Aviation Runway Lights Management Simulation System

本文將對迷你 OT 航空 CAT-II 機場跑道燈光管理模擬系統進行總體介紹。它是一個緊湊的數位雙生平台，旨在模擬基於 PLC 的二類機場精密儀器跑道燈光控制系統的運作。目前，我已發布 v_0.0.1 版本。由於我不是航空領域的專家，因此本文中的某些資訊可能不準確。如有任何需要改進或更正的地方，請隨時與我聯繫。

專案設計目的：

航空系統是現代運輸基礎設施的關鍵支柱，整合了機場、飛機、空中交通管制系統和支援數位技術的複雜網路。隨著該行業越來越多地採用互連的複雜 OT 和 IT 系統，它已成為網路威脅的誘人目標。

根據國際民用航空組織 (ICAO) 的航空網路安全報告，針對航空領域的網路攻擊在頻率和複雜性上都有所增加。這些威脅影響了廣泛的航空系統，包括飛機航空電子設備、機場 SCADA 系統、航空公司 IT 基礎設施以及私人飛機運營和供應鏈管理等支援服務。

該專案專門關注航空機場 OT 基礎設施的一個關鍵子集——機場跑道控制系統，該系統由空中交通管制 (ATC) 塔台管理。目的是設計和開發一個數位雙生平台，以模擬三個 SCADA 系統（跑道燈光、機場雷達和 VHF 無線電通訊），並展示針對這些跑道 SCADA 系統的網路威脅如何擾亂空中交通運營。

# Author:      Yuancheng Liu
# Version:     v_0.0.1
# Created:     2025/06/16
# Doc_Copyright:   Copyright (c) 2025 LiuYuancheng

簡介

迷你 OT 航空 CAT-II 機場跑道燈光管理模擬系統是一個緊湊的網路物理模擬平台，旨在模擬二類機場精密儀器跑道燈光控制系統的運作。該系統專為網路安全演習、技術培訓和教育目的而設計，提供了一個數位雙生平台，該平台模擬了真實的民用陸基機場 CAT-II 跑道環境，包括與 ATC 塔台運營相關的三個關鍵 SCADA 系統。

CAT-II 跑道燈光管理系統：核心系統模擬 11 種類型的塔台控制跑道燈光和視覺指示器（例如 ILS 和 ALS），用於在起飛、著陸和滑行操作期間引導飛機。
天氣和飛機追蹤雷達系統：輔助系統模擬天氣雷達和飛機位置追蹤雷達以及塔台雷達資料監控系統。
VHF 無線電通訊系統：輔助系統模擬 VHF 飛行員與塔台之間的通訊。

為了增強真實感和互動性，該系統包括一個腳本化的飛機行為模組，該模組提供多架虛擬飛機，這些飛機遵循標準 ATC 決策邏輯（例如新加坡民航局的 ATC 手冊），該邏輯基於照明、雷達和無線電子系統的資訊。

系統使用示範影片如下所示：

該模擬在 OT 系統環境的多個層級（level0 到 level3）上進行結構化，主要目標包括：

展示網路攻擊對單個 OT/SCADA 系統的潛在影響，以及它如何級聯以擾亂機場運營或服務。
支援航空和關鍵基礎設施保護領域的 OT 網路演習、專業培訓和意識計畫。
提供經濟高效、可擴展且簡化的模擬平台，適用於實驗室、學術機構和網路活動。

該專案的預期用例：

網路安全培訓和演習，適用於航空基礎設施運營商、防禦者和學生。
技術示範平台，用於提高 OT 控制機場系統中的網路風險意識。
安全研究人員的測試平台，用於模擬航空 SCADA 系統中的真實 OT 漏洞。
支援學術或專業發展環境中的 OT-ICS 課程。

主要參考：使用的所有技術均遵循 FAA 空中交通出版物的「一般資訊」部分https://www.faa.gov/air_traffic/publications/atpubs/aim_html/

