基于傳感器技術(shù)的機場跑道監(jiān)測平臺設(shè)計

引言

我國正加快實施民航強國戰(zhàn)略目標,在此背景下,智能化、數(shù)字化、信息化成為我國機場未來發(fā)展的必然趨勢,全時安全、高效經(jīng)濟、信息融合是飛行區(qū)未來的運行目標。機場跑道作為機場最重要的基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)容,其健康狀況直接關(guān)系到飛機運行的安全性。

現(xiàn)階段我國機場在跑道性狀監(jiān)測與管理方面還存在以下比較突出的問題:一是技術(shù)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(tǒng)的人工巡查、FwD檢測和鉆芯取樣等,傳統(tǒng)手段在數(shù)據(jù)互聯(lián)、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。二是管理與運行矛盾突出?，F(xiàn)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(jié)構(gòu)性和功能性質(zhì)量水平,為機場跑道的運營維護提供依據(jù)。跑道調(diào)查包括日常巡查、緊急檢查、詳細調(diào)查、專項調(diào)查4種形式。受制于飛行區(qū)運營特點,跑道調(diào)查工作難以快速、常態(tài)化開展。盡管近年來部分機場采用了車載檢測設(shè)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。近年來智能傳感器技術(shù)的發(fā)展,為實時、高效、精準地感知監(jiān)測跑道狀態(tài)提供了有利條件。通過在機場跑道結(jié)構(gòu)內(nèi)部、層間以及飛行區(qū)場域中布設(shè)各類傳感器,能夠有效監(jiān)測力學、環(huán)境、交通等數(shù)據(jù)及其時空分布情況?；诖?本文設(shè)計了基于傳感器技術(shù)的機場跑道監(jiān)測平臺。

1監(jiān)測平臺設(shè)計

1.1總體框架

機場跑道監(jiān)測主要包括跑道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、沉降狀態(tài)和跑道濕滑狀態(tài)的監(jiān)測。先建立跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng),將獲取的跑道狀態(tài)原始傳感器數(shù)據(jù)保存在跑道狀態(tài)原始數(shù)據(jù)庫中:再通過數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息等其他數(shù)據(jù)庫進行結(jié)合,形成機場跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上,建立基于傳感器技術(shù)的機場跑道信息分析與服務(wù)平臺,基于此平臺建設(shè)機場跑道監(jiān)測管理子系統(tǒng)、機場跑道評價子系統(tǒng)、數(shù)字孿生跑道子系統(tǒng)和跑道作業(yè)信息管理子系統(tǒng)。總體框架如圖1所示。

圖1平臺總體框架

1.2跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng)

跑道狀態(tài)傳感器感知系統(tǒng)主要由傳感器、傳輸光纜和傳感器信號解調(diào)儀組成。傳感器實現(xiàn)跑道結(jié)構(gòu)、沉降和濕滑等狀態(tài)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(diào)儀,再通過解調(diào)儀將光信號轉(zhuǎn)化為原始數(shù)據(jù)文件并保存,形成傳感器原始數(shù)據(jù)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(yīng)變光纖,在跑道地基層建設(shè)時將光纖整體埋入。將應(yīng)變光纖獲取的應(yīng)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(tài)信息進行綜合感知。

跑道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)采用加速度傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等進行感知。在飛機起飛降落區(qū)域、滑跑區(qū)域和轉(zhuǎn)向區(qū)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(yīng)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(tài)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(shè)傳感器,埋設(shè)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(shù)據(jù)庫

對傳感器原始數(shù)據(jù)進行整理分析,包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常值識別、無效值剔除、缺失數(shù)據(jù)填補等,并存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,形成跑道傳感器數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息等集成,形成機場跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫,為平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4機場跑道信息分析與服務(wù)平臺

在跑道綜合信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,利用數(shù)字孿生技術(shù),建立跑道數(shù)字孿生模型,為跑道狀態(tài)信息的可視化展示提供支撐:利用多源信息融合、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù),構(gòu)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(wù):開展不同數(shù)據(jù)的融合分析,構(gòu)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(wù):構(gòu)建基于專家經(jīng)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(jiān)測平臺應(yīng)用系統(tǒng)

在機場跑道信息分析與服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上,建立相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng),包括機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)、機場跑道評價系統(tǒng)、數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)和跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng),為機場跑道管理人員提供管理應(yīng)用。

