基于傳感器技術(shù)的機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李佳明 曹鐵 邵黎明

摘要：分析了機(jī)場(chǎng)跑道管理中存在的問(wèn)題，提出了基于傳感器技術(shù)建立機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并結(jié)合跑道業(yè)務(wù)需求，在平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立了機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)跑道評(píng)價(jià)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(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：傳感器;跑道;監(jiān)測(cè);管理

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

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

0? ? 引言

我國(guó)正加快實(shí)施民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，在此背景下，智能化、數(shù)字化、信息化成為我國(guó)機(jī)場(chǎng)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，全時(shí)安全、高效經(jīng)濟(jì)、信息融合是飛行區(qū)未來(lái)的運(yùn)行目標(biāo)[1]。機(jī)場(chǎng)跑道作為機(jī)場(chǎng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，承擔(dān)著整個(gè)飛機(jī)地面運(yùn)行的保障工作;同時(shí)機(jī)場(chǎng)跑道也是確定機(jī)場(chǎng)適航能力的重要內(nèi)容，其健康狀況直接關(guān)系到飛機(jī)運(yùn)行的安全性[2]。

現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)場(chǎng)在跑道性狀監(jiān)測(cè)與管理方面還存在以下比較突出的問(wèn)題：一是技術(shù)手段存在短板。當(dāng)前我國(guó)機(jī)場(chǎng)跑道檢測(cè)與評(píng)價(jià)主要依靠傳統(tǒng)的人工巡查、FWD檢測(cè)和鉆芯取樣等，傳統(tǒng)手段在數(shù)據(jù)互聯(lián)、檢測(cè)效率、不停航檢測(cè)等方面的不足，制約了我國(guó)機(jī)場(chǎng)的智能化進(jìn)程[3]。二是管理與運(yùn)行矛盾突出?，F(xiàn)行機(jī)場(chǎng)跑道管理方法是通過(guò)對(duì)跑道進(jìn)行定期檢測(cè)，評(píng)估機(jī)場(chǎng)跑道的結(jié)構(gòu)性和功能性質(zhì)量水平，為機(jī)場(chǎng)跑道的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)。跑道調(diào)查包括日常巡查、緊急檢查、詳細(xì)調(diào)查、專項(xiàng)調(diào)查4種形式。受制于飛行區(qū)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，跑道調(diào)查工作難以快速、常態(tài)化開展。盡管近年來(lái)部分機(jī)場(chǎng)采用了車載檢測(cè)設(shè)備，但信息獲取量仍然較少，跑道健康狀況的評(píng)價(jià)依然不全面[4]。近年來(lái)智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)時(shí)、高效、精準(zhǔn)地感知監(jiān)測(cè)跑道狀態(tài)提供了有利條件。通過(guò)在機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)內(nèi)部、層間以及飛行區(qū)場(chǎng)域中布設(shè)各類傳感器，能夠有效監(jiān)測(cè)力學(xué)、環(huán)境、交通等數(shù)據(jù)及其時(shí)空分布情況[5]。基于此，本文設(shè)計(jì)了基于傳感器技術(shù)的機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1? ? 監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1? ? 總體框架

機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)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(cè)。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(kù)中;再通過(guò)數(shù)據(jù)整理與分析，并與機(jī)場(chǎng)跑道巡檢信息、維護(hù)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(kù)進(jìn)行結(jié)合，形成機(jī)場(chǎng)跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，建立基于傳感器技術(shù)的機(jī)場(chǎng)跑道信息分析與服務(wù)平臺(tái)，基于此平臺(tái)建設(shè)機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)跑道評(píng)價(jià)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(hào)解調(diào)儀組成。傳感器實(shí)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(hào)傳輸給解調(diào)儀，再通過(guò)解調(diào)儀將光信號(hào)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(kù)。

