成都天府國際機場智能跑道管理系統

凌建明 張瑞菊 方意心

[摘要]文章依托成都天府國際機場西一跑道工程，通過傳感器件對道基變形、道面狀態(tài)和運行安全等實時感知，形成包含場道結構的安全監(jiān)測與防控、跑道運行的安全評價與預警、場道的精準維護與決策等三大功能的智能跑道管理系統，為機場運行風險管控和預防性中長期養(yǎng)護規(guī)劃提供建議和指導。

[關鍵詞] 機場;智能跑道;管理系統

[中圖分類號]V351.11[文獻標志碼] A

當今國內外正全力推進智慧基礎設施研發(fā)與應用，打造新一代的智慧城市建設。具體到民航機場領域，我國正加快推進以智慧為引領的“四型機場”建設。智慧機場建設最重要的是智能跑道建設，建立整套智能跑道管理系統。依據未來跑道的運行目標和智能跑道的組成要素，可將智能跑道系統定義為：面向跑道全壽命的性能維護和運行安全，通過智能傳感器件對跑道的各種信息進行實時感知、統--管理和分析表達，集成現場感知體系、數據傳輸體系、能源系統、數據存儲分析系統、網絡交互系統，形成具有性狀主動感知、信息融合分析、自主決策預警等智能能力的現代化跑道系統。

1工程背景

成都天，府國際機場所處的地形地質條件復雜，地表沖溝密集，軟弱土分布極不均勻，場地內主要填料濕化變形明顯，跑道工后不均勻沉降和板塊斷裂等潛在風險突出，客觀上需要運用先進的智能感知和數據分析技術建設智能跑道，，實現對跑道性狀的主動感知和實時預警，保障其結構安全和運行安全。本文依托成都天府國際機場西--跑道工程，形成全球第一個功能完善的智能跑道系統。

2智能跑道管理系統設計

2.1總體設計

2.1.1要素組成

智能跑道的組成要素應滿足跑道智能化運行的需求，具備自主感知、自主分析以及自主預測的能力。完整的智能跑道包括現場感知體系、數據傳輸體系、數據存儲分析系統以及網絡交互系統。

2.1.2系統架構

智能跑道由3個層次組成，分別為物理層、信息層和功能層。三者之間的關系如圖1所示。

2.1.3 功能模塊

智能跑道的功能模塊主要包括跑道結構安全、運行安全與維護決策3個方面。與傳統跑道相比，智能跑道的先進性。主要是由原來的人工檢測逐漸發(fā)展為全時、全域、主動識別及精準識別（圖2）。

2.2道基沉降監(jiān)測系統設計

跑道運營過程中，由于道基發(fā)生不均勻沉降，容易產生跑道錯臺、斷板等結構性病害，嚴重威脅跑道的運行安全。道基沉降監(jiān)測主要是通過監(jiān)測道基沉降的時空分布特征以及土體的濕度變化，掌握道基的變形規(guī)律，為跑道結構風險預警提供重要數據來源。道基沉降監(jiān)測主要包括原道基表面和填筑體中間層的沉降監(jiān)測，旨在反映道基在不同填筑高度下的沉降量變化以及差異沉降。道基濕度監(jiān)測主要包括土體濕度和基質吸力監(jiān)測，感知降雨過程中土體含水量、基質吸力的變化，確定道基濕度來源，獲得道基土體的固結程度。通過單點沉降計、智能沉降儀、分布式光纖，獲得全局絕對沉降，分析軟弱道基跑道的差異沉降。

針對跑道全范圍的沉降監(jiān)測，沿跑道中線縱向布設1條水平直埋式分布式光纖監(jiān)測帶，埋設傳感器包括5 m定點應變傳感光纜和高強鋼絲鎧裝溫度補償光纜各1條，在整個跑道內形成回路，以監(jiān)測飛機輪跡帶范圍內的縱向不均勻沉降。同時每隔300 m左右沿跑道橫向引出，方便后期維護維修。此外，還鉆孔布設26處豎向直埋式分布式光纖，以監(jiān)測跑道全范圍的道基絕對沉降。

