機場道面數字化管理技術研究

文｜濟南國際機場股份有限公司 劉斌

道面是供航空器起飛、降落、滑行、停放與維修的鋪筑物，作為飛行區的最重要基礎設施，在機場運行中發揮核心平臺作用。道面在使用過程中不可避免地產生各種損壞，其使用性能受飛機荷載和環境因素的共同作用將逐漸衰減，表現為降低舒適性、增加飛機運行費用、影響飛行安全。研究與實踐表明，科學、規范、先進的道面維護管理不但可以保證道面處于良好的服務水平，減少安全隱患，而且可以延長道面使用壽命，在全壽命周期內節省大量維護資金。

歐美發達國家從20世紀70年代起嘗試道面管理技術的研究。80年代以后，道面管理技術的范疇不斷得到擴展，逐步形成了涵蓋道面調查與測試、評價與預測、對策與決策、信息化管理等內容的成套技術，并通過機場道面管理系統的形式得到應用和推廣。我國自20世紀90年代開始研究道面管理技術，相繼制定了一系列的法規、規章與規范性文件，包括《民用機場運行安全管理規定》《民用機場道面評價管理技術規范》《民用機場飛行區場地維護技術指南》等，用于從技術方面和制度方面規范民用機場道面維護管理工作。但在管理手段方面仍采用較為落后的人工經驗模式。

隨著我國機場建設快速發展，機場道面規模不斷擴大，道面維護保障范圍廣、任務重、安全壓力大。傳統人工經驗管理模式存在效率低、人力資源成本高、決策信息支持不足等問題，無法及時動態掌握道面運行狀況并進行科學維護管理決策。迫切需要向數字化管理模式轉變。近年來，民航四型機場建設不斷深入推進，各大機場相繼開發建設飛行區運行管理系統、道面管理系統等，但現有系統大多是在GIS地圖基礎上，開發場道電子臺賬管理功能。數字化管理技術不夠系統和深入，本文借鑒國內外相關技術成果，對機場道面數字化管理技術進行研究分析，提出道面數字化管理技術體系、系統組成和建設要求，成果可為民航智慧機場技術研究和應用提供參考。

1.道面數字化管理技術

1.1 道面管理工作內容

道面建成投入運營后，在飛機荷載及環境影響下出現各類損壞，降低服務水平甚至影響飛機運行安全。為維持或提升道面服務水平，確保機場運行安全，要求對道面進行維修維護。包括道面日常巡視、日常維護、預防性養護、大中修改造、定期檢測評價、維護規劃與決策等一系列與道面相關的活動。如何高效、安全組織道面管理工作，科學制定養護策略是道面管理工作的核心。

1.2 道面數字化管理需求

機場道面數字化管理是指綜合運用計算機技術、網絡通信技術、人工智能技術以及物聯網技術等，將管理對象和行為進行數字化，達成管理任務和管理目標的方法。道面管理任務和目標是動態掌握道面運行狀態，確保道面實時適航，并根據道面性能狀況進行科學養護規劃與決策，延長道面壽命，節省全壽命周期費用。在數據化方面的具體需求與技術表現為：

（1）道面基礎資料的數字化：道面建設資料、圖紙等數據采用紙質保存，不便于查閱利用和定位。需要采用GIS 系統、CAD 文件、電子掃描等方式實現對飛行區道面建設資料、技術參數、地理信息等數據的數字化管理。

（2）道面巡檢數字化：道面日常巡檢過程中車輛進出跑道路線、病害定位及記錄，問題報修等需求更高效、更智能的手段和技術。需要采用移動手機終端、車載視頻設備、毫米波雷達、激光掃描儀、定位終端等數字化產品和技術，實現道面損壞、跑道外來物、道面表面污染物等情況的巡視檢查，保障和提升道面適航能力。

（3）道面維修數字化：道面具有面廣、區域大的特點，傳統病害定位、維修記錄和跟蹤難度大，效率低，迫切需要采用移動GIS、智能手機/平板等收發道面維修任務，定位維修位置，記錄道面維修信息，跟蹤道面維修效果。

（4）道面監測數字化：道面性能隨飛機荷載、使用時間、水溫環境等影響出現衰減。因此，需要進行對道面狀況進行監測，傳統人工測量方式工作量大、時效性低。傳感器和物聯網技術發展為道面性狀主動感知監測提供新的技術手段。

