填海型機場智慧安全監測平臺建設與管理實踐

葉青

（1 廈門翔業集團有限公司，福建廈門 361024； 2 福建兆翔機場建設有限公司，福建廈門 361024）

0 引言

新中國成立以來，尤其是改革開放以來，我國民用機場運輸業務量持續快速增長，機場數量持續增加、密度持續加大、規模持續擴大，運行保障能力實現了質的飛躍。 但與世界民航強國相比，我國在安全管理、保障能力、運行效率、服務品質和管理水平等方面仍有一定差距，資源環境約束增大、發展不平衡不充分等問題愈加凸顯。 由于機場范圍涵蓋航站樓、飛行區跑道、軌道交通、航空工程等復雜基礎設施結構物，對其形成覆蓋前期規劃、工程建設期及后續運營期的全生命周期的安全監測，逐漸引起有關部門的高度重視。 以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的四型機場，已成為中國機場未來發展的方向。

目前單純依靠加強基礎設施建設和擠壓已飽和運行資源的發展模式已難以適應機場發展的需要[1]。 當前，空間遙感、北斗、物聯網及大數據等技術在工程建設領域中的應用正迅速發展，給未來機場智慧發展帶來了機遇和挑戰。 目前國內許多機場已在跑道監測、結構物健康監測、旅客定位、數字孿生等多個應用場景上進行了有益的探索[2-6]，這為推進機場向高質量發展轉型，優化管理資源配置作出了新的嘗試。

1 項目概況

廈門新機場選址廈門島以東，翔安區大嶝島東南海域，距廈門市中心直線距離25km，地處閩南的中心地帶。 新機場主要依托大嶝島，利用大、小嶝島之間的海域采用填海造地方式提供建設用地，大小嶝造地工程主要分三期實施合計造地面積約18.81km2（圖1）。 新機場擬新建航站樓面積超55 萬m2，可滿足旅客年吞吐量4500 萬人次，飛行區等級為國際最高等級4F 級。新機場包含大量主體航站樓結構，飛行區跑道、滑行道、軌道交通、停機坪、 配套酒店與航空工程等基礎設施，面對復雜多樣的結構物，在建設期及運營期將涉及各類結構化監測數據，特別是新機場為典型的填海型機場，分布有大面積軟土淤泥層，如何監測、預測地面沉降，是機場建設與運營期的一項難點。

圖1 廈門新機場造地平面（分三期開展）

目前傳統監測手段，包括水準測量等，雖然測量精度較高，但是存在實時性弱、點位少、受環境條件影響大以及耗費人力等缺點，較難適應機場全面性、實時性及運營通航條件下的監測需求。另外，隨著監測數據種類的逐漸增多、數據量的加大，數據所反映的監測對象內在邏輯聯系會更復雜，而傳統第三方監測所提供的單一分析咨詢滿足不了未來各專業深度融合、數據挖掘、智能預警及決策等的需求。 因此本文通過對各類結構監測數據的采集，結合各階段機場的建設與運營需求， 搭建以時空遙感InSAR、GNSS 及傳統物聯網監測等多源傳感數據為基礎， 以行業專業經驗為核心，結合云計算與大數據處理技術的機場智慧安全監測信息管理平臺。 通過平臺的運營實現機場范圍區域結構物安全監測與建設運營管理的數據存儲與統計分析、安全預警預測、事中科學應急等功能，為機場建設與運營全過程提供高效率、低成本、近實時的綜合管理數據支撐。

2 智慧安全監測平臺關鍵技術設計與實現

2.1 平臺架構設計

機場智慧安全監測的核心是以監測信息為基礎， 面向結果，通過建立不同監測技術手段，與數據源分析方法相互印證，有效評判工程安全狀態，快速發現問題并反饋、監督，平臺構架如圖2所示。 基于可視化集成環境將基礎服務模塊和業務系統驅動相結合，搭建可供監測、科研、設計及建設運營管理等各方信息共享、交流反饋、協同工作的業務管理平臺，實現數據存儲與統計分析、安全預警預測、事中科學應急等功能。

圖2 機場智慧安全平臺架構

由于遙感InSAR 監測與地表地物相關，因此可通過歷史數據的研究進行InSAR 數據處理參數與模型的建立， 形成流程化、標準化的數據自動化分析處理。同時采用遙感InSAR 技術開展填海場地大范圍沉降監測，可發揮其測點密度高、空間分布廣（分辨率3.0m）、不受外界環境影響等優勢。平臺內置InSAR 數據解算模塊可支持TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Radarsat-2、ALOS-2 等主流雷達影像數據； 模塊軟件具備InSAR 預處理、DInSAR、MTIn-SAR 等功能模塊，可實現對不同衛星SAR 影像的快速、高精度處理等功能。

