助航灯光系统论文

助航灯光系统论文（共4篇）

助航灯光系统论文 篇1

助航灯是机场配套设施的重要组成部分, 对于飞行安全具有重要意义。助航灯光系统建设在机场的飞行区内, 其主要作用是为飞机驾驶员提供起飞、着陆、进近与滑行的目视引导信号, 一般由助航灯光、路面标志、标志物、标记牌等组成。助航灯光系统的供电和调光系统关系到助航灯的使用和功能发挥, 是助航灯的重要组成部分。本文主要讨论助航灯光系统供电和调光系统的相关问题。

1 助航灯光系统的供电

助航灯光系统供电安全直接关系飞行的安全, 机场助航灯光供电的等级为一级负荷中的特别重要负荷。

1.1 助航灯光系统的供电要求和供电方式

根据相关的技术标准和规定, 助航灯光系统的电源必须由两个稳定、独立的电源组成, 并且其柴油发电机组还需要配备备用电源, 备用电源应当按照发电机最大功率设定。如果电源电压的稳定性并不是很高, 还需要增加调压器等设备保证电压的稳定。另外, 主电源和备用电源的切换时间应当符合各项要求。

助航灯光系统的供电方式有两种:市政供电为主电源、柴油发电机组电源为备用电源。助航灯光系统的控制方式需要根据机场的实际情况确定, 一般选择自投不自复方式。

1.2 应急备用电源的种类和选择

(1) 如果助航灯光设备的供电容量在75千瓦以上, 中断供电时间允许在15s以上, 就可以选择柴油发电机作为备用电源。

(2) 如果自动装置的动作时间能满足助航灯光允许中断供电时间的, 可以选择带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路。

(3) 还有一种备用电源, 即UPS装置, 这种装置能够不间断的向设备提供交流供电, 即使市政供电出现故障也不会突然停止。

(4) EPS装置, 也就是静态交流应急电源装置。这种装置的组成与UPS相同, 能够不间断的向设备提供交流供电, 即使市政供电出现故障也不会突然停止。

机场助航灯光回路的联接方式分为串联连接和并联连接两种。

2 航灯光系统的调光系统

调光系统是一种可以对助航灯灯光强度进行调节的电气设备, 当遇到雾霾、阴雨等恶劣天气的时候, 能够根据要求, 对助航灯光的强度进行调节, 保证飞行需求。

2.1 调光原理

如图所示:

从图中可以得知, 许多单独的变压器串联在仪器, 构成了目视助航灯的悬浮回路。采用串联的联接方式是为了保证所有光源都具有相同的电流, 从而具有相同的亮度。在这个系统中, 光源的亮度和系统中电流的大小是正比关系, 通过改变回路中电流的大小就能够对光源的亮度进行调节。电流恒定, 光源的亮度也保持不变。

调光器在调光系统中的主要作用是实现电源的转换, 将工频交流电源转变成为一种可以控制的的电压源, 使变压器初级线圈的电压UL大小受调光器的控制。当回路负载发生变化或交流电网电压发生变化等干扰存在时, 通过调光器的作用, 能使UL大小保持不变, 即保证光源亮度不变。另外, 调光器也可以控制UL大小分为几档输出, 从而控制光源的亮度等级, 即灯的光强等级。

2.2 调光系统的组成

调光系统由三部分组成:控制器、测量部分和执行部分。其中控制器是由单片的微型计算机构成的, 测量部分通过灯光回路中串联的电流互感器和调光器中并联的电压互感器实现的。

目前, 一般都是通过改变可控硅导通角的大小改变调光器的输出电压, 从而实现对灯光回路电流的控制。调光器调整灯光强度的原理为:

首先在调光器中的微机上装上设定好灯光强度对应的电信号, 脉冲调光电路将灯光强度的信息转变成可控硅的导通角。导通角的大小是可以控制的, 调节可控硅的导通角, 变压器输出的电压就会发生变化。其实, 导通角的主要作用就是将电信号功率放大。变压器输出电压的大小和灯光强度的信号呈正比关系, 光强信号越大, 输出电压就会越大, 灯光回路中的电流也会随之增大, 灯泡亮度就越高, 光强等级也越高, 当光强等级达到一定的时候, 灯泡的亮度就会恒定不变。灯光回路显示的光强等级和微机中设定的光强等级相同。

如果电网的电压发生变化, 会对调光系统产生一定的干扰, 在这个时候, 即使灯光回路电流在装定的信号不变, 也会对光源给定的光强造成一定的影响。这个时候就需要通过电压和电流负反馈把变压器初级的电压变化和灯光回路中电流的变化测量出来, 将测量结果和微机中的设定进行比较, 如果信号出现偏差, 可以通过可控硅触发功率放大器使灯光回路中的电流回复到原有的状态。这个过程一直持续到偏差消失。从而保证反馈信号与设定信号的一致性, 如此, 输出电流和回路电流一致, 光源发光的强度稳定。

由此也可以知道, 助航灯光的强度可以在规定的范围内任意调节, 还可以在设定的灯光光强等级下, 使得灯光的光强形成稳定。

现代的调光系统除了这些功能, 还增加了故障检测、回路状态显示、系统参数显示和故障报警等附加功能。

3 结束语

作为现代化机场的配套设施, 助航灯在飞行安全中占据重要地位。随着科技的发展, 不断有新的设备入驻其中, 助航灯光系统也在不断的优化和改进, 高科技元素在不断的运用, 安全性、可靠性和稳定性不断提高, 为更好的保障飞行提供强有力的安全保障。

参考文献

[1]陈勇, 夏荣荣, 慎苏骏.浅谈如何降低助航灯光电缆回路故障次数[J].江苏航空, 2010, 15 (02) :32——35.

