基于傳感器技術的機場跑道監測平臺設計

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建立機場跑道監測平臺，并結合跑道業務需求，在平臺的基礎上建立了機場跑道監測管理系統、機場跑道評價系統、數字孿生跑道系統和跑道作業信息管理系統，提高了跑道管理工作的效率和智能化、自動化水平。

關鍵詞：傳感器;跑道;監測;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略目標，在此背景下，智能化、數字化、信息化成為我國機場未來發展的必然趨勢，全時安全、高效經濟、信息融合是飛行區未來的運行目標[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容，其健康狀況直接關系到飛機運行的安全性[2]。

現階段我國機場在跑道性狀監測與管理方面還存在以下比較突出的問題：一是技術手段存在短板。當前我國機場跑道檢測與評價主要依靠傳統的人工巡查、FWD檢測和鉆芯取樣等，傳統手段在數據互聯、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。現行機場跑道管理方法是通過對跑道進行定期檢測，評估機場跑道的結構性和功能性質量水平，為機場跑道的運營維護提供依據。跑道調查包括日常巡查、緊急檢查、詳細調查、專項調查4種形式。受制于飛行區運營特點，跑道調查工作難以快速、常態化開展。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的發展，為實時、高效、精準地感知監測跑道狀態提供了有利條件。通過在機場跑道結構內部、層間以及飛行區場域中布設各類傳感器，能夠有效監測力學、環境、交通等數據及其時空分布情況[5]。基于此，本文設計了基于傳感器技術的機場跑道監測平臺。

1? ? 監測平臺設計

1.1? ? 總體框架

機場跑道監測主要包括跑道結構狀態、沉降狀態和跑道濕滑狀態的監測。先建立跑道狀態傳感器感知系統，將獲取的跑道狀態原始傳感器數據保存在跑道狀態原始數據庫中;再通過數據整理與分析，并與機場跑道巡檢信息、維護信息、跑道地理位置信息、跑道結構信息、航空交通量信息等其他數據庫進行結合，形成機場跑道綜合信息數據庫。在此基礎上，建立基于傳感器技術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測管理子系統、機場跑道評價子系統、數字孿生跑道子系統和跑道作業信息管理子系統。總體框架如圖1所示。

1.2? ? 跑道狀態傳感器感知系統

跑道狀態傳感器感知系統主要由傳感器、傳輸光纜和傳感器信號解調儀組成。傳感器實現跑道結構、沉降和濕滑等狀態的感知。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儀，再通過解調儀將光信號轉化為原始數據文件并保存，形成傳感器原始數據庫。

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，以此對地基狀態信息進行綜合感知。

跑道的結構狀態采用加速度傳感器、溫度傳感器、應變傳感器等進行感知。在飛機起飛降落區域、滑跑區域和轉向區域，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據庫

對傳感器原始數據進行整理分析，包括數據格式轉換、異常值識別、無效值剔除、缺失數據填補等，并存儲于關系型數據庫中，形成跑道傳感器數據庫;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、跑道結構信息、航空交通量信息等集成，形成機場跑道綜合信息數據庫，為平臺提供數據支撐。

1.4? ? 機場跑道信息分析與服務平臺

在跑道綜合信息數據庫的基礎上，利用數字孿生技術，建立跑道數字孿生模型，為跑道狀態信息的可視化展示提供支撐;利用多源信息融合、大數據、人工智能等技術，構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;開展不同數據的融合分析，構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;構建基于專家經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? ? 機場跑道監測平臺應用系統

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，包括機場跑道監測管理系統、機場跑道評價系統、數字孿生跑道系統和跑道作業信息管理系統，為機場跑道管理人員提供管理應用。

2? ? 平臺應用設計

2.1? ? 機場跑道監測管理系統

機場跑道監測管理系統用于傳感器數據的管理、傳感器數據的統計展示和傳感器狀態的管理。

（1）傳感器數據管理。可按照傳感器的類型、編號、區域、時間、狀態等條件對傳感器數據進行查詢，也可對傳感器數據進行修改、刪除等操作。（2）傳感器數據的統計展示。將傳感器原始數據整理后形成的數據，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據。（3）傳感器狀態管理。可實時查看傳感器的存活狀態，可對傳感器位置、編號、區域、狀態等信息進行編輯。

2.2? ? 機場跑道評價系統

基于跑道性狀評價參數計算模型、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，機場跑道評價系統能夠實現跑道風險評價、跑道性能評價、跑道態勢預測分析和跑道維護智能決策。