采用高分辨TerraSAR-X 衛星數據開展3 年（2019—2021年）的遙感沉降監測（圖3），研究表明：采用遙感InSAR 技術開展區域大范圍沉降監測可及時提供全面、 高密度的沉降監測結果，較低成本獲取海量沉降數據，可精細反映不同區域的沉降差異與場地變形，并將各類數據匯集于智慧監測平臺，易于數據可視化展現與表達。 在監測期間內，一期填海區整體較為穩定，二期填海區大部分區域沉降量相對較小，但在軟土厚度大于10m 的局部區域存在較為明顯的沉降，場地沉降量與淤泥厚度之間具有較高的正相關性。

圖3 遙感InSAR可視化界面（監測期：2019.01—2021.12）

2.2 基于GNSS 形變監測處理

GNSS 形變監測處理服務能夠彌補傳統監測手段實時性弱、耗費大量人力物力等不足, 通過GNSS 高精度接收機全天候采集數據，利用通信模塊將數據實時傳輸至控制中心進行高精度變形監測數據處理、分析，可為機場關鍵基礎設施提供實時形變數據支持（圖4）。 監測結果表明：在各階段設置的15 個GNSS 定位解析點中，實時獲取了監測點的三維變形量，GNSS 監測結果和In-SAR 觀測結果具有較高的一致性，可為后續機場建設提供應急監測技術服務保障。

圖4 GNSS監測數據可視化展示界面

2.3 預警、預測及信息發布與管理服務

預警、預測及信息發布與管理服務是平臺服務的重點，模塊能夠提高各類監測預警與應急響應的效率。 管理人員通過平臺建設匯集過程監測數據，通過不同預警閾值的設置，可實現各類結構物預警與應急響應流程的處置，實現各類監測手段的分級預警與對比分析（圖5）。

圖5 監測預警與發布模塊管理界面

3 平臺應用與管理效益

在廈門新機場地基沉降研究中，沉降值與沉降速率是重點關注指標，監測平臺運營多源數據分析結果為建設與科研單位提供了關鍵區域InSAR 變形序列數據及相關點位誤差分析。如圖6 所示，不同監測方式所得到的沉降值基本吻合，個別點位的誤差主要來源于監測手段、精度、人工以及環境等因素的影響。 多源傳感數據的對比可較好地應用于填海場地沉降研究，為后續場地工后沉降提供數據支撐。

圖6 多源數據時序曲線

通過平臺開展重點區域累計沉降剖面線分析，如對北1 跑道分析可見，場地局部區域存在一定的差異沉降，而且表現為軟土厚度越大，差異沉降越明顯，如圖7 所示。

圖7 北1跑道剖面分析時序曲線

針對新機場飛行區地基處理優化需求，平臺提取關鍵區域的沉降數據，并進行匯總分析，如表1 所示。 相關分析結果可有效彌補傳統沉降監測點位空間分布偏少的不足，為設計單位開展飛行區地基處理優化設計提供關鍵數據支撐。

表1 區域累計沉降數據統計表

通過平臺建設與運營匯集各類結構物安全監測數據，可有效提高監測結果的利用效率，提高預警、預測的及時性、可靠性。 同時平臺的應用有利于形成結構全過程安全數據庫與資產，使數據有效服務于基礎設施各階段的安全狀況評估，做到及時、真實的全過程監測與預警。

4 結語

填海型機場智慧安全監測平臺的建設充分結合了工程安全監測管理的實際需求，融合InSAR、GNSS 等多源傳感器，實現了以InSAR 開展全域普查形變監測，及時探測異常部位，動態監視安全隱患；以GNSS 等多源傳感實現了對重要設施和隱患的連續不間斷在線監測，對重點防控對象的在線應急監控。 平臺內海量數據存儲與分析， 可以提供較為充分的數據與多樣性分析結果，建設管理部門可隨時隨地了解各地結構物安全狀況，輕松實現遠程管理；同時可通過平臺有效實施預報警，減少機場建設過程中的安全風險與經濟損失。 平臺的建設與運營為實現廈門新機場全生命周期管理及“四型機場”的建設目標提供了良好的應用載體。