[2]周尚书.机场助航灯接地预测及应用[J].电工技术, 2004, 12 (09) :90——95.

[3]王德英.助航灯光故障检测与诊断系统的设计[J].科技传播, 2011, 32 (17) :154——157.

[4]顾月萍, 吴天翔.合肥机场助航灯光巡检监控系统通过鉴定[J].空中交通管理, 2003, 10 (02) :215——218.

助航灯光系统论文 篇2

所谓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[1]。机场助航灯光系统一般由可进近灯光系统、跑道灯光系统和滑行道灯光系统三部分组成。随着机场工程建设的越来越复杂,不仅要有精密的控制,而且具备目视助航灯光设备的详细监视已成为助航灯光监控系统的基本要求[2]。同时,对发展相应的先进助航灯光控制系统提出了更高的要求,也要求其上位机软件具有更加强大的功能和友好的人机交互界面。近年来,国内先后开展的有关设备监控系统的研究并取得一定的进展,但仍需深入研究[3,4,5]。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。本文介绍的基于组态王的助航灯光监控系统的应用与研究,其主要内容包括对监控系统的介绍,并对组态王与下位机的通讯以及组态王的双机热备功能和网络功能进行了阐述,最后对其应用前景进行了展望。

1 监控系统结构

监控系统作为整个系统的核心部分,按结构层次可分为上中下三个层次,其中上层是计算机网络,包括由双冗余以太网,双机热备份的工控机,监控机和网络服务器等;中层由RS—485、RS—232等总线,接口组成现场网络;下层主要是由调光器和切换柜等监控设备组成的硬件设备[6]。

监控系统是指利用计算机、网络和检测等技术对机场灯光系统、低压供配电系统以及应急柴油发电机组等相关设备的工作状态进行实时监控,同时具有软硬件设备和网络冗余的分布式高可靠性的特点[7]。为了满足机场全天候运行的特点,灯光系统可以根据机场的实时能见度和天气的不同开出5种不同的亮度或光级以保障机场的正常运行[8]。助航灯光的电源一般由市电和应急电源两部分组成。一旦市电不能正常工作,此时则需立即起动柴油发电机以替代市电进行工作从而保证机场灯光的正常使用,以避免恶性事故的发生。本文设计的监控系统结构示意图如图1所示。助航灯计算机监控系统直接通过现场总线与现场调光器等控制设备相连,可分为监控级系统和管理级系统两部分。所谓监控级系统就是指对现场设备直接进行数据采集和控制输出的灯光站计算机系统。而在灯光站监控级系统之上,塔台和维护中心通过以太网与监控级系统进行通信,实现数据管理和控制功能,则属于管理级系统。

在一般的监控系统中,工作冗余和后备冗余,是人们所习惯采用的两种冗余方式,其也可称为“热备用”和“冷备用”。操作站中工作冗余方式的选择,可以根据对现场设备的不同,选择的侧重点亦可有所不同。可以采取1∶1冗余,也可以采取N∶1冗余。虽然冗余方式有所不同,但基本上都是采用的无扰动自动切换方式,以保障系统的稳定性。

在对机场建设的经济性和实用性的进行综合可行性分析后,本文所介绍的恒流调光器选择的是四主一备的工作冗余方式,其结构框图如图2所示。通过切换柜的切换可对主备机间进行合理的配置,这样在节约投资成本的同时,又能进一步提升机场助航灯系统运行的稳定性。在已配置好的主调光器中,若其中任意一台发生故障,切换柜将会立即发生动作,将故障主调光器所带的负载自动切换到备用调光器上,并运行与其相同的光级,由此可实现对主调光器的实时跟踪。此时,切换柜的主要功能就是对主调光器进行监视,监视其工作状态是否运行在正常状态。一旦出现故障,切换柜立即启动。而且,切换柜通过总线还可与上位机监控系统连接,能将切换前后的相关信息实时反馈给上位机监控系统,同时还可执行上位机监控系统的命令。

2 组态王与下位机通讯

基于组态王的助航灯光监控系统具有可靠、独立和先进的系统结构,是塔台监控人员、灯光站运行、维护人员以及机场信息中心人员用以监视和控制整个助航灯光系统的工具和人机界面。任一单独、局部元件或设备的故障不能影响到系统其它部分的运行。系统在运行维护人员的相关指令下能对机场助航灯光系统、单灯监视系统和高低压供配电系统等实现集中监视、控制和自动生成系统相应的数据报表,能进一步满足对机场助航灯光的运行管理,从而为飞机的安全起降提供强有力的保证,同时能通过实时自我监视来检测、记录和报告在运行时系统控制部件、灯光控制设备及灯光回路中出现的故障和操作全过程,并生成日志。灯光站计算机监控系统主界面如图3所示。