2.3道面性狀感知系統設計

道面運營過程中，受飛機重復荷載以及環(huán)境因素等作用，易出現板底脫空、斷板、車轍等病害，降低道面的使用性能。道面性狀感知的內容包括結構層板底劣化監(jiān)測、結構狀態(tài)信息感知、道面濕滑狀態(tài)感知與飛機輪跡感知。結構層板底劣化監(jiān)測主要監(jiān)測跑道道基沉降、飛機重復荷載、以及外界因素作用下的道面板板底脫空。結構狀態(tài)信息感知主要感知飛機荷載和溫度作用下，道面板內部的力學響應。道面濕滑狀態(tài)感知主要通過水膜傳感器，感知跑道水膜覆蓋情況，判斷跑道濕滑狀態(tài)。飛機輪跡感知主要通過激光輪跡儀，感知飛機輪跡偏移，并識別飛機機型，為荷載數據分析提供重要參數。

2.4管理系統設計

2.4.1平臺架構

智能跑道系統以道基變形、道面狀態(tài)和運行安全三大監(jiān)測系統為感知基礎，依托網絡層、數據層、解析層對采集數據進行聯網整合、傳輸存儲、理論解析、數值仿真，實現對跑道狀態(tài)關鍵參數的提取和分析。基于理論模型實現對道面狀態(tài)的演化預測和實時評估，形成場道結構的安全監(jiān)測與防控、跑道運行的安全評價和預警、場道的精準維護與決策三大功能，如圖3所示。

2.4.2組網架構

組網是現場傳感器接入智能跑道系統平臺的關鍵環(huán)節(jié)之一，其主要目的是將跑道現場感知數據傳輸至數據管理平臺，實現感知數據的遠程傳輸。采用光纖熔接的方式將傳感器的數據傳輸端與主光纜連接，然后通過主光纜實現感知設施設備與智能跑道數據管理平臺之間的信號傳輸。智能跑道管理系統采用傳感器-分路盒-接續(xù)盒-數據中心以及傳感器-無線模塊-數據中心的多級組網架構。

2.4.3平臺功能

智能跑道管理決策與預警平臺以監(jiān)測系統為基礎，實現場道結構的安全監(jiān)測與防控、跑道運行的安全評價和預警，以及場道的精準維護與決策三大功能。此外，依托智能跑道管理決策與預警平臺，可實現與機場空管系統、機場場面引導系統的實時交互，及飛行區(qū)運行數據的有力整合;將智能跑道系統中所有道面性能與飛行區(qū)設施狀況的數據進行集中儲存與管理，通過共享平臺，可向不同的管理機構提供可視化的道面性能數據與性能信息，從而全方位提升機場道面建設與管養(yǎng)一體化水平（圖4）。

2.4.3.1場道結構安全監(jiān)測與防控功能

對實時采集的多源傳感器監(jiān)測信息進行濾波降噪、真值蘋取等數據預處理，可獲得道基不均勻沉降、道面板結構內部動力響應、板底彎拉應變等結構安全監(jiān)測指標的測量真值?；陲w機隨機動荷載作用下的道基變形理論、道面損壞模式與結構行為演變模型、剛性道面板底接觸狀態(tài)評價方法、場道 PCN指標反演模型等場道結構安全評價與預測的基礎理論，以及依托理論研究成果開發(fā)的系統平臺功能模塊，即時準確地輸出場道結構性能狀況和演變態(tài)勢的分析結果?；趹B(tài)勢分析與風險評估理論，形成監(jiān)測評估報告和預警信息播報，并通過云平臺和在線信息分發(fā)技術發(fā)送至相關部門，實時獲取道基沉降、道面板結構損壞、板底接觸狀態(tài)的動態(tài)信息，在線分析道面結構安全狀況和風險演化態(tài)勢，從而為機場飛行區(qū)的實時運行風險管控和預防性中長期養(yǎng)護規(guī)劃提供建議和指導。

