李佳明 曹鐵 邵黎明

摘要：分析了機場跑道管理中存在的問題，提出了基于傳感器技術(shù)建立機場跑道監(jiān)測平臺，并結(jié)合跑道業(yè)務需求，在平臺的基礎上建立了機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)、機場跑道評價系統(tǒng)、數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)和跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng)，提高了跑道管理工作的效率和智能化、自動化水平。

關(guān)鍵詞：傳感器;跑道;監(jiān)測;管理

中圖分類號：TP212.9;V351.11? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.019

0? ? 引言

我國正加快實施民航強國戰(zhàn)略目標，在此背景下，智能化、數(shù)字化、信息化成為我國機場未來發(fā)展的必然趨勢，全時安全、高效經(jīng)濟、信息融合是飛行區(qū)未來的運行目標[1]。機場跑道作為機場最重要的基礎設施之一，承擔著整個飛機地面運行的保障工作;同時機場跑道也是確定機場適航能力的重要內(nèi)容，其健康狀況直接關(guān)系到飛機運行的安全性[2]。

現(xiàn)階段我國機場在跑道性狀監(jiān)測與管理方面還存在以下比較突出的問題：一是技術(shù)手段存在短板。當前我國機場跑道檢測與評價主要依靠傳統(tǒng)的人工巡查、FWD檢測和鉆芯取樣等，傳統(tǒng)手段在數(shù)據(jù)互聯(lián)、檢測效率、不停航檢測等方面的不足，制約了我國機場的智能化進程[3]。二是管理與運行矛盾突出?，F(xiàn)行機場跑道管理方法是通過對跑道進行定期檢測，評估機場跑道的結(jié)構(gòu)性和功能性質(zhì)量水平，為機場跑道的運營維護提供依據(jù)。跑道調(diào)查包括日常巡查、緊急檢查、詳細調(diào)查、專項調(diào)查4種形式。受制于飛行區(qū)運營特點，跑道調(diào)查工作難以快速、常態(tài)化開展。盡管近年來部分機場采用了車載檢測設備，但信息獲取量仍然較少，跑道健康狀況的評價依然不全面[4]。近年來智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，為實時、高效、精準地感知監(jiān)測跑道狀態(tài)提供了有利條件。通過在機場跑道結(jié)構(gòu)內(nèi)部、層間以及飛行區(qū)場域中布設各類傳感器，能夠有效監(jiān)測力學、環(huán)境、交通等數(shù)據(jù)及其時空分布情況[5]?；诖耍疚脑O計了基于傳感器技術(shù)的機場跑道監(jiān)測平臺。

1? ? 監(jiān)測平臺設計

1.1? ? 總體框架

機場跑道監(jiān)測主要包括跑道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、沉降狀態(tài)和跑道濕滑狀態(tài)的監(jiān)測。先建立跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng)，將獲取的跑道狀態(tài)原始傳感器數(shù)據(jù)保存在跑道狀態(tài)原始數(shù)據(jù)庫中;再通過數(shù)據(jù)整理與分析，并與機場跑道巡檢信息、維護信息、跑道地理位置信息、跑道結(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息等其他數(shù)據(jù)庫進行結(jié)合，形成機場跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，建立基于傳感器技術(shù)的機場跑道信息分析與服務平臺，基于此平臺建設機場跑道監(jiān)測管理子系統(tǒng)、機場跑道評價子系統(tǒng)、數(shù)字孿生跑道子系統(tǒng)和跑道作業(yè)信息管理子系統(tǒng)?？傮w框架如圖1所示。

1.2? ? 跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng)

跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng)主要由傳感器、傳輸光纜和傳感器信號解調(diào)儀組成。傳感器實現(xiàn)跑道結(jié)構(gòu)、沉降和濕滑等狀態(tài)的感知。傳感器均為光纖光柵類，利用傳輸光纜將傳感器光信號傳輸給解調(diào)儀，再通過解調(diào)儀將光信號轉(zhuǎn)化為原始數(shù)據(jù)文件并保存，形成傳感器原始數(shù)據(jù)庫。

跑道的沉降感知可分為整體沉降感知和局部沉降感知。整體沉降感知主要采用分布式應變光纖，在跑道地基層建設時將光纖整體埋入。將應變光纖獲取的應變信息解析為沉降信息，即可獲得跑道的沉降信息。局部沉降采用單點沉降計感知，同時也利用濕度計對跑道地基的濕度情況進行感知，以此對地基狀態(tài)信息進行綜合感知。

跑道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)采用加速度傳感器、溫度傳感器、應變傳感器等進行感知。在飛機起飛降落區(qū)域、滑跑區(qū)域和轉(zhuǎn)向區(qū)域，利用加速度傳感器對飛機載荷作用下的跑道面板振動進行感知，利用應變計對跑道面板的變形進行感知，利用溫度計對跑道面板的溫度變化進行感知。