在主界面上点击调光器按钮可以切换到调光器监控界面,点击切换柜按钮可以切换到切换柜监控界面,对每组调光器的工作状态进行实时跟踪和控制是其主要功能。当主调光器4台中的任意一台出现故障时,监控画面中右侧会立即显示出相应的切换命令信息,4台调光器的实时工作状态由监控界面中的4个指示灯显示,当工作正常时显示为绿色,若故障或是进行手动切换后显示为红色。任何一台发生切换后会产生报警闪烁,并有声音报警,提示工作人员进行监控系统维护,同时,在监控界面中显示切换状态,当切换发生后,上位机可以通过遥控操作切换柜来控制备机的开关机以及光级的设定等。切换柜监控界面示意图如图4所示。

本设计中切换柜所采用的核心控制器是西门子PLC(Programmable Logic Controller)。PPI协议(又称点对点的通讯协议),作为S7—200系列 PLC的专用通讯协议,也是西门子PLC所默认的通讯协议,而组态王与调光器之间的通讯协议为MODBUS通讯协议,考虑到整个监控系统的简单统一性,组态王与切换柜之间的通讯协议也采用MODBUS,然而此时出现的问题主要有以下两方面。

第一,由于西门子PLC的通讯协议默认为PPI协议,所以当改用MODBUS通讯协议时首先需要根据调光器设定的通讯参数将MODBUS通讯协议驱动写入PLC,并配置好基本的通讯参数。在本设计中所采用的波特率:19 200;数据位长度:8;停止位长度:1;奇偶校验位:无校验;设备地址设置为63。

第二,在采用PPI通讯协议的情况下,做配置和连接时,在组态王中可以使用I、Q和M寄存器,然而在改为使用MODBUS通讯协议后,M寄存器在组态王中是不能使用的,只能使用V寄存器来代替M寄存器,此时,就必须进行地址变换,换算式为:组态王中(寄存器的dd号-1)乘以2即可得到PLC中的寄存器V的偏移地址。例如,在组态王中对应PLC的寄存器地址是40031:VW1060(组态王中寄存器4表示SHORT型变量),因为在PLC程序中均是数字量控制,有效控制均为位类型的,所以PLC中的V1061.0在组态王寄存器中的地址为40031。

3 监控系统的双机热备功能[9]

监控系统所具备的双机热备功能,其构造思想是主机和从机通过TCP/IP网络连接,正常情况下主机处于工作状态,从机处于监视状态,一旦从机发现主机异常,从机将会在短时间内替代主机以继续工作,保证任务的不中断,从而完全实现主机所具备的功能。这样即便是发生了事故,系统也能保存一个相对完整的数据库、报警信息和历史数据等,进一步提高了系统的可靠性[10]。

组态王通过定义系统变量——“$双机热备状态”的方式来表征主(从)机的运行状态。在主机上,该变量的值为正数;在从机上,该变量的值为负数。在主机的组态王工程中,可通过变量“$双机热备状态”对主机和从机进行量化监控。变量“$双机热备状态”有以下几种状态:

(1) $双机热备状态=1,表示主机状态正常。

(2) $双机热备状态=2,表示主机状态异常,主机将停止工作,并不再响应从机的查询。

(3) $双机热备状态=-1,表示从机检测到主机状态正常。

(4) $双机热备状态=-2,表示从机检测到主机状态异常,主机工作异常,从机代替主机成为主站。

双机热备主要是对实时数据、报警信息和变量历史记录等信息的热备。主(从)机都正常工作时,主机从设备采集数据,并产生报警和事件信息。从机通过网络从主机获取实时数据和报警信息,而不会从设备读取或自己产生报警信息。主(从)机都各自记录变量历史数据。同时,从机通过网络监听主机,从机与主机之间的监听采取请求与应答的方式,从机以一定的时间间隔向主机发出请求,主机应答表示工作正常,主机若没有作出应答,从机将切断与主机的网络数据传输,转入活动状态,改由下位设备获取数据,并产生报警和事件信息。此后,从机还会定时监听主机状态,一旦主机恢复,就切换到热备状态。通过这种方式实现了热备。

当主机正常运行,从机后启动时,主机先将实时数据和当前报警缓冲区中的报警和事件信息发送到从机上,完成实时数据的热备份。然后主(从)机同步,暂停变量历史数据记录,从机从主机上将所缺的历史记录文件通过网络拷贝到本地,完成历史数据的热备份。这时可以在主(从)机组态王信息窗中看到提示信息“开始备份历史数据”和“停止备份历史数据”。历史数据文件备份完成后,主(从)机转入正常工作状态。

当从机正常运行,主机后启动时,从机先将实时数据和当前报警缓冲区中的报警和事件信息发送到主机上,完成实时数据的热备份。然后主(从)机同步,暂停变量历史数据记录,主机从从机上将所缺的历史记录文件通过网络拷贝到本地,完成历史数据的热备份。这时也可以在主(从)机的组态王信息窗中看到提示信息“开始备份历史数据”和“停止备份历史数据”。历史数据文件备份完成后,主(从)机转入正常工作状态。

4 监控系统的网络功能

分布在企业局域网络中的不同的组态王与组态王之间的访问可以通过现场总线实现,从而实现数据间的共享。网络数据访问方式包括:

网络站点:通过在客户端上定义服务器站点的方式,设置网络站点设备,在客户端上定义变量可与该网络站点的变量进行连接,进而对数据进行实时访问。

远程站点:直接使用组态王的网络功能直接引用远程站点上的变量,无须在客户端定义上变量。

网络OPC:利用组态王的网路OPC功能直接实现客户端和服务器之间进行数据通讯[11]。

在本设计中采用远程站点方式对网络数据进行访问。远程站点方式是使用组态王的网络共享功能直接进行远程站点上变量的相互引用,无需在客户端上重新定义变量。此联网方式的特点如下:

(1) 软件间可以相互访问得到实时信息。

(2) 此种方法需要网络间的文件夹完全共享,对网络的安全性要求较高,一般只使用于企业的设备网络。

(3) 无需在客户端上定义变量,直接引用服务器上的组态王变量,系统的点数不会额外增加[12]。但需要注意的是,报警和历史数据等信息只能从相应的服务器上获得。

采用远程站点方式的网络结构是一种柔性结构,多个服务器可以共享整个应用程序,从而可以实现将远程站点的变量引用到本地使用的功能,这样可以更好的在提高项目的整体容量结构的同时并进一步改善系统的性能。服务器在分配时可以根据实际课题中物理设备结构或需要实现不同的功能而设置,用户可以根据系统需要设立专门的服务器以供正常使用,如登录服务器、IO服务器、历史数据服务器以及报警服务器等。

在本文中,监控机在配置时同样采用冗余配置的方式,并且在网络中配置远程站点。在网络配置时首先需要对远程站点进行配置。在登入远程站点上的工程浏览器后,打开“网络配置”,选择“连网模式”,可以选择输入本机的计算机名称或IP地址作为主机节点名。选中“使用双机热备”,设置本站为主站,输入从站点的站点名和设置从站历史库路径,其他网络参数使用默认值。在配置网络参数之后,依次预先配置节点类型和客户配置,但是节点类型和客户配置在完成网络中主备机的配置之后需要重新配置,这样才能更完善整个网络配置,为分配好网络中的登录、报警、历史记录、校时以及I/O数据等服务器作好准备。

第二步关于主机网络参数的设置。在主机的工程浏览器上选择“站点”,进入站点管理界面。在节点名称列表区域单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择“新建远程站点”,此时会弹出“远程节点”对话框。单击对话框上的“读取节点配置”,选择远程工程路径,在网络中选择共享的工程文件夹后,单击确定按钮,关闭对话框。此时,远程站点上配置的工程信息已被读取到了“远程节点”对话框中。

新远程站点一旦成功建立,就可以进一步对主机的网络类型进行配置。选择主机工程管理器上的“系统”,双击“网络配置”项,可对节点类型和客户进行配置,在选中“客户”选项后,报警和历史记录服务器列表从不能选择变为有效可选,而且在这两个列表中列出了当前工程中添加的作为报警服务器和历史记录服务器的站点名称。

第三步备机网络参数的配置。备机的配置基本和主机的配置过程一样,不同的是区分好主备机即可。

第四步根据实际的各类服务器的分配设置完善远程站点。

这样就基本完成了一个网络配置,在运行时,远程站点可以通过网络读取主机的监控信息。网络精灵是组态王与组态王之间通过总线进行通讯常用的工具,数据的接收与发送都可以借助该软件实现。在网络工程中,站点与站点之间通讯的监测,用户可以使用网络精灵来查看结果是否偏离预期目标。工程一旦定义为“连网”模式,当系统启动后,网络精灵应用程序也将会自行启动,从而对网络通讯运行状态进行监视。通过网络精灵可以看出网络服务是否正常,主备机工作状态等以及客户和服务器的一些运行信息,如图5所示。

5 结束语

随着航空业的迅猛发展,飞机的性能也在不断地攀升,机场安装使用助航灯监控系统的趋势不可阻挡,研发相应的助航灯监控系统作为当前民航界研究的热点之一,受到了众多专家和企业的青睐。机场工程建设越来越复杂,要求助航灯监控系统具有控制精密的特性以及具备对助航灯设备的详细监视,已成为其最为重要的一个基本要求。助航灯监控系统的使用大大提高了灯光系统可靠性,节约了人力资源和大量的电力资源,缩短了故障处理时间,增强了机场地面保障能力,进而能减少恶性事故的发生,对保证飞行安全具有深远的意义。

摘要：助航灯光监控系统对飞机的安全起降起着至关重要的作用,如何有效地提高助航灯光系统的综合性能作为当前民航研究的重要课题之一。介绍了基于组态王的助航灯光监控系统的应用研究。主要内容包括对以调光器和切换柜为主要构成部分的监控系统的介绍,并对组态王与下位机的通讯以及组态王的双机热备功能和网络功能进行了阐述。最后对其应用前景进行了展望。

