文｜西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)公司 程峰

一、引言

在大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)為引領(lǐng)的新一輪科技革命背景下，航空運(yùn)輸行業(yè)作為交通與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)之一，將在新一輪科技革命中迎來(lái)航空融合基建、“四型機(jī)場(chǎng)”建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。其中，基于在線監(jiān)測(cè)的機(jī)場(chǎng)智能跑道可實(shí)現(xiàn)道面性能實(shí)時(shí)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，近幾年得到了機(jī)場(chǎng)建設(shè)與管理人員的重點(diǎn)關(guān)注。

傳感器選型作為機(jī)場(chǎng)智能跑道建設(shè)最為基礎(chǔ)和重要的一步，傳感器選擇是否適用于機(jī)場(chǎng)跑道將極大地影響到后續(xù)跑道運(yùn)維情況的分析與判斷。雖然目前結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)已有許多研究人員做了大量的工作，但較多地是集中于橋梁、道路工程領(lǐng)域。作為機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，跑道直接服務(wù)于航空器的高速起降，對(duì)其承載力、平整性、安全性、舒適性都有更高的要求。同時(shí)，機(jī)場(chǎng)道面具有典型的荷載、材料的非線性特征，這對(duì)跑道道面監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、高頻率提出了新的挑戰(zhàn)。因此，直接沿用橋梁、大壩等其他結(jié)構(gòu)物的傳感器選型方案對(duì)跑道不適用。本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道道面在線監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行選型研究，結(jié)合理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探究傳感器對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響，詳細(xì)闡述傳感器的分類(lèi)，并依據(jù)頻率計(jì)算公式、香農(nóng)理論進(jìn)行傳感器參數(shù)選擇，預(yù)期成果可為智能跑道傳感器選型提供技術(shù)參考。

二、傳感器埋設(shè)對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響分析

埋設(shè)的傳感器對(duì)道面結(jié)構(gòu)有多大影響，直接關(guān)乎道面在線監(jiān)測(cè)的可行性與合理性。以某國(guó)際機(jī)場(chǎng)的智慧跑道項(xiàng)目為例，就傳感器對(duì)道面運(yùn)行安全的影響開(kāi)展理論分析、專(zhuān)家論證及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

（一）理論分析

采用A320 為典型機(jī)型，在Abaqus 軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得到最不利狀態(tài)下道面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（臨界荷位），如圖1、2所示。結(jié)果表明，傳感器安裝后最大應(yīng)力增加4.5%，最大變形增加0.004mm。這表明傳感器埋設(shè)對(duì)道面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的變化影響較小。

圖1 Abaqus 應(yīng)力計(jì)算云圖

圖2 Abaqus 應(yīng)變計(jì)算云圖

（二）實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證

結(jié)合已完成傳感器埋設(shè)的某智能跑道，采集其道面監(jiān)測(cè)與檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)傳感器埋設(shè)區(qū)域的混凝土FWD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3，可見(jiàn)埋設(shè)傳感器區(qū)域彎沉?xí)兴黾?，?%-8%左右，最大值不超過(guò)8%。這表明傳感器對(duì)道面結(jié)構(gòu)彎沉的變化影響較小，且埋設(shè)傳感器區(qū)域的道面平整度與普通區(qū)平整度幾乎無(wú)差異，不影響飛機(jī)運(yùn)行。

圖3 某國(guó)際機(jī)場(chǎng)智慧跑道FWD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

綜上所述，經(jīng)Abaqus 理論分析計(jì)算和FWD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)傳感器的埋設(shè)雖一定程度上會(huì)增大道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變與彎沉，但增加幅度均不超過(guò)8%，說(shuō)明其對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響較小。

三、道面?zhèn)鞲衅鬟x型

（一）傳感器類(lèi)別選擇

1.依據(jù)感知手段分類(lèi)

現(xiàn)階段傳感器依據(jù)道面性狀感知手段主要分為光纖類(lèi)和電阻類(lèi)傳感器。二者在技術(shù)以及工作原理上有顯著差異，光纖傳感器與電阻傳感器的優(yōu)劣性如表1所示。

表1 光纖傳感器與電阻傳感器優(yōu)劣對(duì)比

根據(jù)上表可知，與電阻傳感器相比，光纖傳感器具有長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)定、抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)、定位精準(zhǔn)、布設(shè)范圍廣且維護(hù)成本低（為電阻傳感器成本的1/2 以下）等優(yōu)點(diǎn)。最關(guān)鍵的是光纖傳感器使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)研究其理論使用壽命可達(dá)20年以上，因此本文推薦針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的傳感器選型主要采用光纖傳感式傳感器。

2.依據(jù)感知對(duì)象分類(lèi)