跑道的濕滑狀態(tài)采用水膜傳感器、冰雪傳感器等進行感知。在跑道道肩處埋設傳感器，埋設后的傳感器頂面與跑道道面的上表面齊平。

1.3? ? 機場跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫

對傳感器原始數(shù)據(jù)進行整理分析，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常值識別、無效值剔除、缺失數(shù)據(jù)填補等，并存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，形成跑道傳感器數(shù)據(jù)庫;同時通過與機場跑道巡檢信息、維護信息、跑道地理位置信息、跑道結(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息等集成，形成機場跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫，為平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4? ? 機場跑道信息分析與服務平臺

在跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫的基礎上，利用數(shù)字孿生技術(shù)，建立跑道數(shù)字孿生模型，為跑道狀態(tài)信息的可視化展示提供支撐;利用多源信息融合、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建融合力學分析的跑道性狀評價計算模塊，為跑道性狀評價提供服務;開展不同數(shù)據(jù)的融合分析，構(gòu)建出跑道性狀預測和風險評估模型，為跑道性狀的預測和風險評估提供服務;構(gòu)建基于專家經(jīng)驗和人工智能的跑道維修決策模型，為跑道維護提供智能決策。

1.5? ? 機場跑道監(jiān)測平臺應用系統(tǒng)

在機場跑道信息分析與服務平臺的基礎上，建立相應的應用系統(tǒng)，包括機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)、機場跑道評價系統(tǒng)、數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)和跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng)，為機場跑道管理人員提供管理應用。

2? ? 平臺應用設計

2.1? ? 機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)

機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)用于傳感器數(shù)據(jù)的管理、傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計展示和傳感器狀態(tài)的管理。

（1）傳感器數(shù)據(jù)管理?？砂凑諅鞲衅鞯念愋?、編號、區(qū)域、時間、狀態(tài)等條件對傳感器數(shù)據(jù)進行查詢，也可對傳感器數(shù)據(jù)進行修改、刪除等操作。（2）傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計展示。將傳感器原始數(shù)據(jù)整理后形成的數(shù)據(jù)，以圖表的形式進行展示，便于管理人員直觀地了解傳感器的歷史和實時數(shù)據(jù)。（3）傳感器狀態(tài)管理?？蓪崟r查看傳感器的存活狀態(tài)，可對傳感器位置、編號、區(qū)域、狀態(tài)等信息進行編輯。

2.2? ? 機場跑道評價系統(tǒng)

基于跑道性狀評價參數(shù)計算模型、跑道損壞狀況識別模型、跑道性能分析預測模型、道面安全風險評價模型和跑道綜合維護決策模型，機場跑道評價系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跑道風險評價、跑道性能評價、跑道態(tài)勢預測分析和跑道維護智能決策。

（1）跑道風險評價?；谂艿谰C合信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對跑道結(jié)構(gòu)風險、跑道沉降風險、跑道抗滑風險和跑道輪跡偏移風險的評價。（2）跑道性能評價。實現(xiàn)對跑道PCI/SCI（跑道狀況指數(shù)/跑道結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)）指標、跑道PCN（跑道等級號）指標、跑道剩余壽命、跑道平整度等性能指標的評價，同時也包括基于跑道綜合信息數(shù)據(jù)的跑道安全狀態(tài)綜合評價以及跑道維護決策功能。（3）跑道態(tài)勢預測分析。包括地基沉降態(tài)勢預測分析、地基反應模量態(tài)勢預測分析、跑道疲勞損傷態(tài)勢預測分析。（4）跑道維護智能決策?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)和專家經(jīng)驗模型等，結(jié)合跑道當前狀況數(shù)據(jù)，給出道面維護方法、維護頻率、維護時間等建議。

2.3? ? 數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)

數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)以跑道三維模型為重點，建立包括跑道、滑行道、聯(lián)絡道的三維數(shù)字模型，其中跑道以多層結(jié)構(gòu)的形式進行展現(xiàn)，跑道的每層結(jié)構(gòu)中均包含了傳感器模型。數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)可實現(xiàn)跑道三維場景漫游、跑道信息查詢展示、跑道區(qū)域交通可視化、跑道天氣狀態(tài)可視化。

