机场道面数字化管理技术研究

文｜济南国际机场股份有限公司 刘斌

道面是供航空器起飞、降落、滑行、停放与维修的铺筑物，作为飞行区的最重要基础设施，在机场运行中发挥核心平台作用。道面在使用过程中不可避免地产生各种损坏，其使用性能受飞机荷载和环境因素的共同作用将逐渐衰减，表现为降低舒适性、增加飞机运行费用、影响飞行安全。研究与实践表明，科学、规范、先进的道面维护管理不但可以保证道面处于良好的服务水平，减少安全隐患，而且可以延长道面使用寿命，在全寿命周期内节省大量维护资金。

欧美发达国家从20世纪70年代起尝试道面管理技术的研究。80年代以后，道面管理技术的范畴不断得到扩展，逐步形成了涵盖道面调查与测试、评价与预测、对策与决策、信息化管理等内容的成套技术，并通过机场道面管理系统的形式得到应用和推广。我国自20世纪90年代开始研究道面管理技术，相继制定了一系列的法规、规章与规范性文件，包括《民用机场运行安全管理规定》《民用机场道面评价管理技术规范》《民用机场飞行区场地维护技术指南》等，用于从技术方面和制度方面规范民用机场道面维护管理工作。但在管理手段方面仍采用较为落后的人工经验模式。

随着我国机场建设快速发展，机场道面规模不断扩大，道面维护保障范围广、任务重、安全压力大。传统人工经验管理模式存在效率低、人力资源成本高、决策信息支持不足等问题，无法及时动态掌握道面运行状况并进行科学维护管理决策。迫切需要向数字化管理模式转变。近年来，民航四型机场建设不断深入推进，各大机场相继开发建设飞行区运行管理系统、道面管理系统等，但现有系统大多是在GIS地图基础上，开发场道电子台账管理功能。数字化管理技术不够系统和深入，本文借鉴国内外相关技术成果，对机场道面数字化管理技术进行研究分析，提出道面数字化管理技术体系、系统组成和建设要求，成果可为民航智慧机场技术研究和应用提供参考。

1.道面数字化管理技术

1.1 道面管理工作内容

道面建成投入运营后，在飞机荷载及环境影响下出现各类损坏，降低服务水平甚至影响飞机运行安全。为维持或提升道面服务水平，确保机场运行安全，要求对道面进行维修维护。包括道面日常巡视、日常维护、预防性养护、大中修改造、定期检测评价、维护规划与决策等一系列与道面相关的活动。如何高效、安全组织道面管理工作，科学制定养护策略是道面管理工作的核心。

1.2 道面数字化管理需求

机场道面数字化管理是指综合运用计算机技术、网络通信技术、人工智能技术以及物联网技术等，将管理对象和行为进行数字化，达成管理任务和管理目标的方法。道面管理任务和目标是动态掌握道面运行状态，确保道面实时适航，并根据道面性能状况进行科学养护规划与决策，延长道面寿命，节省全寿命周期费用。在数据化方面的具体需求与技术表现为：

（1）道面基础资料的数字化：道面建设资料、图纸等数据采用纸质保存，不便于查阅利用和定位。需要采用GIS 系统、CAD 文件、电子扫描等方式实现对飞行区道面建设资料、技术参数、地理信息等数据的数字化管理。

（2）道面巡检数字化：道面日常巡检过程中车辆进出跑道路线、病害定位及记录，问题报修等需求更高效、更智能的手段和技术。需要采用移动手机终端、车载视频设备、毫米波雷达、激光扫描仪、定位终端等数字化产品和技术，实现道面损坏、跑道外来物、道面表面污染物等情况的巡视检查，保障和提升道面适航能力。

（3）道面维修数字化：道面具有面广、区域大的特点，传统病害定位、维修记录和跟踪难度大，效率低，迫切需要采用移动GIS、智能手机/平板等收发道面维修任务，定位维修位置，记录道面维修信息，跟踪道面维修效果。

（4）道面监测数字化：道面性能随飞机荷载、使用时间、水温环境等影响出现衰减。因此，需要进行对道面状况进行监测，传统人工测量方式工作量大、时效性低。传感器和物联网技术发展为道面性状主动感知监测提供新的技术手段。

（5）健康检测数字化：运行道面需定期进行健康状况检测与评价，包括损坏等级、结构承载能力、平整度以及抗滑等。传统检测数据均以纸质报告方式进行保存，不利于数据积累、利用和决策支持，需求采用数字化技术进行管理以及可视化分析。

1.3 道面数字化管理技术

道面数字化管理的主要技术和手段包括：智能感知与传感技术，4G/5G 通信技术、GPS/北斗定位技术、物联网/互联网、移动/Web-GIS 技术、图像和视频AI 等技术。形成涵盖道面自动巡检、FOD 监控、道面健康监测、数据管理、检测评价、信息协同、业务流程管理等多综合数字化管理系统。

