智能跑道道面在線監(jiān)測傳感器選型研究

文｜西部機場集團公司 程峰

一、引言

在大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、移動互聯(lián)等技術(shù)為引領(lǐng)的新一輪科技革命背景下，航空運輸行業(yè)作為交通與國民經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)之一，將在新一輪科技革命中迎來航空融合基建、“四型機場”建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點。其中，基于在線監(jiān)測的機場智能跑道可實現(xiàn)道面性能實時評估及風(fēng)險預(yù)警，近幾年得到了機場建設(shè)與管理人員的重點關(guān)注。

傳感器選型作為機場智能跑道建設(shè)最為基礎(chǔ)和重要的一步，傳感器選擇是否適用于機場跑道將極大地影響到后續(xù)跑道運維情況的分析與判斷。雖然目前結(jié)構(gòu)健康檢測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。作為機場飛行區(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，對其承載力、平整性、安全性、舒適性都有更高的要求。同時，機場道面具有典型的荷載、材料的非線性特征，這對跑道道面監(jiān)測的實時性、準確性、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跑道不適用。本文針對機場跑道道面在線監(jiān)測傳感器進行選型研究，結(jié)合理論和實測數(shù)據(jù)探究傳感器對道面結(jié)構(gòu)的影響，詳細闡述傳感器的分類，并依據(jù)頻率計算公式、香農(nóng)理論進行傳感器參數(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)對道面結(jié)構(gòu)的影響分析

埋設(shè)的傳感器對道面結(jié)構(gòu)有多大影響，直接關(guān)乎道面在線監(jiān)測的可行性與合理性。以某國際機場的智慧跑道項目為例，就傳感器對道面運行安全的影響開展理論分析、專家論證及現(xiàn)場驗證。

（一）理論分析

采用A320 為典型機型，在Abaqus 軟件進行有限元分析，計算得到最不利狀態(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)力計算云圖

圖2 Abaqus 應(yīng)變計算云圖

（二）實際數(shù)據(jù)驗證

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)測與檢測數(shù)據(jù)，對理論計算結(jié)果進行驗證。根據(jù)傳感器埋設(shè)區(qū)域的混凝土FWD 實測數(shù)據(jù)如圖3，可見埋設(shè)傳感器區(qū)域彎沉?xí)兴黾樱?%-8%左右，最大值不超過8%。這表明傳感器對道面結(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)平整度幾乎無差異，不影響飛機運行。

圖3 某國際機場智慧跑道FWD 實測數(shù)據(jù)

綜上所述，經(jīng)Abaqus 理論分析計算和FWD 實測數(shù)據(jù)驗證，發(fā)現(xiàn)傳感器的埋設(shè)雖一定程度上會增大道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變與彎沉，但增加幅度均不超過8%，說明其對道面結(jié)構(gòu)的影響較小。

三、道面?zhèn)鞲衅鬟x型

（一）傳感器類別選擇

1.依據(jù)感知手段分類

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和電阻類傳感器。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)劣對比

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

2.依據(jù)感知對象分類

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

表2 機場道面各類感知傳感器匯總

（二）傳感器參數(shù)選擇

飛機在跑道上高速起飛、降落與滑行，速度可達360km/h，因此傳感器參數(shù)的選擇需重點考慮采樣頻率：若采樣頻率過大可能會導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)量龐大，難以儲存；而若采樣頻率過小，可能會導(dǎo)致采集不到飛機經(jīng)過的數(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.理論計算結(jié)構(gòu)監(jiān)測最高頻率

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

以監(jiān)測飛機與動態(tài)響應(yīng)為例，飛機起降最高時速為90m/s 左右，飛機輪胎作用長度取在0.3m 左右，即可計算出結(jié)構(gòu)監(jiān)測最高頻率為。

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)信號中提取并組成離散信號樣本的采樣個數(shù)。依據(jù)香農(nóng)定理，對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測時，采樣頻率至少為結(jié)構(gòu)最高監(jiān)測頻率的2 倍，否則會出現(xiàn)監(jiān)測不到的情況。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)測頻率的3～10 倍。

對于實時性、準確性要求較高的傳感器，即激光輪跡儀、振動光纖、動態(tài)應(yīng)變計、加速度計這四類，主要監(jiān)測的是飛機和道面結(jié)構(gòu)動態(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)合實際監(jiān)測情況，并考慮響應(yīng)突變信號的完整性，推薦振動光纖、加速度計和動態(tài)應(yīng)變計監(jiān)測頻率為2500，激光輪跡儀采樣頻率為1000。

對于監(jiān)測對象變化范圍不大、對實時性要求低的傳感器，即水膜厚度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器這三類，其采樣頻率需要特殊考慮。由于道面脫空是在飛機沖擊荷載反復(fù)作用下才產(chǎn)生的，壓力傳感器保證1 天監(jiān)測一次即可。另外，機場道面的水膜厚度、溫度場、靜態(tài)應(yīng)變雖然呈現(xiàn)遞增或遞減的趨勢，但變化較為平穩(wěn)，推薦其采樣頻率范圍在1Hz。機場道面各類感知傳感器推薦的監(jiān)測頻率如表3所示。

表3 機場道面各類感知傳感器推薦的監(jiān)測頻率

四、結(jié)語

本文針對機場智能跑道道面?zhèn)鞲羞x型展開研究，經(jīng)過一系列的理論分析、實際驗證與比選，得到以下結(jié)論：

（1）通過在Abaqus 軟件有限元計算與實測數(shù)據(jù)分析傳感器埋設(shè)對道面結(jié)構(gòu)影響，得到其應(yīng)力、應(yīng)變、彎沉均變化范圍均不大，驗證了傳感器對道面結(jié)構(gòu)影響較小。

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

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

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