（5）健康檢測數字化：運行道面需定期進行健康狀況檢測與評價，包括損壞等級、結構承載能力、平整度以及抗滑等。傳統檢測數據均以紙質報告方式進行保存，不利于數據積累、利用和決策支持，需求采用數字化技術進行管理以及可視化分析。

1.3 道面數字化管理技術

道面數字化管理的主要技術和手段包括：智能感知與傳感技術，4G/5G 通信技術、GPS/北斗定位技術、物聯網/互聯網、移動/Web-GIS 技術、圖像和視頻AI 等技術。形成涵蓋道面自動巡檢、FOD 監控、道面健康監測、數據管理、檢測評價、信息協同、業務流程管理等多綜合數字化管理系統。

2.道面數字化管理技術架構

2.1 總體目標

道面數字化管理系統是一套符合我國機場道面運行技術標準并兼具各區域運行管理組織管理模式和特點的定制化系統，在系統架構設計方面既要滿足道面管理技術理論和標準，同時能夠滿足飛行區管理部門業務工作組織方式，使得數字化技術能夠切實融入管理工作、服務管理工作、規范管理工作。并能夠兼顧系統功能擴展、外部信息接入以及新技術應用升級。

2.2 系統架構設計

機場道面管理使用性能變化與道面設計標準、飛機荷載作用次數、渠化特征、道面建設工藝與質量、長期水溫環境影響等因素有關。其衰減變化特征具有隨機性、多樣性。因此，道面管理工作包括巡視、定期維護、日常維修、測試評估、養護決策。可以按五個層級進行數字化組織：感知層、網絡層、數據層、解析層以及表現層。道面數字化管理首先需要獲取數據，包括各類現場感知傳感器、車載相機、雷達、激光點云設備、檢測儀器設備等各種手段。各類道面相關數據通過光纖組網、4G/5G無線網絡、機場專網（局域網）等進行數據采集傳輸至中心數據庫。數據庫包括地理信息數據、道面屬性參數、道面運維數據、道面性能檢/監數據以及過程處理數據等。數據經過濾、清洗、篩選、指標計算、等級評價等一系列加工處理，統計和分析，形成道面養護決策支持信息成果。同時，為便于系統數據共享、傳遞和處理，系統基于道面管理業務邏輯搭建工單流程，實現管理業務流程的數字化。最終形成的數據化系統采用B/S 軟件架構，用戶可通過PC 端瀏覽器，移動端App 或小程序進行訪問應用。系統架構設計如圖1所示。

圖1 道面數字化管理技術架構圖

2.3 感知層

道面數字化管理系統的感知層主要作用是感知道面結構性能、所處溫濕度等環境因素以及表觀損壞情況等狀況的變化，獲取機場道面狀態的大量信息，為道面數字化管理提供實時、實測數據源。根據道面性能評價與分析需求，感知層需要獲取的數據將包括：道面不均勻沉降數據、道面表觀病害信息、道面不平整度數據、道面摩擦系數/表面構造深度、道面溫/濕度變化梯度、道面結構彎沉盆數據等，數據采用無線方式或光纖方式傳輸、同步到數據存儲中心。

2.4 網絡層

網絡層用于傳輸各類傳感器或采集設備終端的數據。根據不同傳感器類型和數據采集頻率，可采用光纖、5G 無線網絡、互聯網或局域網等方式。其中高頻傳感器數據主要采用光纖進行組網傳輸。低頻傳感器可采用無線網絡進行數據傳輸。車載檢測設備的數據、FOD 數據等采用局域網方式接入。

2.5 數據及解析層

數據層用于存儲數字化管理所需的各類數據，包括：（1）道面建設及改擴建資料、施工圖紙、技術參數等數據；（2）道面地理信息數據，將道面屬性信息與空間信息有效關聯，為道面管理提供地圖服務和數據可視化支持；（3）道面養護數據，主要為道面病害數據、日常維修、預防性養護、大中修改造等數據；（4）道面檢測數據，為道面定期測試評價等到的使用性能指標數據；（5）道面監測數據，為道面在線監測的各類數據，包括FOD、沉降、表面狀況等等。

解析層用于數據過濾、清洗處理、計算處理等，包括：傳感器數據去噪、特征值提取算法，視頻流處理及圖像病害識別算法模型，道面結構性能指標計算模型、道面功能性能統計評價模型、損壞狀況指標計算模型等。系統各類數據經解析層處理后形成用戶所需要的適航能力評價指標、安全風險指標、運行道面性能狀況指標等管理績效數據，用于道面養護決策數據支持。