关键词：助航灯光,组态王,调光器,双机热备,网络功能

参考文献

[1]张燕妮,丁维才.OPC技术在机场灯光监控系统中的应用.计算机工程,2005;31(Z1):273—274,277

[2]刘舸.机场助航灯计算机监控系统.大连:大连交通大学,2008

[3]伍星,陈进,李如强,等.设备远程监控与诊断体系结构的研究.计算机工程与应用,2005;41(9):192—196

[4]鲍可进,吴建勇.基于嵌入式Web Server的电力系统远程监控实现.计算机工程与设计,2007;28(13):3178—3180

[5]彭道刚,张浩,李辉.大型发电机组嵌入式远程状态监测与故障诊断研究.华东电力,2008;36(2):127—130

[6]吴力炜.机场助航灯光计算机监控系统的设计与实现.武汉:华中科技大学,2007

[7]曲娜.机场助航灯光监控系统设计.可编程控制器与工厂自动化,2007;(7):77—80

[8]张均东,任光.基于专用局域网的助航灯光综合监控设计.计算机工程与应用,2002;(14):225—227,250

[9]北京亚控科技发展有限公司.组态王KING VIEW6.53使用手册.2008

[10]任巍,杜运峰.基于组态王环境双机冗余控制系统的研究.科学技术与工程,2006;6(2):209—210,215

[11]汪玉凤,王鑫.基于组态王网络OPC的数据监控系统.仪表技术与传感器,2010;(8):52—53,92

助航灯光系统论文 篇3

1 模糊神经网络方法

模糊神经网络的故障诊断方法, 是将模糊逻辑与神经网络两种方法结合起来, 利用两个系统各自优势, 不仅可以确定故障类型, 而且通过引入模糊隶属度, 能够进一步对故障的权重值进行判断, 提高了故障诊断的准确率[2]。

1.1 模糊神经网络概述

针对机场助航灯光设备的运行特性, 本文选用应用广、成效大的BP网络进行运算。具体的过程为:首先对被诊断系统的监测参量进行模糊量化, 从而使神经网络的训练样本更加精确;然后基于BP神经网络进行灯光设备的故障诊断;最后清晰化故障诊断的结果[3]。

该诊断网络由3个神经元层次组成:第一层为输入层, 它的每一个节点代表已经模糊量化过后的输入变量;第二层为隐含层, 用于实现输入变量模糊值到输出变量模糊值的映射;第三层为输出层, 每个神经元代表一种故障, 它的值即代表故障存在的可能程度。各层次的神经元之间形成全互联连接, 同一层次的神经元之间没有连接。诊断网络示意图如图1所示。

1.2 模糊神经网络数学模型的建立

要运用模糊神经网络进行故障诊断分析, 首先必须建立诊断数学模型, 具体步骤如下:

1.2.1 建立故障征兆集赋初值C, 即助航灯光系统可能发生的所有故障现象的集合

式中, 元素c1 (i=1, 2, …m) 代表各种可能发生的灯光故障现象。然后, 求出故障征兆模糊向量:

其中, 是灯光系统发生故障现象ci的隶属度 。故障征兆集模糊向量对应于模糊神经网络的神经元域, 因此, 将作为各个神经元的输入值c1 (i=1, 2, …, m) 。

1.2.2 建立故障原因集, 即助航灯光系统所有可能的故障原因所组成的集合:

式中, 元素代f1 (i=1, 2, …, n) 表各种可能的故障原因。确定故障原因集合对应故障原因模糊向量:

其中, 是 灯光系统具有fi故障的隶属度。本文将用隶属度μf1来说明故障原因fi发生的可能性大小。

1.2.3 建立故障征兆向量与故障原因向量之间的模糊矩阵, 该矩阵就是模糊神经网络的连接权值矩阵:

实际上, 该矩阵中的各个连接权值也表示了故障现象到故障原因的一个模糊关系, 即rij表述征兆的第i种特征对第j种故障的映射值, 即故障诊断知识。在灯光故障诊断模型中, 取计算公式为:

2 模糊神经网络在机场助航灯光设备故障诊断中的应用

2.1 机场助航灯光设备常见故障及其原因

根据军用机场助航灯光设备保障相关规定, 灯光不亮或者达不到亮度要求就属于故障, 严重影响日常的飞行训练任务。

据调查并经相关专家证实, 灯光设备的故障主要有市电中断、市电降压变压器烧毁、配电柜损坏、柴油机启动失败、转换开关损坏、电缆接地短路、电缆开路、灯具损坏、隔离变压器烧毁、单片机故障、可控硅烧毁、采样电路失效、升压变压器烧毁等十三种[4]。根据上述的故障类型, 笔者继而分析了产生这些故障的原因。分析结果如下:

(1) 市电电源无效y1:市电中断x1、市电降压变压器烧毁x2、配电柜损坏x3; (2) 应急发电失败y2:柴油机启动失败x4、转换开关损坏x5; (3) 灯线单元损坏y3:电缆接地短路x6、电缆开路x7、灯具损坏x8、隔离变压器烧毁x9; (4) 单片机损坏y4:单片机故障x10; (5) 调光器失效y5:可控硅烧毁x11、采样电路失效x12、升压变压器烧毁x13。

2.2 助航灯光设备故障诊断实例

通过对空军机场助航灯光设备故障进行调查, 咨询相关专家及机场助航灯光控制室战士, 笔者收集了长沙××军用机场、济南××军用机场、杭州××军用机场的2003~2010近八年的机场灯光设备故障数据。