系統結構

該模擬系統在 OT 環境的多個層級上進行結構化——從 Level 0 物理流程到 Level 3 運營管理區。它反映了機場跑道燈光控制系統的真實功能和網路架構，整合了 SCADA 運營、現場設備和資料管理服務。該系統遵循分層 OT 模型，從Level 0（物理 I/O 設備）到Level 3（運營管理區），允許使用者測試和分析正常運營和網路受損情境。

系統結構圖如下所示：

OT-Level 0：物理流程現場 I/O 設備

在此層級中，系統使用類似遊戲的環境模擬機場跑道的物理世界，該環境模擬飛機、跑道燈光、無線電通訊和雷達感測器之間的互動。它充當虛擬現場層，包括：

ALS（進近燈光系統）燈光
ISL（中間階段燈光）和滑行道指示器
飛機追蹤雷達、天氣雷達和跑道表面移動雷達
VHF 通訊天線和廣播系統

這些元件接收來自下一層級 1 PLC 的模擬電氣控制訊號，並傳回虛擬回饋訊號，例如燈光狀態、雷達回波資料或 VHF 通訊訊息。

OT-Level 1：OT 系統控制器 LAN

此層級使用六個模擬 PLC 和一個雷達資料處理器模擬工業控制器網路。元件及其角色包括：

跑道電源和狀態 PLC（W 和 E 側）：模擬 ABB AC500 PLC，用於控制跑道上的電源供應和燈光狀態（ALS、ISL、滑行道和區域燈光）
塔台控制 PLC：管理支援系統，例如 VHF 天線、建築物障礙燈和機場信標塔。
雷達控制 PLC：控制雷達系統，包括天氣、飛機追蹤和表面雷達。
雷達處理器（Simrad 雷達模擬）：模擬從雷達單元獲取資料，並將輸出處理為數位雷達回波「輻條」資料。

所有設備都使用模擬高頻 UDP 訊號進行通訊，這些訊號代表電氣狀態，以橋接 lvl0 虛擬物理現場和 lvl1 層 OT 控制器。

OT-Level 2：跑道控制塔處理 LAN

此層級代表跑道 ATC（空中交通管制）塔台中的運營，配備了不同的人機介面 (HMI) 和處理工作站：

跑道燈光控制 HMI：允許運營商發出燈光電源和狀態變更命令，並即時監控跑道燈光狀態。與 PLC 的通訊使用 IEC 60870-5-104 協定。
機場監視雷達 HMI：顯示雷達追蹤資料（飛機高度、速度、位置）、天氣覆蓋圖（雲層覆蓋、風資料）和表面移動偵測。
VHF 無線電模擬面板：顯示塔台和飛行員代理之間的模擬 ATC 通訊（例如通道狀態）。
維護工作站：用於系統診斷、配置和 SCADA 事件記錄。

此層級構成模擬參與者使用的主要控制和監控介面。

OT-Level 3：運營管理區

此層級模擬機場的後端運營資料區，支援：

跑道 OT 資料管理伺服器：用於即時 OT 系統監控和資料檢索的中央伺服器。
OT 歷史資料伺服器：封存原始 OT 資料，例如 PLC 記錄、雷達資料封包和模擬 VHF 音訊通訊。
中介資料庫伺服器：為 IT 或分析團隊提供對跑道運營記錄的結構化存取。

此層支援資料驅動的決策、事件分析和報告，作為培訓或紅藍隊模擬情境的一部分。我還將在此層中整合跑道監視攝影機系統。

系統模組概述

系統的目前版本 (v_0.0.1) 圍繞三個核心模擬模組構建，這些模組共同複製了真實的機場跑道 OT 環境：

2D 物理世界視覺化模組：此模組提供機場佈局的俯視 2D 視覺化，模擬跑道燈光、飛機移動和滑行操作的物理世界行為。它以視覺方式表示起飛、著陸、保持和地面導航，為使用者提供一個直觀的介面來觀察控制系統操作的即時效果。
PLC 控制器模擬模組：此模組模擬關鍵 OT 元件，例如 PLC 和雷達控制單元。它管理物理層（Level 0）和控制系統（Level 1）之間的虛擬電氣訊號交換，從而能夠準確模擬照明系統、雷達啟動和通訊子系統。
塔台 SCADA-HMI 系統模組：作為塔台的主要控制介面，此模組包括用於跑道燈光控制、雷達監控和 VHF 通訊的 HMI。它允許使用者發出控制命令、監控系統狀態，並在正常和對抗條件下模擬監管塔台操作。