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(yīng)變光纖，在跑道地基層建設(shè)時(shí)將光纖整體埋入。將應(yīng)變光纖獲取的應(yīng)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(diǎn)沉降計(jì)感知，同時(shí)也利用濕度計(jì)對(duì)跑道地基的濕度情況進(jìn)行感知，以此對(duì)地基狀態(tài)信息進(jìn)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(yīng)變傳感器等進(jìn)行感知。在飛機(jī)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(duì)飛機(jī)載荷作用下的跑道面板振動(dòng)進(jìn)行感知，利用應(yīng)變計(jì)對(duì)跑道面板的變形進(jìn)行感知，利用溫度計(jì)對(duì)跑道面板的溫度變化進(jìn)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(jìn)行感知。在跑道道肩處埋設(shè)傳感器，埋設(shè)后的傳感器頂面與跑道道面的上表面齊平。

1.3? ? 機(jī)場(chǎng)跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常值識(shí)別、無(wú)效值剔除、缺失數(shù)據(jù)填補(bǔ)等，并存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成跑道傳感器數(shù)據(jù)庫(kù);同時(shí)通過(guò)與機(jī)場(chǎng)跑道巡檢信息、維護(hù)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(jī)場(chǎng)跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4? ? 機(jī)場(chǎng)跑道信息分析與服務(wù)平臺(tái)

在跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)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(xué)分析的跑道性狀評(píng)價(jià)計(jì)算模塊，為跑道性狀評(píng)價(jià)提供服務(wù);開展不同數(shù)據(jù)的融合分析，構(gòu)建出跑道性狀預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，為跑道性狀的預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供服務(wù);構(gòu)建基于專家經(jīng)驗(yàn)和人工智能的跑道維修決策模型，為跑道維護(hù)提供智能決策。

1.5? ? 機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)

在機(jī)場(chǎng)跑道信息分析與服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，包括機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)跑道評(píng)價(jià)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(jī)場(chǎng)跑道管理人員提供管理應(yīng)用。

2? ? 平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1? ? 機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)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(jì)展示和傳感器狀態(tài)的管理。

（1）傳感器數(shù)據(jù)管理。可按照傳感器的類型、編號(hào)、區(qū)域、時(shí)間、狀態(tài)等條件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除等操作。（2）傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行展示，便于管理人員直觀地了解傳感器的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（3）傳感器狀態(tài)管理?？蓪?shí)時(shí)查看傳感器的存活狀態(tài)，可對(duì)傳感器位置、編號(hào)、區(qū)域、狀態(tài)等信息進(jìn)行編輯。

2.2? ? 機(jī)場(chǎng)跑道評(píng)價(jià)系統(tǒng)

基于跑道性狀評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算模型、跑道損壞狀況識(shí)別模型、跑道性能分析預(yù)測(cè)模型、道面安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和跑道綜合維護(hù)決策模型，機(jī)場(chǎng)跑道評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跑道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、跑道性能評(píng)價(jià)、跑道態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析和跑道維護(hù)智能決策。

（1）跑道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)?；谂艿谰C合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、跑道沉降風(fēng)險(xiǎn)、跑道抗滑風(fēng)險(xiǎn)和跑道輪跡偏移風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)。（2）跑道性能評(píng)價(jià)。實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道PCI/SCI（跑道狀況指數(shù)/跑道結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)）指標(biāo)、跑道PCN（跑道等級(jí)號(hào)）指標(biāo)、跑道剩余壽命、跑道平整度等性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)，同時(shí)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(píng)價(jià)以及跑道維護(hù)決策功能。（3）跑道態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析。包括地基沉降態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析、地基反應(yīng)模量態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析、跑道疲勞損傷態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析。（4）跑道維護(hù)智能決策。基于人工智能技術(shù)和專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?，結(jié)合跑道當(dāng)前狀況數(shù)據(jù)，給出道面維護(hù)方法、維護(hù)頻率、維護(hù)時(shí)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(diǎn)，建立包括跑道、滑行道、聯(lián)絡(luò)道的三維數(shù)字模型，其中跑道以多層結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)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(shí)現(xiàn)跑道三維場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景的漫游。（2）跑道信息查詢展示。通過(guò)編號(hào)、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(shí)現(xiàn)對(duì)跑道巡檢、作業(yè)等車輛的實(shí)時(shí)追蹤和軌跡回放。接入跑道航班運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)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(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)雨、雷、雪等天氣狀況進(jìn)行三維數(shù)字化展示，實(shí)現(xiàn)跑道運(yùn)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(dòng)端系統(tǒng)，主要用于跑道巡檢管理、跑道維護(hù)管理、跑道板塊管理和統(tǒng)計(jì)分析。桌面端采用B/S架構(gòu)，移動(dòng)端以手機(jī)應(yīng)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(jì)劃管理和巡檢記錄管理。其中，巡檢計(jì)劃管理包含跑道巡檢類型、巡檢人員、巡檢時(shí)間和巡檢區(qū)域的選擇。在巡檢計(jì)劃確定之后，通過(guò)桌面端將計(jì)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(shí)，利用手持終端可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)病害情況進(jìn)行拍照，并利用GPS信息實(shí)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(hù)管理?？蓪?duì)跑道維護(hù)計(jì)劃進(jìn)行管理，可直接將維護(hù)工單下發(fā)至維護(hù)人員的手持終端，維護(hù)人員通過(guò)手持終端可查看維修工單，維護(hù)后通過(guò)手持終端錄入跑道維護(hù)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(gè)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(gè)板塊與實(shí)際跑道布局完全對(duì)應(yīng)，并可對(duì)跑道的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行編輯和更新。（4）統(tǒng)計(jì)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(jì)分析。