2.4.3.2跑道運行安全評價與預警功能

基于跑道運行安全評價基礎理論和機器學習映射模型，分析跑道運行狀況監(jiān)測數據。將采集到的水膜厚度感知數據輸人建立的道面抗滑性能評價模型，比對各級抗滑性能等級的道面濕滑狀態(tài)指標閾值，形成飛機滑跑風險分析報告，為飛行區(qū)航務管制提供預警信息。基于多源數據的融合分析技術和場道智能監(jiān)測系統平臺的集成應用，利用沉降監(jiān)測數據構建道面變形場，結合虛擬樣機技術，仿真分析道面長波平整度下的飛機滑跑穩(wěn)定性，指導機場管理養(yǎng)護部門組織道面平整度巡查復檢和換板養(yǎng)護維持功能性能。

定期獲取高精度的道面表觀紋理參數，為輪胎-道面-水膜間的流固耦合仿真分析提供建?；A，將道面表觀紋理參數輸人跑道運行安全評價與預警的抗滑性能評價功能模塊中，更新飛機滑跑行為仿真分析和抗滑失效風險預警模型參數。通過高精度定點沉降傳感器的數據校驗，保證場道分布式沉降監(jiān)測的精度。對建立的道面長波平整度三維模型，通過常規(guī)道面平整度巡檢檢驗模型重構精度，將飛機動力學仿真的場道長波平整度評價值與常規(guī)檢測值對比分析，通過卡爾曼濾波提高平整度評價精度。

2.4.3.3場道精準維護與決策功能

基于智能跑道綜合管理平臺，實現各類數據管理分析、交通荷載分析、路面性能評價、預測及養(yǎng)護決策，實現管理信息化和決策科學化。在日常養(yǎng)護工作中，有效組織和管理機場道面的各類路面數據，及時掌握道面技術狀況，對道面養(yǎng)護工作實施動態(tài)信息化管理，提高機場道面養(yǎng)護管理的效率和科學性，為管理者制定機場道面養(yǎng)護措施提供了有效輔助決策。

3智能跑道管理系統應用

3.1智能跑道管理系統平臺功能

3.1.1傳感器空間位置管理

傳感器的空間管理分為2個層次。第1個層次是傳感器埋設的斷面區(qū)域與整條跑道的空間關系，如圖5所示。

第2個層次是每類傳感器所埋設的具體位置與整條跑道空間關系。點擊"傳感器管理"，在傳感器列表中選擇某類、某個傳感器，點擊"詳情"，則該傳感器會在跑道上被標記標注，實現了傳感器與跑道的三維交互（圖6）。同時，點擊該標記，系統將彈窗顯示該傳感器的大樣圖、屬性、功能以及詳細數據。顯示的數據中，默認為最新10次的變化趨勢圖。后臺系統提供起訖日期的搜索功能，即可以查看任何時間段內某個傳感器的數據變化圖。

3.1.2道基沉降傳感器應用

道基沉降傳感器包括單點沉降計、智能沉降儀、靜力水準儀、區(qū)域分布式光纖和全局分布式光纖5類。

3.1.2.1單點沉降儀

監(jiān)測頻率為6天一組。系統界面可選擇不同的傳感器在不同時段的數據變化情況，同時在圖下方顯示統計表，統計該段時間內的最大值、最小值和沉降速率值。

3.1.2.2智能沉降儀

監(jiān)測頻率為6天一組。系統界面左邊可選擇不同的智能沉降儀在不同日期的相對沉降情況，同時在下方的表格中提供該組智能沉降儀最大值和最小值，直觀顯示該位置的相對沉降分布狀況。系統界面右側可顯示差異沉降分布情況，即可選擇不同組別的智能沉降儀在不同時段的差異沉降率歷時曲線圖。

