智能跑道道面在线监测传感器选型研究

文｜西部机场集团公司 程峰

一、引言

在大数据、5G 技术、移动互联等技术为引领的新一轮科技革命背景下，航空运输行业作为交通与国民经济发展的重要行业之一，将在新一轮科技革命中迎来航空融合基建、“四型机场”建设的关键节点。其中，基于在线监测的机场智能跑道可实现道面性能实时评估及风险预警，近几年得到了机场建设与管理人员的重点关注。

传感器选型作为机场智能跑道建设最为基础和重要的一步，传感器选择是否适用于机场跑道将极大地影响到后续跑道运维情况的分析与判断。虽然目前结构健康检测已有许多研究人员做了大量的工作，但较多地是集中于桥梁、道路工程领域。作为机场飞行区最关键的基础设施，跑道直接服务于航空器的高速起降，对其承载力、平整性、安全性、舒适性都有更高的要求。同时，机场道面具有典型的荷载、材料的非线性特征，这对跑道道面监测的实时性、准确性、高频率提出了新的挑战。因此，直接沿用桥梁、大坝等其他结构物的传感器选型方案对跑道不适用。本文针对机场跑道道面在线监测传感器进行选型研究，结合理论和实测数据探究传感器对道面结构的影响，详细阐述传感器的分类，并依据频率计算公式、香农理论进行传感器参数选择，预期成果可为智能跑道传感器选型提供技术参考。

二、传感器埋设对道面结构的影响分析

埋设的传感器对道面结构有多大影响，直接关乎道面在线监测的可行性与合理性。以某国际机场的智慧跑道项目为例，就传感器对道面运行安全的影响开展理论分析、专家论证及现场验证。

（一）理论分析

采用A320 为典型机型，在Abaqus 软件进行有限元分析，计算得到最不利状态下道面的结构响应（临界荷位），如图1、2所示。结果表明，传感器安装后最大应力增加4.5%，最大变形增加0.004mm。这表明传感器埋设对道面结构应力、应变的变化影响较小。

图1 Abaqus 应力计算云图

图2 Abaqus 应变计算云图

（二）实际数据验证

结合已完成传感器埋设的某智能跑道，采集其道面监测与检测数据，对理论计算结果进行验证。根据传感器埋设区域的混凝土FWD 实测数据如图3，可见埋设传感器区域弯沉会有所增加，在3%-8%左右，最大值不超过8%。这表明传感器对道面结构弯沉的变化影响较小，且埋设传感器区域的道面平整度与普通区平整度几乎无差异，不影响飞机运行。

图3 某国际机场智慧跑道FWD 实测数据

综上所述，经Abaqus 理论分析计算和FWD 实测数据验证，发现传感器的埋设虽一定程度上会增大道面结构的应力、应变与弯沉，但增加幅度均不超过8%，说明其对道面结构的影响较小。

三、道面传感器选型

（一）传感器类别选择

1.依据感知手段分类

现阶段传感器依据道面性状感知手段主要分为光纤类和电阻类传感器。二者在技术以及工作原理上有显著差异，光纤传感器与电阻传感器的优劣性如表1所示。

表1 光纤传感器与电阻传感器优劣对比

根据上表可知，与电阻传感器相比，光纤传感器具有长期工作性能稳定、抗风险能力强、定位精准、布设范围广且维护成本低（为电阻传感器成本的1/2 以下）等优点。最关键的是光纤传感器使用寿命长，经研究其理论使用寿命可达20年以上，因此本文推荐针对机场道面的传感器选型主要采用光纤传感式传感器。

2.依据感知对象分类

机场道面传感器根据感知对象的不同，可分为道面结构感知和环境感知两类。其中，道面感知类传感器主要包括加速度计、振动光纤、静（动）态应变计、激光轮迹仪、压力传感器等；环境感知类主要包括水膜传感器、温度传感器等。关于各类传感器的名称、监测目的、布设位置具体如表2所示。

表2 机场道面各类感知传感器汇总

（二）传感器参数选择

飞机在跑道上高速起飞、降落与滑行，速度可达360km/h，因此传感器参数的选择需重点考虑采样频率：若采样频率过大可能会导致采集的数据量庞大，难以储存；而若采样频率过小，可能会导致采集不到飞机经过的数据信息，不利于后续数据处理分析与决策判断。因此，采样频率的正确选择至关重要。

1.理论计算结构监测最高频率

结构监测的最高频率指在极限情况下，为能准确捕捉到结构上发生的事件信号信息，所采用的理论最高监测频率值，用Fs表示，单位为Hz，T 为监测周期。在已知飞机最大起降速度V、轮胎作用长度L 的情况下，可利用式1 计算结构监测最高频率：

以监测飞机与动态响应为例，飞机起降最高时速为90m/s 左右，飞机轮胎作用长度取在0.3m 左右，即可计算出结构监测最高频率为。

2.依据香农定理选择采样频率

采样频率是指每秒从连续信号中提取并组成离散信号样本的采样个数。依据香农定理，对结构动态响应监测时，采样频率至少为结构最高监测频率的2 倍，否则会出现监测不到的情况。并且为保证避免出现混频现象，可适当调大采样频率为最高监测频率的3～10 倍。

对于实时性、准确性要求较高的传感器，即激光轮迹仪、振动光纤、动态应变计、加速度计这四类，主要监测的是飞机和道面结构动态响应，利用香农定理可确定其采样频率大致为900～3000。结合实际监测情况，并考虑响应突变信号的完整性，推荐振动光纤、加速度计和动态应变计监测频率为2500，激光轮迹仪采样频率为1000。

对于监测对象变化范围不大、对实时性要求低的传感器，即水膜厚度传感器、温度传感器和压力传感器这三类，其采样频率需要特殊考虑。由于道面脱空是在飞机冲击荷载反复作用下才产生的，压力传感器保证1 天监测一次即可。另外，机场道面的水膜厚度、温度场、静态应变虽然呈现递增或递减的趋势，但变化较为平稳，推荐其采样频率范围在1Hz。机场道面各类感知传感器推荐的监测频率如表3所示。

表3 机场道面各类感知传感器推荐的监测频率

四、结语

本文针对机场智能跑道道面传感选型展开研究，经过一系列的理论分析、实际验证与比选，得到以下结论：

（1）通过在Abaqus 软件有限元计算与实测数据分析传感器埋设对道面结构影响，得到其应力、应变、弯沉均变化范围均不大，验证了传感器对道面结构影响较小。

（2）经过光纤传感器、电阻传感器在恶劣环境、抗风险能力、监测范围、大面积布设成本、信号解析四层面的比选，综合考虑道面传感器应优先选择光纤感知类传感器。

（3）依据感知对象不同，本文具体给出了常用于道面感知、环境感知的八类传感器，并详细介绍了其各自的监测目的和布设位置。

（4）利用频率计算公式与香农定理，给出了可供参考的八类传感器采样频率。