2平臺應(yīng)用設(shè)計

2.1機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)

機場跑道監(jiān)測管理系統(tǒng)用于傳感器數(shù)據(jù)的管理、傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計展示和傳感器狀態(tài)的管理。

(1）傳感器數(shù)據(jù)管理。可按照傳感器的類型、編號、區(qū)域、時間、狀態(tài)等條件對傳感器數(shù)據(jù)進行查詢,也可對傳感器數(shù)據(jù)進行修改、刪除等操作。(2）傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計展示。將傳感器原始數(shù)據(jù)整理后形成的數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)。（3）傳感器狀態(tài)管理?？蓪崟r查看傳感器的存活狀態(tài),可對傳感器位置、編號、區(qū)域、狀態(tài)等信息進行編輯。

2.2機場跑道評價系統(tǒng)

基于跑道性狀評價參數(shù)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(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跑道風險評價、跑道性能評價、跑道態(tài)勢預測分析和跑道維護智能決策。

（1）跑道風險評價?；谂艿谰C合信息數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對跑道結(jié)構(gòu)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(xiàn)對跑道PC1/sC1(跑道狀況指數(shù)/跑道結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)）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(shù)據(jù)的跑道安全狀態(tài)綜合評價以及跑道維護決策功能。(3）跑道態(tài)勢預測分析。包括地基沉降態(tài)勢預測分析、地基反應(yīng)模量態(tài)勢預測分析、跑道疲勞損傷態(tài)勢預測分析。(4）跑道維護智能決策?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)和專家經(jīng)驗模型等,結(jié)合跑道當前狀況數(shù)據(jù),給出道面維護方法、維護頻率、維護時間等建議。

2.3數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)

數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)以跑道三維模型為重點,建立包括跑道、滑行道、聯(lián)絡(luò)道的三維數(shù)字模型,其中跑道以多層結(jié)構(gòu)的形式進行展現(xiàn),跑道的每層結(jié)構(gòu)中均包含了傳感器模型。數(shù)字孿生跑道系統(tǒng)可實現(xiàn)跑道三維場景漫游、跑道信息查詢展示、跑道區(qū)域交通可視化、跑道天氣狀態(tài)可視化。

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

2.4跑道作業(yè)信息管理系統(tǒng)

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

3系統(tǒng)建設(shè)關(guān)注的問題

基于傳感器技術(shù)的機場跑道監(jiān)測平臺的建設(shè)是一項復雜的系統(tǒng)工程,既涉及機場跑道的土建施工,也涉及大量傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析,還涉及跑道多個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。因此,在實際建設(shè)工程中,仍有以下幾項問題要關(guān)注:

(1）傳感器的存活率。傳感器在跑道建設(shè)過程中埋入,在埋設(shè)過程中,受現(xiàn)場施工環(huán)境、傳感器埋設(shè)方式、傳感器質(zhì)量等影響,極易出現(xiàn)損壞情況,因此需規(guī)范傳感器埋設(shè)流程,提高傳感器埋設(shè)時的存活率,同時做好現(xiàn)場施工的協(xié)調(diào)管理工作,加強已埋設(shè)傳感器及其傳輸光纜的保護工作。此外,由于傳感器是埋設(shè)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(guān)注其抗沖擊和抗壓能力,以滿足監(jiān)測需求。(3）傳感器數(shù)據(jù)的存儲。對于真實的機場跑道,埋設(shè)的傳感器數(shù)量通常多達數(shù)百個,每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量通常超過10TB。因此,需建立數(shù)據(jù)分析模型,對這些海量數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)信息、航空交通量信息,需建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)通信接口,并做好各類數(shù)據(jù)的管理工作。

4結(jié)語

跑道是機場最重要的設(shè)施之一。傳感器技術(shù)的發(fā)展為跑道監(jiān)測提供了實時化、精準化的技術(shù)手段,結(jié)合數(shù)字孿生跑道,集成跑道巡檢、維護、航班交通量等信息,可實現(xiàn)跑道狀態(tài)的可視化展示。在跑道建設(shè)期埋設(shè)傳感器,并在跑道運營期開展跑道監(jiān)測,實現(xiàn)跑道運營全周期數(shù)據(jù)的采集,可為跑道壽命周期內(nèi)的性能趨勢研究提供基礎(chǔ)資源,為跑道運行管理、安全評價、維修決策提供數(shù)據(jù)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。