數(shù)字化技術在機場道面管理中的應用研究

劉紅葉，李亞菲，張凱月，楊春霄

（中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618000）

0 引言

機場作為民用航空運輸系統(tǒng)的關鍵節(jié)點，隨著民航強國建設戰(zhàn)略的實施，機場的建設也成為民航行業(yè)的重中之重。機場道面主要包含跑道、滑行道和停機坪三個部分，是供航空器起飛、著陸、滑行和停放的區(qū)域，是最重要的基礎設施，機場道面狀況是否良好，直接關系到航空器能否安全運行。

機場道面數(shù)字化管理是指依托無線傳輸、差分GPS定位、大數(shù)據、物聯(lián)網和地理信息系統(tǒng)等技術，以信息高度集成為核心，建立機場道面物理實體的虛擬模型，對工作流程進行量化管理，為協(xié)同決策提供科學依據，最終實現(xiàn)經濟高效的管理過程?！吨袊窈剿男蜋C場建設行動綱要》中指出智慧機場是生產要素全面物聯(lián)，數(shù)據共享、協(xié)同高效、智能運行的機場。機場道面數(shù)字化管理是智慧機場建設的必由之路，智慧機場是機場在數(shù)據規(guī)模、質量以及數(shù)字化程度發(fā)展到質變臨界點的產物。隨著智慧機場概念的提出，數(shù)字化技術也不斷的應用于機場的建設維護之中。

1 目前研究領域特征及技術應用

機場道面具有廣而大的特性，如果不能及時全方位的掌握道面狀況、則會提高道面管理過程中人力物力產生的附加成本。隨著技術手段的更新升級，機場道面管理方式經歷了從紙質記錄到電子文檔，再到數(shù)字化管理的演變過程，未來更將向著智慧化管理方向發(fā)展。

長久以來，機場道面管理過程中都有大量的信息難以高效記錄和查閱、道面屬性信息與空間信息無法有效關聯(lián)、機場道面狀況缺乏直觀顯示等問題的存在，根據美國等發(fā)達國家的實踐經驗，GIS技術的廣泛使用解決了機場道面管理的根源問題，行業(yè)從業(yè)人員借助GIS技術對機場道面管理方式進行數(shù)字化轉型升級，在第一時間構建機場道面平面圖和GIS模型，添加相應的屬性信息，降低管理成本的同時提高管理效率。

常見的國外機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)主要是美國陸軍建筑工程研究實驗室開發(fā)的PAVER系統(tǒng)和美國聯(lián)邦航空局開發(fā)PAVEAIR系統(tǒng)。PAVER系統(tǒng)能夠實時評估道面狀況，預測道面發(fā)展情況，根據機場預算和個性化的條件要求，制訂維修養(yǎng)護計劃。PAVEAIR系統(tǒng)采用PAVER的開發(fā)理念，為機場管理人員提供道面建設、維護和管理的即時和歷史信息，模擬并量化道面的退化情況，輔助做出維修決策。

國內典型的機場道面管理系統(tǒng)由同濟大學和上海機場集團聯(lián)合開發(fā)，基于Web-GIS的綜合管理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)道面基礎信息管理、管理決策支持、基于GIS的圖文顯示等功能。

2 關鍵技術及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 機場道面數(shù)字化管理體系架構

機場道面數(shù)字化管理體系主要包括業(yè)務應用層、集成處理層和采集感知層，如圖1所示。各層之間協(xié)同工作，共同構建機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)。

圖1 機場道面數(shù)字化管理體系架構圖

2.2 采集感知層

采集感知層的作用相當于人體的五官與皮膚，感知外界變化，獲取大量信息，為機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)奠定數(shù)據基礎，主要解決機場道面數(shù)字化管理過程中的數(shù)據采集和狀況記錄問題。采集感知層通過數(shù)據采集設備，收集道面病害數(shù)據、抗滑數(shù)據、平整度數(shù)據和彎沉數(shù)據，相關數(shù)據通過定位、傳輸、處理、分析，實現(xiàn)實時監(jiān)測道面狀態(tài)，積累數(shù)據，輔助管理人員進行決策。采集感知層中應用的關鍵技術包括多元傳感器檢測技術、GPS高精度定位技術、無線傳輸技術等?，F(xiàn)階段常常在道面檢測車上配備相機、激光雷達、GPS等附加設備采集道面病害數(shù)據。

馬憲永[1]等人以北京首都機場滑行道為例，將傳感器設置于道面第二層瀝青底部，分別采集道面漂移、響應、溫度數(shù)據，對機場道面健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時不會影響機場的正常運行；Ravir[2]等人使用兩個激光雷達單元、兩個RGB相機和一個全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)組成移動激光雷達測繪系統(tǒng)，采集道面病害數(shù)據，捕獲數(shù)據點的相對精度小于1cm，絕對精度在1cm～2.5cm之間；劉昌新[3]使用多制式聯(lián)合傳輸技術，將采集到的公路路面的視頻數(shù)據、GPS位置數(shù)據進行多路加密傳輸。