未來版本將擴展系統的功能，新增雷達回波輻條訊號模擬，從而增強飛機追蹤和天氣監控功能的逼真度。

2D 物理世界視覺化

2D 機場跑道物理世界視覺化模組是模擬系統的核心元件，提供類似遊戲的介面，具有 CAT-II 精密儀器跑道環境的俯視圖。它旨在模擬真實的機場佈局，為使用者提供飛機移動、跑道照明行為和雷達監視區域的詳細視覺表示，這對於理解跑道管理的運營和安全方面至關重要。對於每個模擬飛機和環境物件，都動態連結到 OT 資料，允許使用者觀察和分析 PLC 命令和 HMI 操作如何影響物理世界的行為。

該介面設計清晰，提供顏色編碼的燈光、飛機圖示、雷達弧和機場標誌符號，這些符號與兩項國際標準一致：

照明佈局和配置遵循二類跑道燈光標準（FAA Order 8400.13 和 ICAO Annex 10）連結
跑道上的標誌、圖示、標記和警報訊號遵循精密儀器跑道標準。連結

2D 物理世界視覺化程式 UI 如下所示：

此模組模擬物理環境以及飛機、跑道燈光和監視系統的動態行為。此程式中模擬了三個核心功能：

即時飛機模擬

該系統模擬多達 15 種獨特的飛機飛行模式，跨越四個高度層級，具有不同的飛機速度和姿態配置（滾轉、俯仰、偏航、COG），包括以下各項之間的真實過渡：

Level 4 高度（15,000 英尺以上） – 機場區域進入模式（最大 265 KIAS）
Level 3（6,000–14,000 英尺） – 保持模式（最大 230 KIAS）
Level 2（1,000–6,000 英尺） – 飛行迴路模式，例如逆風、側風、順風、底線、最終進近和緊急復飛（最大 200 KIAS）
Level 1（地面–1,000 英尺） – 詳細的地面操作：滑行、起飛前、旋轉、爬升和起飛後過渡

使用者可以在顯示選擇面板中選擇顯示不同高度層級的模擬元件：

每架飛機的模擬行為都會動態影響並回應系統變數，例如照明命令、雷達輸入和程式中特定「檢查區域」的虛擬通訊提示。當飛機進入檢查區域時，它將模擬與塔台的 VHF 無線電通訊，並選擇與正確速度和高度相關的模式。如果高度層級為 1、2、3，則程式將模擬飛行員檢查跑道燈光以確認狀態並做出決策。視覺化還會根據飛機航向、姿態和速度產生模擬 CDI（航向偏差指示器）和 HSI（水平狀態指示器）值，從而提供飛行員級別的導航體驗。

跑道燈光和指示器模擬

在程式跑道上，視覺化整合了11 種類別的 CAT-II 精密跑道燈光和指示器，遵循真實世界的照明規格，如下所示：

[1] 民用機場信標：幫助飛行員識別機場位置，並協助 ATC 塔台運營商評估 SMR 警報（例如，鳥群或無人機活動）。參考連結
[2] ALS 進近橫桿燈：中心線上的橫桿燈，用於輔助最終儀器進近。參考連結
[3] 跑道警告區指示器：黃色燈光，指示縮短的跑道區域，用於安全著陸評估或突出顯示緊急情況。
[4] 跑道邊緣燈：白色邊界燈，可在低能見度條件下增強能見度。
[5] 精密進近航跡指示器 (PAPI)：提供下滑坡度引導，以防止下降異常。參考連結
[6] 跑道延伸燈：在起飛或著陸期間沿跑道末端延伸視覺參考。
[7] 機場障礙燈：標記機場區域跑道附近危險物體或結構。
[8] 滑行道中心線燈：嵌入式綠色燈光，引導飛機安全地沿滑行路徑行駛。參考連結
[9] 滑行道間隙橫桿燈：指示滑行道上的保持點或交叉點，從而增強跑道入侵預防。
[10] 跑道入口燈：綠色單向燈，標記可用的著陸入口。
[11] 起飛保持燈：與 RWSL 系統整合，以防止過早起飛或跑道進入。