3? ? 系統(tǒng)建設(shè)關(guān)注的問(wèn)題

基于傳感器技術(shù)的機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既涉及機(jī)場(chǎng)跑道的土建施工，也涉及大量傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析，還涉及跑道多個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。因此，在實(shí)際建設(shè)工程中，仍有以下幾項(xiàng)問(wèn)題要關(guān)注：

（1）傳感器的存活率。傳感器在跑道建設(shè)過(guò)程中埋入，在埋設(shè)過(guò)程中，受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、傳感器埋設(shè)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(shè)流程，提高傳感器埋設(shè)時(shí)的存活率，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)施工的協(xié)調(diào)管理工作，加強(qiáng)已埋設(shè)傳感器及其傳輸光纜的保護(hù)工作。此外，由于傳感器是埋設(shè)于機(jī)場(chǎng)跑道中，在跑道使用過(guò)程中不可避免地會(huì)受到大量外力的沖擊和壓力，因此在傳感器選擇時(shí)也要關(guān)注其抗沖擊和抗壓能力，以滿足監(jiān)測(cè)需求。（2）傳感器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)于真實(shí)的機(jī)場(chǎng)跑道，埋設(shè)的傳感器數(shù)量通常多達(dá)數(shù)百個(gè)，每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量通常超過(guò)10 TB。因此，需建立數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，篩選出有效信息，以減少存儲(chǔ)成本。（3）多源跑道信息的集成。系統(tǒng)將集成機(jī)場(chǎng)跑道巡檢信息、維護(hù)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(yǔ)

跑道是機(jī)場(chǎng)最重要的設(shè)施之一。傳感器技術(shù)的發(fā)展為跑道監(jiān)測(cè)提供了實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)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(hù)、航班交通量等信息，可實(shí)現(xiàn)跑道狀態(tài)的可視化展示。在跑道建設(shè)期埋設(shè)傳感器，并在跑道運(yùn)營(yíng)期開展跑道監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)跑道運(yùn)營(yíng)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(shì)研究提供基礎(chǔ)資源，為跑道運(yùn)行管理、安全評(píng)價(jià)、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(dòng)化水平。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫潔.民航機(jī)場(chǎng)跑道安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[2] 榮坤.一種機(jī)場(chǎng)跑道安全信息采集與道面分析系統(tǒng)[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.

[3] 徐子晴.民航機(jī)場(chǎng)跑道安全風(fēng)險(xiǎn)的管理模式[J].中國(guó)航班，2019（7）：56.

[4] 任延飛，楊朋.民用機(jī)場(chǎng)跑道入侵及預(yù)防措施研究[J].中國(guó)民用航空，2019（12）：56-58.

[5] 王美玲.關(guān)于機(jī)場(chǎng)跑道安全管理問(wèn)題的研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（下），2014（11）：343.

收稿日期：2021-10-08

作者簡(jiǎn)介：李佳明（1993—），男，四川成都人，工程師，研究方向：機(jī)場(chǎng)安全。