機(jī)場(chǎng)道面?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)感知對(duì)象的不同，可分為道面結(jié)構(gòu)感知和環(huán)境感知兩類(lèi)。其中，道面感知類(lèi)傳感器主要包括加速度計(jì)、振動(dòng)光纖、靜（動(dòng)）態(tài)應(yīng)變計(jì)、激光輪跡儀、壓力傳感器等；環(huán)境感知類(lèi)主要包括水膜傳感器、溫度傳感器等。關(guān)于各類(lèi)傳感器的名稱(chēng)、監(jiān)測(cè)目的、布設(shè)位置具體如表2所示。

表2 機(jī)場(chǎng)道面各類(lèi)感知傳感器匯總

（二）傳感器參數(shù)選擇

飛機(jī)在跑道上高速起飛、降落與滑行，速度可達(dá)360km/h，因此傳感器參數(shù)的選擇需重點(diǎn)考慮采樣頻率：若采樣頻率過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)量龐大，難以儲(chǔ)存；而若采樣頻率過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致采集不到飛機(jī)經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)信息，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析與決策判斷。因此，采樣頻率的正確選擇至關(guān)重要。

1.理論計(jì)算結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)最高頻率

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的最高頻率指在極限情況下，為能準(zhǔn)確捕捉到結(jié)構(gòu)上發(fā)生的事件信號(hào)信息，所采用的理論最高監(jiān)測(cè)頻率值，用Fs表示，單位為Hz，T 為監(jiān)測(cè)周期。在已知飛機(jī)最大起降速度V、輪胎作用長(zhǎng)度L 的情況下，可利用式1 計(jì)算結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)最高頻率：

以監(jiān)測(cè)飛機(jī)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)為例，飛機(jī)起降最高時(shí)速為90m/s 左右，飛機(jī)輪胎作用長(zhǎng)度取在0.3m 左右，即可計(jì)算出結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)最高頻率為。

2.依據(jù)香農(nóng)定理選擇采樣頻率

采樣頻率是指每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)樣本的采樣個(gè)數(shù)。依據(jù)香農(nóng)定理，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)，采樣頻率至少為結(jié)構(gòu)最高監(jiān)測(cè)頻率的2 倍，否則會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)不到的情況。并且為保證避免出現(xiàn)混頻現(xiàn)象，可適當(dāng)調(diào)大采樣頻率為最高監(jiān)測(cè)頻率的3～10 倍。

對(duì)于實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求較高的傳感器，即激光輪跡儀、振動(dòng)光纖、動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)這四類(lèi)，主要監(jiān)測(cè)的是飛機(jī)和道面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用香農(nóng)定理可確定其采樣頻率大致為900～3000。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，并考慮響應(yīng)突變信號(hào)的完整性，推薦振動(dòng)光纖、加速度計(jì)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)頻率為2500，激光輪跡儀采樣頻率為1000。

對(duì)于監(jiān)測(cè)對(duì)象變化范圍不大、對(duì)實(shí)時(shí)性要求低的傳感器，即水膜厚度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器這三類(lèi)，其采樣頻率需要特殊考慮。由于道面脫空是在飛機(jī)沖擊荷載反復(fù)作用下才產(chǎn)生的，壓力傳感器保證1 天監(jiān)測(cè)一次即可。另外，機(jī)場(chǎng)道面的水膜厚度、溫度場(chǎng)、靜態(tài)應(yīng)變雖然呈現(xiàn)遞增或遞減的趨勢(shì)，但變化較為平穩(wěn)，推薦其采樣頻率范圍在1Hz。機(jī)場(chǎng)道面各類(lèi)感知傳感器推薦的監(jiān)測(cè)頻率如表3所示。

表3 機(jī)場(chǎng)道面各類(lèi)感知傳感器推薦的監(jiān)測(cè)頻率

四、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)智能跑道道面?zhèn)鞲羞x型展開(kāi)研究，經(jīng)過(guò)一系列的理論分析、實(shí)際驗(yàn)證與比選，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)在Abaqus 軟件有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析傳感器埋設(shè)對(duì)道面結(jié)構(gòu)影響，得到其應(yīng)力、應(yīng)變、彎沉均變化范圍均不大，驗(yàn)證了傳感器對(duì)道面結(jié)構(gòu)影響較小。

（2）經(jīng)過(guò)光纖傳感器、電阻傳感器在惡劣環(huán)境、抗風(fēng)險(xiǎn)能力、監(jiān)測(cè)范圍、大面積布設(shè)成本、信號(hào)解析四層面的比選，綜合考慮道面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)優(yōu)先選擇光纖感知類(lèi)傳感器。

（3）依據(jù)感知對(duì)象不同，本文具體給出了常用于道面感知、環(huán)境感知的八類(lèi)傳感器，并詳細(xì)介紹了其各自的監(jiān)測(cè)目的和布設(shè)位置。

（4）利用頻率計(jì)算公式與香農(nóng)定理，給出了可供參考的八類(lèi)傳感器采樣頻率。