2.2.1 模糊化处理与确立训练样本

根据对灯光设备的工作过程的理论分析和实际运行经验, 可以确定机场灯光系统各部件可能出现故障的原因和部位[5], 各个故障发生概率范围分别为:[0.042, 0.064];[0.032, 0.063];[0.032, 0.047];[0.020, 0.044];[0.009, 0.028];[0.096, 0.142];[0.053, 0.098];[0.199, 0.253];[0.039, 0.066];[0.021, 0.056];[0.147, 0.210];[0.041, 0.072]和[0.056, 0.092], 将八组数据模糊化处理, 得到故障程度的隶属度分布情况, 然后将对应的隶属度作为输入变量, 输入神经网络, 进行网络训练, 作出下表1所示神经网络的训练样本。

2.2.2 模糊神经网络的设计

从前文可得知, 输入层节点数为13, 输出层节点数为5个, 因此隐含层节点数的选择可以参照美国科学家Hebb提出的以下公式选取[6

其中, M为输出层节点数;N为输入层节点数;为1至10之间的常数。按照上式, M=5, N=13, 考虑到输入层节点数偏大, 取神经网络的隐含层节点数为14。隐含层节点的个数并不是确定的, 需要经过实际训练的检验来不断调整。设定训练的目标误差平方和指标为1e-8, 最大循环训练次数为5000次, 初始学习速率为0.01。由于归一化处理后输入/输出值均在[0, 1]之间取值, 因此输入层和输出层节点的传递函数采用s型对数函数logsig, 它把输出范围从 (-∞, +∞) 映射到 (0, 1) , 能满足实际训练要求。

本文借助Matlab神经网络工具箱提供的函数来创建设计故障网络, 代码为:net=newff (minmax (P) , [14, 5], {'logsig', 'logsig'}, 'trainlm') ;其中函数newff创建了一个神经网络。

2.2.3 网络的训练与输出结果诊断

网络训练过程是一个不断修正权值和阀值的过程, 通过调整, 使网络的输出误差达到最小, 满足实际应用要求。利用表1中的样本数据进行训练, 选用trainlm作为训练函数, 网络训练结果如下:TRAINLM, Epoch 0/5000, MSE 0.280718/1e-008, Gradient 1.92244/1e-010

TRAINLM, Epoch19/5000, MSE 4.60317e-009/1e-008, Gradient2.72203e-007/1e-010TRAINLM, Performance goal met.

图2为该网络训练结果。从结果中可以看出, 神经网络经过19次训练之后, 达到了规定的误差, 代表训练结束, 接着进行输出结果和诊断故障。

输入Y=sim (net, P) ;代码, 返回输出结果, 选择另外4个故障样本进行诊断, 故障对应网络输出如表2所示。

以故障1为例, 该故障的5个输出值是由表1中的样本1对应的13个特征值输入神经网络得到的, 根据专家经验知识, 结合本文故障诊断的特点, 故障阀值定为0.90, 其中只有y1=1.0024>0.90, 其余四个输出值均远小于0.90, 可以看出神经网络诊断结果为“故障y1”, 即市电电源无效。其他故障的诊断由此类推, 这样一来, 所有的故障都能被诊断出来。

3 结束语

低能见度条件下助航灯光视景仿真 篇4

对于如何开发三维图形交互系统, 主要有三种技术可供选择, 即Open GL、Direct X和Open GVS。Open GL是低层的API, 具有与硬件与无关的特征, 具有很强的扩展延伸性, 并且提供了大约120 个有关多边形阴影、旋转、大气效果、深度暗示函数和其它函数, 使得其可以最大限度地发挥3D芯片的巨大潜力, 而Direct X本身缺乏基本的3D对象, 如柱体、球体、锥体等, 其渲染精度不够, 而且缺乏可移植性。由于Open GVS是属于高级的API函数, 因此它封装的比较严密, 从而致使人们对它的某些函数的内部运作机制很难了解, 结果造成在某些细节上运用起来不够灵活, 不能达到满意的效果［3］。在本文中, 模拟助航灯光降雪场景要求高精度的图形应用程序, 因此选择Open GL技术进行开发模拟。

1 粒子系统

粒子系统 ( particle system) 是迄今为止被认为模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法［4］。粒子系统采用了一套完全不同于以往造型、绘制系统的方法来构造、绘制景物, 它并不是一个简单的静态模型, 而是一种过程计算模型。如果存在有效的物理或生理模型, 物体的行为建模将变得十分简单, 只要实现当前的几何模型即可。

粒子系统作为构建具有“模糊”形状物体的计算模型的方法, 其中包括一些自然界中常见的现象, 诸如火焰、云等。它们拥有的共同特点是具有不固定、不规则几何外形, 更重要的一点就是随时间变化它们的外观具有不确定性。在过去图形学的建模研究中, 应用对象的外形通常使用几何体建模的方法来模拟。这种方法对于这种类型的物体肯定是不适用的。因为多边形或曲面它们无法用来表示, 而且采用数学建模的方法无法描述其形状变化的不确定性, 实际上后者更是仿真的目的。

粒子系统是一直进化的, 同时伴随动态变化。在粒子生命期的每一刻, 都要经历五个过程:

( 1) 粒子源会产生新粒子。

( 2) 依据粒子的动态属性对其进行变换或移动, 同时更新粒子属性 ( 如颜色、位置、初始速度、大小等) 。

( 3) 判断粒子实时的生命值。

( 4) 删除已经超过其生命周期的粒子。

( 5) 绘制并显示由有生命的粒子组成的图形。

2 基于飞行员视觉的排灯光照模型

光是否能被看到是由光在观察者眼睛里产生的照度确定的。同一光源发出的光, 可以以不同的程度照明物体。人眼接收到的照度与距离D满足阿拉德定律［5］

式 ( 1) 中, E为人眼接收到的照度, 单位lx; I为光强, 单位cd; T为大气透射系数, 单位距离的投射比, 单位km; D为人眼到光源的距离, 单位km。

2. 1 光强变化

助航灯属于光强分布不对称的灯具, 采用等光强曲线描述其光强分布特性。由于影响飞机安全起降的机场地面灯光主要有进近灯光系统和跑道灯光系统, 因此以进近灯光系统的中线灯和横排灯 ( 白光) 为例来分析说明助航灯光的光强分布特性。如图1 所示, 飞机着陆过程关键参照灯具的等光强曲线是呈椭圆形的, 且灯具光强水平出射角大于垂直出射角, 即该椭圆的长轴位于水平方向, 短轴位于垂直方向。每一条闭合曲线上的所有点的光强都是相同的, 曲线内各点对应的光强均大于曲线上的光强。两曲线间对应点的光强值介于外等光强曲线和内等光强曲线对应光强值之间。

等光强曲线计算公式为:, 其中a分别为10°、14°、15°, b分别为5.5°、6.5°、8.5°。等光强曲线最小允许光强分别为1 000 cd, 2 000 cd, 10 000 cd, 主光束的平均光强值为20 000 cd。

在助航灯光虚拟场景中, 助航灯的发光特性动态变化过程如下: 模拟灯光在仿真坐标轴系中的位置是固定不变的, 而飞行员视点位置在仿真程序运行中不断变化, 因此视点与助航灯光的水平角度、垂直角度不断变化, 助航灯的等光强曲线特性决定光强值所在的区间, 导致光强值I不断变化。助航灯光学特性示意图如图2。

水平角度 θx与垂直角度 θy可根据助航灯光光学特性示意图表示为

式 ( 2) 中θxi= arctan (Xi－Yi－XYee) (3)

( Xe, Ye, Ze) 为当前视点位置, ( Xi, Yi, 0) 为助航灯在仿真坐标轴系中的位置, f为助航灯的等光强图的光强值与 θxi, θyi的关系。

2. 2 角度变化

在飞行进近过程中, 相对于飞行员的视角, 机场助航灯光的光源尺寸远小于光源到被照点之间的距离。因此, 以II类进近灯光系统300 m的横排灯为例, 其空间照明立面图如图3 所示, 机场上方空间任意一点的水平照度可采用点光源的点照度计算公式

式 ( 5) 中: Er表示r点的水平照度, lx;

Eri表示第i个灯具对r点产生的水平照度, lx;

Ri表示灯具i至r点的距离, m;

θi表示第i个灯具至r点连线与垂直方向的夹角;

Iθi表示对r点有影响的第i个灯具在 θi方向上的光强, cd。

通常, 对于某一类助航灯光系统的灯具, ICAO是有统一规定的, 所以灯具光源高度、间距均相同。ICAO附件14 中明确规定II类进近灯光系统300 m的横排灯, 其灯间距在1 m至4 m之间。由图2 和图3 可知,

因此, 综上所述, 可以得到一排横排灯的水平空间照度计算公式。

以上均是光源垂直投射到包括飞行员眼睛的指向平面 ( 与入射光方向垂直的平面) 。在实际飞行进近过程中, 飞行器会表现出不同姿态。由于飞机速度快, 飞行员无法及时调整视线的方向, 因此, 还需考虑到倾斜面的照度。由图4 照度矢量运算示意图可知, 机场上方空间任意一点的倾斜照度的计算公式如下

式 ( 9) 中, ( Ex, Ey, Ez) 为已知照度矢量的分量, α, β, θ 分别为En矢量与x、y、z轴之间的夹角。

3 助航灯光雪景仿真

3. 1 助航灯光仿真

在飞机进近过程中, 从飞行员的视角来看, 助航灯光可被看为一个个光点。在Open GL中, 由于光点既不能像其他普通光源一样照亮视景数据库中的其他景物对象, 也不会影响仿真系统对视景数据库进行着色处理, 因此利用光点来模拟助航灯光系统中的灯具。

根据ICAO附件14 中的建议及要求, 设定像素点的坐标, 颜色, 亮度, 并按照飞行员所看到的实际情况利用gl Point Size ( ) 函数设置点的大小。然而这样所得到的只是系统中简单的像素点的排列, 而且点是正方形, 出现了锯齿。为了优化光点, 还需进行深度测试及抗锯齿反走样化, 采用显示列表技术提高模型的显示速度。

在完成上述步骤后, 光点的大小与亮度无论远近均相同, 与当前视点到灯光的距离无关, 这与实际情况不一致。因此, 选择二次衰减方式利用点参数扩展功能实现光点大小和亮度的自动调节。