3.1.2.3靜力水準儀

監(jiān)測頻率為6天一組。每組靜力水準儀旁邊布設一個單點沉降計，靜力水準儀在系統界面的展示方式與智能沉降儀相同。

3.1.2.4區(qū)域分布式光纖

監(jiān)測頻率為14天一組。在系統界面上可提供不同日期、不同段分布式光纖的應變監(jiān)測情況，同時在下方的表格展示其統計分布情況。

3.1.2.5全局分布式光纖

全局分布式光纖代表了整條跑道沿縱向沉降分布狀況，監(jiān)測頻率為14天一組。在系統界面上可提供不同日期跑道的全局沉降分布情況，同時表格展示其最大和最小值。

3.1.3道面監(jiān)測傳感器應用

道面監(jiān)測傳感器包括加速度計、動態(tài)應變計、靜態(tài)應變計、溫度傳感器和壓力感知元件5類。

3.1.3.1加速度計

監(jiān)測頻率為2500 Hz。系統頁面可實時顯示加速度傳感器峰值。當傳感器受到壓力并產生突變信號時，記錄突變信號的最大值，實時更新至柱狀圖。同時頁面提供起訖日期的搜索功能，可顯示一段時間內加速度計最大值的分布情況。

3.1.3.2壓力感知元件

監(jiān)測頻率為1次/天，通過感知水泥混凝土板底部和水泥穩(wěn)定碎石層之間的壓力值，進而判斷脫空情況。系統界面提供監(jiān)測斷面、監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測日期的搜索功能，通過顏色圖直觀展示板底的脫空狀況。

3.1.3.3溫度值傳感器

智能跑道系統沿著不同深度埋設了溫度傳感器，監(jiān)測頻率為每小時一次。系統界面提供不同結構層下溫度值的平均值，并可根據日期選擇。同時，可實時展示溫度梯度隨時間的分布情況，為道面板溫度荷載分析提供數據支撐。

3.1.3.4動態(tài)應變計

監(jiān)測頻率為2500 Hz，可捕捉飛機荷載作用下道面板的動態(tài)響應。系統界面可提供相應的搜索功能，展示不同斷面下不同板塊埋設的動態(tài)應變計分組信息。

3.1.3.5靜態(tài)應變計

監(jiān)測頻率為1次/h。系統界面提供不同日期下全天靜態(tài)應變分布狀況。同時將道面板的靜態(tài)應變和溫度值進行耦合，提供不同日期下道面板平均溫度和靜態(tài)應值的變化曲線。

3.1.4環(huán)境與荷載傳感器

環(huán)境與荷載傳感器包括水膜傳感器和激光輪跡儀。

3.1.4.1水膜傳感器

監(jiān)測頻率為1 Hz，在系統頁面中提供監(jiān)測在3 min內的水膜演化情況。系統融合水膜厚度傳感器和雨量計的監(jiān)測數據，結合跑道三維高程數據，實現了跑道監(jiān)測點全斷面的水膜厚度預估，并提供起訖日期水膜厚度平均值的變化曲線。

3.1.4.2激光輪跡儀

利用3臺激光輪跡儀可實現對飛機軌跡偏移測量、飛機機型的識別、飛機滑行速度的監(jiān)測。當激光輪跡儀受飛機荷載并產生突變信號時，可將偏移量記錄下來，在柱狀圖中實時更新。頁面提供起訖日期的搜索功能，可展示一段時間內偏移量的分布情況，同時可實現對不同類型機型的架次統計、偏移分布以及起降分布比例分析。