每個照明元件都透過模擬 PLC 進行控制，與塔台 HMI 協調，並監控運營狀態和異常情況。

雷達系統整合

三種類型的機場監視雷達 (ASR)系統以視覺方式表示，並與飛機移動即時互動：

飛機追蹤雷達 – 模擬所有飛行高度層級的飛機偵測和追蹤。
天氣監控雷達 – 在高度層級 2 和 3 上顯示本地化天氣事件（例如，風、雲、風暴），以供塔台進行決策。
表面移動雷達 (SMR) – 監控地面上的物體和活動（例如，鳥群、流氓無人機），並在高度層級 1 下生成跑道入侵警報。

這些雷達輸入支援情境開發、訓練，以及涉及操縱或欺騙感測器資料的 OT 網路威脅模擬。

PLC 控制器模擬模組

PLC 控制器模擬模組是系統架構的關鍵部分，模擬真實機場 OT 系統中使用的工業級控制器的行為。在這個模擬中，我使用 IEC 60870-5-104 協定 PLC 模擬器模組 https://www.linkedin.com/pulse/python-virtual-plc-simulator-iec-60870-5-104-protocol-yuancheng-liu-bov7c 我之前開發的，以模擬 ABB AC500 PLC 的部分基本功能 (https://www.abb.com/global/en/areas/motion/plc/programmable-logic-controllers/ac500)。PLC 模擬框架負責接收來自塔台 SCADA HMI 的控制請求、執行邏輯功能 (LD/ST)、透過模擬的電子訊號監控現場狀態，並將狀態值回報給 HMI。

控制器結構與模擬角色

每個跑道燈或指示器都由兩種 PLC 管理：

電源控制 PLC：

控制特定燈或子系統的電源供應。
監控電壓、電流和運作狀態等電子狀態。
需要透過電源 HMI進行間接控制，並透過多步驟安全確認來啟動或關閉。
無法從主跑道燈 HMI 直接操作。

狀態管理 PLC：

控制燈的運作參數（例如，顏色、強度、閃爍模式）。
直接與跑道燈控制 HMI 通訊。
根據 ATC 操作或模擬情境，啟用動態跑道燈調整。

PLC 控制工作流程

PLC 和其他系統元件之間的控制工作流程如下圖所示：

每個 PLC 透過一致的內部映射結構報告其測量值（例如，M_SP_NA、M_DP_NA、M_ME_NB）並接收控制命令（C_SC_NA、C_RC_NA）。這些值會在模擬中動態視覺化，讓使用者可以觀察物理狀態變化和數位訊號交換。

工作流程元件：

輸入映射模組接收來自 HMI 的即時控制訊號（透過 IEC104 Client）。
記憶體管理模組儲存測量點（例如，電源狀態、雷達回饋）和可變點（例如，開啟/關閉命令、亮度）。
階梯邏輯/結構化文字計算模組根據工業自動化標準或過載控制執行內部邏輯運算。
輸出映射模組將內部結果轉換為模擬的類比/數位電子訊號，透過高頻 UDP 訊息傳送到 Level 0 現場 I/O 裝置，以模擬電子訊號變化。