2.6 表現層

表現層是用戶人機交互的界面。道面數字化管理的參與者將通過PC 電腦瀏覽器或移動端App 程序進行管理業務操作、數據傳遞共享、信息查看等。系統將根據用戶需求提供數據可視化圖表、位置信息、提示預警信息、大數據決策信息等服務。實現道面設施資產及管理過程的數字化。

3.道面數字化管理系統組成設計

道面數字化管理系統包括軟件和硬件兩部分組成。軟件系統用于數據接受與存儲、數據計算與管理、數據應用與服務等。

3.1 軟件系統組成

道面數字化管理系統軟件功能模塊大致可以分為：道面日常巡檢維修數字化管理模塊、道面性狀感知/監測數據管理模塊、道面基礎資料數字化管理模塊、道面使用性能綜合評價管理模塊、道面維護輔助決策管理模塊、一張圖數據可視化管理模塊等。模塊組成如圖2所示。

圖2 道面數字化管理系統模塊

3.2 網絡硬件系統組成

道面數字化管理系統參與者包括班組人員、技術員、決策人員等多層次。因此，數字化管理系統對工作協同、業務流轉、數據傳遞的時效性等均有較高的要求。因此，系統應采用瀏覽器/服務器網絡架構，融合移動互聯網及web-GIS 技術進行環境搭建。將系統功能實現的核心部分集中到企業服務器或云服務平臺上，用戶通過移動終端或PC 端瀏覽器進行處理操作。用戶通過統一界面入口進行單點登錄，實現對多系統、多功能模塊的操作應用，能夠協同、高效地完成全部信息化工作，提高了管理質量和工作效率，實現數字化轉型。具體硬件組成包括：由4G/5G 移動終端、北斗定位終端、數據服務器、防火墻、網關、PC 機等部分組成。機場可利用既有信息基礎設施資源或重新搭建硬件環境進行系統應用部署。

3.3 感知系統組成

道面感知與監測是掌握道面運行狀況最為直接的方式，美國自20世紀70年代已開展研究和實踐，取得較好效果。國內近幾年也開始大量實踐，包括在新建機場建設智能跑道系統，各類在線感知系統等。

道面感知與監測系統應根據機場運行特征，道面監測需求合理制定監測方案，并安裝傳感器設備。

例如：水損壞嚴重區域機場，應針對道面表面積水、地基濕度、地下水位等內容進行監測；對軟土地區或高填方機場應進行沉降監測；寒區機場應對道面溫度、凍脹情況進行監測等。對運行機場而言，監測設備應盡量采用非接觸式或可后埋入的傳感設備。Insar 監測、水膜厚度非接觸監測等。

通過多方位感知和監測，全面了解影響道面性能的因素和道面使用性能狀況的各項參數或指標。為道面適航狀況評定、道面性能維持或提升、安全預警等提供數據支持。

4.結論與展望

本文對機場飛行區道面管理內容和數字化需求進行了分析，設計了道面數字化管理技術的總體架構，提出了道面數字化管理系統的功能模塊組成、網絡硬件組成以及感知系統組成。通過研究，明確了道面數字化管理的總體技術思路與方案，為數字化管理系統的開發與應用實踐奠定基礎。

隨著機場航空交通量及飛行區規模不斷擴大，采用數字化技術輔助飛行區道面管理是民航行業發展的必然趨勢，也是融合基礎設施、智慧機場建設的必經之路。道面數字化管理系統開發與應用涉及場務、運行、維修、檢測等多部門，包括巡檢、維修、養護、評價和施工實施等環節。道面數字化管理系統的深入應用必然對傳統道面維護管理模式帶來沖擊和挑戰，因此在設施管理系統建設應用過程中應循序漸進、穩步過度。同時，道面數字化管理技術和系統的應用將充分利用數據信息的價值，顯著提高道面管理效率、道面運行安全預警能力、道面性狀態勢掌控能力和道面維護科學決策水平。數字化管理系統的深入應用與完善，將實現二/三維數據可視化、設計-施工-交付-運維一體化信息高度集成的機場道面全壽命周期數字化管理系統，將為機場道面運行維護和安全保障帶來明顯經濟和社會效應，對推動民航機場智慧飛行區建設具有重大意義和重要作用。

圖3 跑道感知監測方案示例圖