3.2管理系統平臺應用

3.2.1道基沉降展示

將最重要的信息在顯示端頁面展示，包括工后沉降狀況，最大沉降狀況、工后差異沉降狀況、沉降變形和當前全局沉降形態(tài)，如圖7所示。

（1）工后沉降狀況主要展示跑道在工后沉降情況，涉及單點沉降計、智能沉降儀2類傳感器，具體顯示指標包括：最大的工后沉降、最大的沉降速率、最大的工后差異沉降。

（2）最大的工后沉降是從建設期2017年6月以來，所有單點沉降計監(jiān)測的最大值。

（3）工后差異沉降狀況包括所有智能沉降儀、靜力水準儀所監(jiān)測的工后差異沉降，并按照從高到低順序排列。

（4）沉降變形主要包括2個豎向和1個縱向的分布式光纖。

（5）全局沉降形態(tài)。

3.2.2道面性狀展示

道面結構安全的顯示端把智能跑道中道面結構類的核心指標通過圖表可視化展示，包括應變比、應變期望值、疲勞因子、翹曲變形等。

（1）提供最近10次的應變比分布情況，主要是通過應變比指標實現對道面板底脫空的判別。

（2）依據道基反應模量 K值的計算模型，提供板中、板邊、板角的應變期望值分布情況，同時顯示監(jiān)測斷面的 K值分布情況。

（3）提供道面板中、板邊和板角的疲勞因子，并與數值1進行比較。

（4）提供道面板的翹曲變形量和溫度梯度的分布情況。

3.2.3環(huán)境與荷載展示

把水膜厚度及飛機運行的核心指標通過圖表可視化展示，如圖8所示。

（1）監(jiān)測點的水膜厚度與跑道中線的水膜厚度分布情況。

（2）經過激光輪跡儀斷面，西一跑道當日和本月的運行架次。

（3）機型的比例分布情況。

（4）橫向偏移的頻率分布直方圖。

4總結

本文依托成都天府國際機場西一跑道工程，形成了全球第一個功能完善的智能跑道管理系統。

（1）智能跑道管理系統總體設計包括組成要素、系統架構、功能模塊3部分。其中系統架構包括物理層、信息層和功能層3個層次組成。

（2）智能跑道系統以道基變形、道面狀態(tài)和運行安全三大監(jiān)測系統為感知基礎，包含場道結構的安全監(jiān)測與防控、跑道運行的安全評價和預警、場道的精準維護與決策三大功能。

（3）場道結構安全監(jiān)測與防控功能，主要是實時獲取道基沉降、道面板結構損壞、板底接觸狀態(tài)的動態(tài)信息，在線分析道面結構安全狀況和風險演化態(tài)勢，為機場運行風險管控和預防性中長期養(yǎng)護規(guī)劃提供建議和指導。

（4）跑道運行安全評價與預警功能，主要是實時顯示道面抗滑性能，形成飛機滑跑風險分析報告，為飛行區(qū)航務管制提供預警信息;將道面表觀紋理參數輸人跑道運行安全評價與預警的抗滑性能評價功能模塊中，更新飛機滑跑行為仿真分析和抗滑失效風險預警模型參數;通過高精度定點沉降傳感器的數據校驗，從而提高道面平整度評價精度。

（5）場道精準維護與決策功能，主要是實現各類監(jiān)測數據分析、交通荷載分析、路面性能評價、預測及養(yǎng)護決策，從而達到管理信息化和決策科學化的目的。

（6）智能跑道管理系統道基沉降顯示主要包括工后沉降狀況，最大沉降狀況、工后差異沉降狀況、沉降變形和當前全局沉降形態(tài)等信息。

（7）智能跑道管理系統道面性狀顯示主要包括應變比、應變期望值、疲勞因子、翹曲變形等數據，環(huán)境與荷載數據顯示主要包括水膜厚度分布、運行架次、機型比例分布、橫向偏移分布等內容。

參考文獻

[1]凌建明，方意心，張家科，等.機場智能跑道體系架構與關鍵技術[J].土木工工程學報，2022，55（2）：120-128.