PLC-HMI 和裝置映射

在目前版本 (v_0.0.1) 中，系統實作六個虛擬 PLC，它們與2D 物理世界視覺化模組和 SCADA HMI 通訊，如下所示：

每個 PLC 都映射到特定的機場子系統：

PLC 名稱	PLC_ID	受控元件	連結的 HMI
西跑道電源 PLC	PLC-01	ALS、ISL、區域燈和滑行道指示器（跑道 12 - 西）	塔台的電源控制 HMI
東跑道電源 PLC	PLC-02	ALS、ISL、區域燈和滑行道指示器（跑道 23 - 東）	塔台的電源控制 HMI
西跑道狀態 PLC	PLC-03	跑道 12 上的 ALS、ISL、區域燈和滑行道指示器狀態（顏色、強度、閃爍）	跑道燈控制 HMI（跑道 12 標籤）
東跑道狀態 PLC	PLC-04	跑道 23 上的 ALS、ISL、區域燈和滑行道指示器狀態（顏色、強度、閃爍）	跑道燈控制 HMI（跑道 23 標籤）
跑道系統控制 PLC	PLC-05	跑道信標、邊緣燈、VHF 天線、障礙燈、廣播系統	跑道系統控制 HMI
雷達系統控制 PLC	PLC-06	飛機追蹤雷達、氣象雷達、地面移動雷達、雷達塔電源	雷達 HMI 控制面板

塔台 SCADA-HMI 系統模組

塔台 SCADA-HMI 系統是 Mini OT Aviation CAT-II 機場跑道燈管理模擬系統的監管層。它透過一組整合的人機介面 (HMI) 提供對所有機場跑道照明和雷達子系統的互動式監控和控制，這些介面透過四種類型的 OT 通訊匯流排連接到六個可程式邏輯控制器 (PLC)，如下所示：

HMI–PLC 通訊匯流排：

系統控制匯流排 (IEC-104)：透過系統控制 HMI 控制系統和子系統電源狀態（開啟/關閉）[正在編輯的 HMI 程式 (v_0.0.1)，目前設定為燈光 HMI 下的一個標籤，稍後我會將其拆分為一個獨立的 HMI]。
燈光狀態控制匯流排 (IEC-104)：從跑道燈 HMI 管理所有 11 種類型的跑道照明元件。
雷達天線控制匯流排 (IEC-104)：透過雷達控制 HMI 切換 3 種類型的雷達天線模式（例如，待機或主動傳輸）並控制雷達塔。
雷達資料和功能匯流排（BR24 和 Simnet 協定）：傳輸雷達回波輻射資料並啟用進階雷達控制，包括飛機追蹤和雷達範圍調整。

塔台的跑道燈控制 HMI

跑道燈控制 HMI 提供視覺化的模組化介面，用於管理飛機在起飛、降落和滑行操作期間的照明。使用者介面如下所示：

它具有三個主要的控制面板：

西側進場（跑道 12）面板：控制在跑道 12 上降落的飛機的進場燈光系統 (ALS)。
東側進場（跑道 23）面板：控制從相反方向進場的飛機的進場燈光系統 (ALS)，跑道 23。
主跑道和滑行道面板：顯示目前的跑道狀態和照明狀態。它允許操作員引導已降落的飛機前往航廈，並引導準備起飛的飛機前往正確的跑道入口點。它還包括跑道和滑行道燈的可調整亮度控制。

機場監視雷達控制和監視 HMI

雷達控制和監視 HMI 用作雷達子系統管理和飛機情境感知的視覺和功能介面。使用者介面如下所示：

主要功能包括：

雷達回波視覺化：顯示雷達回波輻射影像，同時即時突出顯示追蹤的飛機位置。
雷達操作控制：提供雷達待機模式、傳輸啟動和範圍調整的切換控制。
飛機高度監控：繪製並比較雷達偵測到的飛機高度與透過 VHF 通訊回報的高度，支援異常偵測和冗餘驗證。

總結

總之，Mini OT Aviation CAT-II 跑道燈管理模擬系統 為航空網路安全準備提供了關鍵能力。透過準確複製分層 OT 架構中跑道照明、雷達和通訊 SCADA 系統之間的相互依賴性，這個網路雙生平台能夠對源自網路攻擊的級聯故障情境進行真實建模。其遊戲般的 2D 視覺化、PLC 模擬和塔台 HMI 介面提供了一個易於存取但技術上嚴謹的環境，用於訓練基礎設施防禦者、測試漏洞和展示網路威脅影響。