2.3 集成處理層

集成處理層的作用相當于人體的大腦，對從外部獲取的信息進行篩選、記憶和計算，主要功能模塊有數(shù)據預處理、數(shù)據存儲和數(shù)據分析等。其中數(shù)據預處理模塊對大量數(shù)據進行篩選，去除無效和誤差較大的數(shù)據。

數(shù)據存儲利用數(shù)據庫技術、大數(shù)據技術，將需要及時更新和實時調用的數(shù)據儲存在實體數(shù)據庫中，達到對機場道面管理的業(yè)務數(shù)據、空間數(shù)據和基礎數(shù)據協(xié)同管理的目的，將不常調用的數(shù)據例如道面結構數(shù)據、性能狀況數(shù)據等通過云服務器的形式儲存，降低本地存儲負擔。

數(shù)據分析模塊是為業(yè)務應用層提供決策支持，利用現(xiàn)代算法、圖像識別[4]等技術，提取道面病害參數(shù)、預估道面性能，依據決策支持模型和專家經驗生成道面維護對策。Emir[4]等人使用圖像分析和譜聚類的無監(jiān)督方法，通過圖像分割和形狀提取，使用灰度圖像識別瀝青混凝土道面坑洞的表面尺寸的估計精度為81%。

2.4 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層是對用戶發(fā)出的命令進行處理以及基于GIS的機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)中各個功能模塊的展示，具體有基礎資料管理模塊、道面巡檢管理模塊、道面性能評價模塊、道面維護管理模塊、統(tǒng)計分析模塊。

基礎資料管理模塊是對機場道面的結構信息、平面位置信息、日常檢查信息、日常維護信息、性能狀況信息進行儲存和管理。

道面巡檢管理模塊輔助場務工作人員使用移動終端對道面巡查的全過程進行數(shù)字化記錄。從巡查開始之前的巡查班組、路線、車輛、日期等信息的確定，到巡查過程中道面損壞、標志線、清潔等異常情況的文字記錄和圖片記錄，同時GPS定位異常情況的空間位置，最后巡查結束工作人員附上電子簽名，將產生的數(shù)據及時傳輸?shù)郊商幚韺?，為?shù)據分析提供更加詳盡的資料。

道面維護管理模塊是針對在道面巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況，集成處理層進行輔助決策，技術人員決定對異常情況的解決方式，如果需要進行維修，則派發(fā)施工任務單，實時對施工任務進度進行監(jiān)督管理，維修結束完成驗收后，則整個閉環(huán)流程完成；如果需要持續(xù)跟蹤該異常情況的發(fā)展，則定期提醒巡查班組對其進行觀察記錄，及時更新。

道面性能評價模塊記錄道面性能測試數(shù)據，包括道面損壞數(shù)據、HWD彎沉數(shù)據、探地雷達數(shù)據、摩擦系數(shù)數(shù)據、激光平整度儀測試數(shù)據、道面高程數(shù)據，通過計算將測試數(shù)據轉變?yōu)樵u價指標，分別對道面的結構性能和功能性能進行評價，生成數(shù)據報表和專題地圖。

統(tǒng)計分析模塊是對道面巡檢、維護和性能評價中所產生的數(shù)據進行分類和排序，以柱狀圖、餅狀圖、折線圖等圖表形式統(tǒng)計數(shù)據，道面病害及維修信息進行空間統(tǒng)計，并標注在數(shù)字地圖上，使工作人員直觀了解機場道面狀況。統(tǒng)計數(shù)據可以在時間和空間上對比展示，例如可以在數(shù)字地圖上觀察道面一個區(qū)域不同時期的PCI值變化，也可以觀察同一時期不同區(qū)域的PCI值。

3 結語

機場道面數(shù)字化管理是時代發(fā)展的趨勢，但機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)的建設是一項需要多部門協(xié)作、多環(huán)節(jié)協(xié)作和多技術運用的復雜工程。它的建設和應用打破了傳統(tǒng)道面管理的信息壁壘，提高了道面信息的使用價值，產生明顯的經濟和社會效益，促進了機場的發(fā)展。隨著技術的發(fā)展，機場道面數(shù)字化管理系統(tǒng)建設需要不斷的完善，通過移動終端解決數(shù)據實時錄入和查詢的問題，以期實現(xiàn)信息高度集成的機場道面全壽命周期數(shù)字化管理，助力智慧機場建設。