由排灯光照模型可知, 助航灯还有其独特的光强分布特性。进近灯光系统的中线灯和横排灯 ( 白光) 的光强分布特性仿真算法如下:

( 1) 根据视点变化函数Position ( ) 获取当前视点坐标位置, 然后计算得出其水平角度 θx与垂直角度 θy的值, 并返回 θx与 θy的值;

( 2) 建立光点更新函数update ( ) , 在每次绘制图像结束之前动态更新光点亮度数据;

( 3) 根据Position ( ) 函数返回的 θ 值判断并修改亮度数组成员的数据。其中, 亮度数组是按照等光强细化分割图转换的亮度值建立的。

( 4) 进行下一个光点亮度的改变, 直到全部光点结束;

( 5) 调用光点更新函数update ( ) , 重新绘制仿真图像, 并继续进行三维漫游。

3. 2 降雪仿真

在研究上述各种方法的基础上, 结合飞行视景仿真的实际需要, 在粒子系统的基础上采用一种动态雪景模拟的算法并结合机场及其助航灯光的环境达到较高的逼真度。虽然也采用传统的粒子模型, 可是对粒子进行了进一步的优化, 考虑到更多的因素, 提高了降雪模拟的逼真程度。

模型中采用的是64 × 64 的24 位BMP图片, 图片必须是黑色背景和白色纹理。要求用于纹理的图片必须符合场景, 由于视距的原因, 如果纹理颜色不恰当, 在远处的雪花看起来较小, 纹理较弱, 近处的雪花则要清晰得多, 因此采用了3 种不同雪花纹理。

如图5 所示, 这三张图片就是本次实验中, 所需要粒子系统的纹理贴图。

降雪模拟算法可总结如下:

( 1) 以当前视点为中心, 分别设置雪花粒子位置、大小、随机速度等属性。定义高度、宽度和深度等变量, 在初始化粒子时可以控制粒子初始位置在一个长方形盒子之内;

( 2) 对系统内的所有粒子进行循环处理, 累加并保存消逝时间, 计算粒子新数目;

( 3) 检测如有粒子到达场景之外, 消除当前粒子, 并将最后的一个粒子移动到当前位置;

( 4) 根据粒子速度和消逝时间更新粒子的位置;

( 5) 根据每个粒子的属性绑定对应的雪花纹理, 采用融合技术, 通过绘制四边形的方式渲染雪花。

4 实验结果分析

以下图片为通过改变粒子的数量来模拟不同大小程度的降雪, 其粒子数量分别为3 000、1 000、500, 模拟出暴雪、中雪、小雪天气。由于粒子数量的不同, 飞行员看到的粒子密集度就会有差异, 在同一模拟场景下, 根据飞行员视距的不同看到粒子纹理如图5 所描述的那样。仿真显示, 通过对助航灯光系统中各类灯位置、颜色、间距的设置建立了助航灯光系统的三维模型, 光点平滑, 亮度和大小均实现了自动调节, 助航灯的光强分布特性得到了较好的体现。

提出的动态降雪模拟方法具有以下优点: 第一, 比以往的方法考虑到了更多影响因素, 仿真效果更加逼真; 第二, 实时性良好, 对系统渲染速度影响较小; 第三, 系统稳定, 其物体特性不受影响。缺点就是设计雪花的透明纹理的过程比较复杂, 前期工作较为繁琐。

5 结论

使用量纲分析法建立了基于飞行员视觉的排灯光照数学模型, 实现了助航灯及其光学特性的仿真, 并在分析粒子系统应用原理的基础上, 基于Open GL提出了一种在大型场景漫游系统中实时动态模拟降雪的方法。给出了跑道II类运行模式下基于飞行员视觉的不同程度降雪的助航灯光场景。在仿真系统中, 能方便的对场景中不同类型的助航灯光光点坐标方位和光学特性进行设置, 通过改变点图元参数较好的满足了灯光视景仿真要求。

摘要：针对目前飞行模拟机对不同气象条件下机场助航灯光模拟较为欠缺的现状, 使用逐点计算法建立了基于飞行员视觉的排灯光照数学模型, 实现了助航灯及其光学特性的仿真。在分析粒子系统实现原理的基础上, 基于OpenGL提出了一种在大型场景漫游系统中实时动态模拟降雪的方法。给出了跑道II类运行模式下基于飞行员视觉的不同程度的助航灯光降雪场景。仿真试验显示, 使用逐点计算法建立的排灯光照仿真模型, 能够真实地模拟机场各类助航灯具的光学特性, 较好地实现了助航灯光在不同程度下着陆、离港全过程的真实降雪视景仿真。整个系统运行稳定, 实时性良好, 场景形象逼真。

关键词：助航灯光,粒子系统,OpenGL,雪景仿真

参考文献

[1] ICAO ANNEX14 Edition 5th, International Civil Aviation Organization999 University Street, Montreal, Quebec, Canada H3C 5H7, 2009

[2] 高淑玲, 王云岭.机场目视助航设施.天津:天津科学技术出版社, 2000:23—28

[3] 禹海全, 郝永生, 姚志敏.对三种常用视景仿真软件的功能比较研究, 计算机仿真, 2008;23 (2) :174—175

[4] Shreiner D, OpenGL编程指南.李军, 译.北京:人民邮电出版社, 2010