（1）跑道三維場景漫游。提供可供編輯的路線和旋轉(zhuǎn)、縮放、定位等功能，用于跑道三維場景的漫游。（2）跑道信息查詢展示。通過編號、區(qū)塊、類型等條件，查詢特定的跑道信息或傳感器數(shù)據(jù)信息，并將查詢結(jié)果高亮顯示。（3）跑道區(qū)域交通可視化。接入車輛GPS信息，實現(xiàn)對跑道巡檢、作業(yè)等車輛的實時追蹤和軌跡回放。接入跑道航班運行數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)飛機起降和滑行軌跡在模型上的可視化。（4）跑道天氣狀態(tài)可視化。接入跑道周邊環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對雨、雷、雪等天氣狀況進行三維數(shù)字化展示，實現(xiàn)跑道運行天氣狀況的可視化。

2.4? ? 跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng)

跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng)包含桌面端和移動端系統(tǒng)，主要用于跑道巡檢管理、跑道維護管理、跑道板塊管理和統(tǒng)計分析。桌面端采用B/S架構(gòu)，移動端以手機應用的形式安裝于巡檢人員的手持終端。

（1）跑道巡檢管理。包含巡檢計劃管理和巡檢記錄管理。其中，巡檢計劃管理包含跑道巡檢類型、巡檢人員、巡檢時間和巡檢區(qū)域的選擇。在巡檢計劃確定之后，通過桌面端將計劃發(fā)送給巡檢人員的手持終端。巡檢記錄管理包含巡檢軌跡回放和巡檢結(jié)果查詢。巡檢人員在巡檢時，利用手持終端可對現(xiàn)場病害情況進行拍照，并利用GPS信息實現(xiàn)病害的定位，將病害信息和位置信息綁定后上傳至系統(tǒng)。（2）跑道維護管理?？蓪ε艿谰S護計劃進行管理，可直接將維護工單下發(fā)至維護人員的手持終端，維護人員通過手持終端可查看維修工單，維護后通過手持終端錄入跑道維護信息并上傳至系統(tǒng)中。（3）跑道板塊管理。包括跑道的板塊分區(qū)信息和跑道結(jié)構(gòu)信息管理，板塊分區(qū)信息包括每個板塊的地理位置信息、板塊編碼信息，根據(jù)跑道布局構(gòu)建的跑道板塊圖，每個板塊與實際跑道布局完全對應，并可對跑道的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行編輯和更新。（4）統(tǒng)計分析。包括道面病害類型、道面病害程度和道面病害區(qū)域的統(tǒng)計分析。

3? ? 系統(tǒng)建設關(guān)注的問題

基于傳感器技術(shù)的機場跑道監(jiān)測平臺的建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，既涉及機場跑道的土建施工，也涉及大量傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析，還涉及跑道多個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。因此，在實際建設工程中，仍有以下幾項問題要關(guān)注：

（1）傳感器的存活率。傳感器在跑道建設過程中埋入，在埋設過程中，受現(xiàn)場施工環(huán)境、傳感器埋設方式、傳感器質(zhì)量等影響，極易出現(xiàn)損壞情況，因此需規(guī)范傳感器埋設流程，提高傳感器埋設時的存活率，同時做好現(xiàn)場施工的協(xié)調(diào)管理工作，加強已埋設傳感器及其傳輸光纜的保護工作。此外，由于傳感器是埋設于機場跑道中，在跑道使用過程中不可避免地會受到大量外力的沖擊和壓力，因此在傳感器選擇時也要關(guān)注其抗沖擊和抗壓能力，以滿足監(jiān)測需求。（2）傳感器數(shù)據(jù)的存儲。對于真實的機場跑道，埋設的傳感器數(shù)量通常多達數(shù)百個，每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量通常超過10 TB。因此，需建立數(shù)據(jù)分析模型，對這些海量數(shù)據(jù)進行存儲，篩選出有效信息，以減少存儲成本。（3）多源跑道信息的集成。系統(tǒng)將集成機場跑道巡檢信息、維護信息、跑道地理位置信息、跑道結(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息，需建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)通信接口，并做好各類數(shù)據(jù)的管理工作。

4? ? 結(jié)語

跑道是機場最重要的設施之一。傳感器技術(shù)的發(fā)展為跑道監(jiān)測提供了實時化、精準化的技術(shù)手段，結(jié)合數(shù)字孿生跑道，集成跑道巡檢、維護、航班交通量等信息，可實現(xiàn)跑道狀態(tài)的可視化展示。在跑道建設期埋設傳感器，并在跑道運營期開展跑道監(jiān)測，實現(xiàn)跑道運營全周期數(shù)據(jù)的采集，可為跑道壽命周期內(nèi)的性能趨勢研究提供基礎資源，為跑道運行管理、安全評價、維修決策提供數(shù)據(jù)支撐和多維度的展示形式，從而提高跑道管理工作的效率和智能化、自動化水平。

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收稿日期：2021-10-08

作者簡介：李佳明（1993—），男，四川成都人，工程師，研究方向：機場安全。