只有正常工作或失效两种状态；图中点和边失效状态在概率统计上相互独立。
由于监控系统网络设计中塔台和各灯光站所有的网络设备均为双机冗余备份，可靠性很高，因此，仅考虑图中的边可能故障时的可靠度。设各边正常工作的概率为p，则系统可靠度可表示为Ｒ（G，p）。
随着航空业的迅猛发展，飞机的性能也在不断的攀升，根据机场多跑道的分布情况，对机场多跑道助航灯光监控系统网络拓扑结构进行了设计分析。未来的助航灯光监控系统将会更加高效和先进，并有可能和其他机场自动化系统集成在一起，形成一个完整有机的机场自动化监控体系。
参考文献：
［1］康建．基于无线传感器网络的机场助航灯光监控系统［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，2014．
［2］郝缓．设备远程监控与诊断体系结构的研究［Ｊ］．计算机工程与应用，2014，４１（９）：１９２－１９６．