（1）跑道風險評價。基于跑道綜合信息數據庫，實現對跑道結構風險、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。實現對跑道PCI/SCI（跑道狀況指數/跑道結構狀況指數）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據的跑道安全狀態綜合評價以及跑道維護決策功能。（3）跑道態勢預測分析。包括地基沉降態勢預測分析、地基反應模量態勢預測分析、跑道疲勞損傷態勢預測分析。（4）跑道維護智能決策。基于人工智能技術和專家經驗模型等，結合跑道當前狀況數據，給出道面維護方法、維護頻率、維護時間等建議。

2.3? ? 數字孿生跑道系統

數字孿生跑道系統以跑道三維模型為重點，建立包括跑道、滑行道、聯絡道的三維數字模型，其中跑道以多層結構的形式進行展現，跑道的每層結構中均包含了傳感器模型。數字孿生跑道系統可實現跑道三維場景漫游、跑道信息查詢展示、跑道區域交通可視化、跑道天氣狀態可視化。

（1）跑道三維場景漫游。提供可供編輯的路線和旋轉、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、區塊、類型等條件，查詢特定的跑道信息或傳感器數據信息，并將查詢結果高亮顯示。（3）跑道區域交通可視化。接入車輛GPS信息，實現對跑道巡檢、作業等車輛的實時追蹤和軌跡回放。接入跑道航班運行數據，結合傳感器數據，實現飛機起降和滑行軌跡在模型上的可視化。（4）跑道天氣狀態可視化。接入跑道周邊環境監測系統數據，對雨、雷、雪等天氣狀況進行三維數字化展示，實現跑道運行天氣狀況的可視化。

2.4? ? 跑道作業信息管理系統

跑道作業信息管理系統包含桌面端和移動端系統，主要用于跑道巡檢管理、跑道維護管理、跑道板塊管理和統計分析。桌面端采用B/S架構，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、巡檢時間和巡檢區域的選擇。在巡檢計劃確定之后，通過桌面端將計劃發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果查詢。巡檢人員在巡檢時，利用手持終端可對現場病害情況進行拍照，并利用GPS信息實現病害的定位，將病害信息和位置信息綁定后上傳至系統。（2）跑道維護管理。可對跑道維護計劃進行管理，可直接將維護工單下發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中。（3）跑道板塊管理。包括跑道的板塊分區信息和跑道結構信息管理，板塊分區信息包括每個板塊的地理位置信息、板塊編碼信息，根據跑道布局構建的跑道板塊圖，每個板塊與實際跑道布局完全對應，并可對跑道的結構參數進行編輯和更新。（4）統計分析。包括道面病害類型、道面病害程度和道面病害區域的統計分析。

3? ? 系統建設關注的問題

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

（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，受現場施工環境、傳感器埋設方式、傳感器質量等影響，極易出現損壞情況，因此需規范傳感器埋設流程，提高傳感器埋設時的存活率，同時做好現場施工的協調管理工作，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注其抗沖擊和抗壓能力，以滿足監測需求。（2）傳感器數據的存儲。對于真實的機場跑道，埋設的傳感器數量通常多達數百個，每日產生的數據量通常超過10 TB。因此，需建立數據分析模型，對這些海量數據進行存儲，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、跑道結構信息、航空交通量信息，需建立統一規范的數據通信接口，并做好各類數據的管理工作。

4? ? 結語

跑道是機場最重要的設施之一。傳感器技術的發展為跑道監測提供了實時化、精準化的技術手段，結合數字孿生跑道，集成跑道巡檢、維護、航班交通量等信息，可實現跑道狀態的可視化展示。在跑道建設期埋設傳感器，并在跑道運營期開展跑道監測，實現跑道運營全周期數據的采集，可為跑道壽命周期內的性能趨勢研究提供基礎資源，為跑道運行管理、安全評價、維修決策提供數據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。

[參考文獻]

[1] 孫潔.民航機場跑道安全風險管理研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[2] 榮坤.一種機場跑道安全信息采集與道面分析系統[D].大連：大連海事大學，2011.

[3] 徐子晴.民航機場跑道安全風險的管理模式[J].中國航班，2019（7）：56.

[4] 任延飛，楊朋.民用機場跑道入侵及預防措施研究[J].中國民用航空，2019（12）：56-58.

[5] 王美玲.關于機場跑道安全管理問題的研究[J].建材發展導向（下），2014（11）：343.

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。