機場亂流偵測系統
主題 : 機場新一代低空亂流偵測及警告系統
財團法人中華氣象環境研究發展中心
機場新一代低空亂流偵測及警告系統研發總策劃人蒲金標博士，曾獲得台灣經濟部工業局補助研發，取得機場氣壓變化與亂流警告系統發明專利權(專利證書，發明第I611198號)以及機場低空亂流偵測及警告系統新型專利權(專利證書，新型第M533697號)。本系統研發總策劃人蒲金標博士，曾獲得台灣經濟部工業局補助研發，取得機場氣壓變化與亂流警告系統發明專利權(專利證書，發明第I611198號)以及新型專利權(專利證書，新型第M533697號)。系統採用單一測站微型氣壓計，觀測前後10秒氣壓變化量與亂流之發生，經分析松山、桃園和馬祖南竿等機場共15年亂流資料，結果顯示氣壓變化量與亂流有很好的相關。
本系統不需考慮氣壓之儀器誤差、溫度、緯度和高度或海平面等訂正，每10秒鐘氣壓變化量超過一個標準偏差，對於大數據的資料變成容易處理，其氣象資料運算理論依據國際民航組織(ICAO 9817 Manual on Low-Level Wind Shear)，參考美國大氣研究中心(NCAR LLWAS-III)和國際民航組織(ANNEX-III)，最後使用小波分析法(Wavelet transform)去除雜訊，判斷風切亂流門檻(threshold)，求出最大可能性(maximum likelihood及A posterior probability)。使用contingency table求得亂流發生之條件式或然率。
1. 設計概念
運用矩陣計算，求出顯著氣壓變化量，再處理氣壓資料及關連表(Contingence Table)等近代高等演算法，求出新一代機場低空亂偵測及警告，並融合(Data Fusion)當地機場現有風向風速儀數據進入本系統，提高飛安等級。
機場低空亂流偵測及警告系統(LLTAS)，陣列氣壓觀測站網，如圖1，每一觀測站支架高1.5公尺，設置於跑道周圍附近及飛機起降的下滑道，偵測低空亂流更具代表性。
從跑道兩端、跑道中段和跑道兩端向外延伸3海海里，設置一排9個感測測點；距離跑道中心線兩旁往外1海里平行跑道中心線再設置兩排各9個感測點，每一點架設一支2公尺高的氣壓感測器，三排共計27點，構成一個最佳的陣列式感測網。
圖1 機場最佳的陣列觀測網(27點)分布圖，紅色框框為
松山機場跑道。
R10為西邊跑道頭編號，R28為東邊跑道頭編號。
氣壓變化量基本原理係各種激烈的天氣系統接近時，氣壓就先發生大幅跳動現象。透過陣列觀測網，激烈的天氣系統從那個方位接近，系統就能及時偵測和提出警告。本系統適合架設在各種不同大小機場。
在傳統上每小時的氣壓觀測係在整點前10分鐘，將氣壓觀測值加以平均和平滑化，其結果卻將氣壓特別大的變化量給予去除，事實上，這些特別大的變化量是反映天氣激烈變化的訊號。
氣壓分秒資訊是反映天氣激烈變化的訊號，不過，分秒氣壓觀測資料量相當大，1天就有1440筆(1440分鐘)或86400筆資料(86400秒鐘)。但是激烈天氣變化超過1個標準偏差值，畢竟是少數，這10秒鐘前後的變化量，其多數都發生在1個標準偏差值以內。系統只要將氣壓變化量超過1個標準偏差的資料送到雲端來處理即可，系統就可根據這些資料來偵測激烈天氣的發生，及時發出警告。
2. 系統架構
運用NB-IoT無線傳輸技術，連接雲端服務提供者(Cloud Service Provider)，架設物聯網遙測系統，達成即時監看和警示。每組裝1套微型氣壓偵測器，將每10秒鐘偵測到的氣壓值透過NB-IoT無線傳輸技術，連接雲端服務提供者(微軟的Azure)，在雲端運算後，再將結果送到螢幕，顯示出LGT/MOD/SVR不同等級的警示。系統架構圖，如圖2。
圖2 系統架構圖
高精度之氣壓感測器模組(Barometer (High-Accuracy) Sensor features a high-accuracy chip to detect barometric pressure , altimeter and temperature. It can widely measure pressure ranging from 300hPa~1200hPa, with a super high accuracy of 0.01hPa(0.1m) in ultra-high resolution mode.)，每組裝1套微型氣壓感測器，將每10秒鐘偵測到的氣壓值，經過微處理器邊緣運算後，再透過NB-IoT無線傳輸技術，連接至雲端服務提供者(微軟的Azure)，在雲端處理後，再將結果送到螢幕顯示出LGT/MOD/SVR不同等級的警示。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)為全新窄頻物聯網無線電通訊技術，由3GPP所定義之國際標準。NB-IoT可透過全球廣泛部署，低功耗模式，低成本， 超大連接， 並基於授權頻譜的頻段， 可直接部署於LTE網路。運用NB-IoT無線傳輸技術連接雲端服務提供者(Cloud Service Provider), 架設物聯網遙測系統，來達成即時監看和警示的各種服務應用或處理。系統內部模，如圖3。
圖3 系統內部模組
邊緣計算強調可針對特定需求只作單一或少量功能，因此不需巨量運算，只需利用設計好的程式模型在特定排程或時間內完成推論（Inference）即可，運算量相對減少很多，所以大多數情況下可利用 AI 晶片（或神經網路加速）（CPU, GPU, FPGA, ASIC, SoC 等）即可達成。
應用於物聯網（IoT）非即時性小型感測器網路的智能邊緣運算的普通單晶片MCU是邊緣運算的一種。邊緣計算示意圖，如圖4。
圖4 邊緣計算示意圖
雲端服務提供者，如圖5。
圖5 雲端服務示意圖
氣壓值會即時在地圖上顯示 另外配合點顏色變化, LGT(Light)為黃色, MOD(Moderate)為橘色, SEV(Severe)為紅色, LGT(Light) 以上就會即時自動發出警示聲音提醒。
螢幕顯示，如圖6。
圖6 螢幕顯示圖
3. 系統裝備
系統裝備，如資料收集器(氣壓溫度感測系統)、角度傾斜位移檢測器、邊緣運算處理器、無線傳輸系統(電信業者)、雲端服務系統、硬體設備(太陽能電源主板通訊模組系統)和航空氣象觀測儀器有氣壓計規格，精密度到小數點後2位，架設高度， 2公尺感測桿子材質為易碎頭材質。
4. 警告顯示
4.1 機場低空亂流警告標準
輕度亂流(LGT TURB): /ΔP/= 0.2-0.39，
中度亂流(MOD TURB): /ΔP/= 0.40-0.59，
強烈亂流(SEV TURB): /ΔP/>= 0.60。
4.2 文數字和圖形警報顯示
自動發出文數字警報顯示(Alphanumeric Alarm Display；AAD)和圖形警報顯示(Graphic Alarm Display；GAD)。
可以文、數字和圖形顯示。
4.3 自動以聲音或影像警示。
5. 系統特色
符合美國NCAR PHASE III 演算法精神，使用每10秒鐘氣壓跳動。機場進場或離場距離跑道頭3海浬範圍，並以跑道中心線兩邊各1海浬寬度為基準。因地制宜不受地形、海邊、腹地大小影響。每一機場可架設27個氣壓觀測點為最佳化(最少架設一個觀測點)，每組裝設1套微型氣壓器，蒐集處理後上傳雲端計算。每組氣壓資料蒐集器，具有資料收集功能，氣壓資料蒐集，加以統計分析。氣壓計規格: 精密度到小數點後2位，架設高度為2公尺，感測桿子材質為易碎頭材質。
系統優點為軟件自己開發，所有演算法保證符合國際民航組織(ICAO)、世界氣象組織(WMO)，美國國家大氣研究中心(NCAR)之規範及LLWAS phase III演算法。自行維修，成本低廉，創造工作機會，核心技術自己掌握，從基礎研究出發，考慮地形變化。可達成低空亂流警告之目的，不受機場跑道腹地和地形受限之影響。使用氣壓之觀測數值，可準確偵測亂流發生和強度。適合世界大小機場裝設，全世界氣候變異極大，對大氣環境的偵測愈是重要。民航設備隨著民航事業的蓬勃發展而市場廣闊。台灣國內外軍民大小機場皆可裝設LLTAS系統，提升飛航安全，確保旅客生命。
結語
新一代機場低空亂流警告系統(LLTAS)，無論任何大小機場，都可裝設。希望這套系統能夠推廣至台灣、中國大陸以及全世界大小機場來使用，除增加航空公司營運效率之外，對全世界飛航安全的提升，將有莫大的貢獻。