2.道面数字化管理技术架构

2.1 总体目标

道面数字化管理系统是一套符合我国机场道面运行技术标准并兼具各区域运行管理组织管理模式和特点的定制化系统，在系统架构设计方面既要满足道面管理技术理论和标准，同时能够满足飞行区管理部门业务工作组织方式，使得数字化技术能够切实融入管理工作、服务管理工作、规范管理工作。并能够兼顾系统功能扩展、外部信息接入以及新技术应用升级。

2.2 系统架构设计

机场道面管理使用性能变化与道面设计标准、飞机荷载作用次数、渠化特征、道面建设工艺与质量、长期水温环境影响等因素有关。其衰减变化特征具有随机性、多样性。因此，道面管理工作包括巡视、定期维护、日常维修、测试评估、养护决策。可以按五个层级进行数字化组织：感知层、网络层、数据层、解析层以及表现层。道面数字化管理首先需要获取数据，包括各类现场感知传感器、车载相机、雷达、激光点云设备、检测仪器设备等各种手段。各类道面相关数据通过光纤组网、4G/5G无线网络、机场专网（局域网）等进行数据采集传输至中心数据库。数据库包括地理信息数据、道面属性参数、道面运维数据、道面性能检/监数据以及过程处理数据等。数据经过滤、清洗、筛选、指标计算、等级评价等一系列加工处理，统计和分析，形成道面养护决策支持信息成果。同时，为便于系统数据共享、传递和处理，系统基于道面管理业务逻辑搭建工单流程，实现管理业务流程的数字化。最终形成的数据化系统采用B/S 软件架构，用户可通过PC 端浏览器，移动端App 或小程序进行访问应用。系统架构设计如图1所示。

图1 道面数字化管理技术架构图

2.3 感知层

道面数字化管理系统的感知层主要作用是感知道面结构性能、所处温湿度等环境因素以及表观损坏情况等状况的变化，获取机场道面状态的大量信息，为道面数字化管理提供实时、实测数据源。根据道面性能评价与分析需求，感知层需要获取的数据将包括：道面不均匀沉降数据、道面表观病害信息、道面不平整度数据、道面摩擦系数/表面构造深度、道面温/湿度变化梯度、道面结构弯沉盆数据等，数据采用无线方式或光纤方式传输、同步到数据存储中心。

2.4 网络层

网络层用于传输各类传感器或采集设备终端的数据。根据不同传感器类型和数据采集频率，可采用光纤、5G 无线网络、互联网或局域网等方式。其中高频传感器数据主要采用光纤进行组网传输。低频传感器可采用无线网络进行数据传输。车载检测设备的数据、FOD 数据等采用局域网方式接入。

2.5 数据及解析层

数据层用于存储数字化管理所需的各类数据，包括：（1）道面建设及改扩建资料、施工图纸、技术参数等数据；（2）道面地理信息数据，将道面属性信息与空间信息有效关联，为道面管理提供地图服务和数据可视化支持；（3）道面养护数据，主要为道面病害数据、日常维修、预防性养护、大中修改造等数据；（4）道面检测数据，为道面定期测试评价等到的使用性能指标数据；（5）道面监测数据，为道面在线监测的各类数据，包括FOD、沉降、表面状况等等。

解析层用于数据过滤、清洗处理、计算处理等，包括：传感器数据去噪、特征值提取算法，视频流处理及图像病害识别算法模型，道面结构性能指标计算模型、道面功能性能统计评价模型、损坏状况指标计算模型等。系统各类数据经解析层处理后形成用户所需要的适航能力评价指标、安全风险指标、运行道面性能状况指标等管理绩效数据，用于道面养护决策数据支持。

2.6 表现层

表现层是用户人机交互的界面。道面数字化管理的参与者将通过PC 电脑浏览器或移动端App 程序进行管理业务操作、数据传递共享、信息查看等。系统将根据用户需求提供数据可视化图表、位置信息、提示预警信息、大数据决策信息等服务。实现道面设施资产及管理过程的数字化。

3.道面数字化管理系统组成设计

道面数字化管理系统包括软件和硬件两部分组成。软件系统用于数据接受与存储、数据计算与管理、数据应用与服务等。

3.1 软件系统组成

道面数字化管理系统软件功能模块大致可以分为：道面日常巡检维修数字化管理模块、道面性状感知/监测数据管理模块、道面基础资料数字化管理模块、道面使用性能综合评价管理模块、道面维护辅助决策管理模块、一张图数据可视化管理模块等。模块组成如图2所示。

图2 道面数字化管理系统模块

3.2 网络硬件系统组成

道面数字化管理系统参与者包括班组人员、技术员、决策人员等多层次。因此，数字化管理系统对工作协同、业务流转、数据传递的时效性等均有较高的要求。因此，系统应采用浏览器/服务器网络架构，融合移动互联网及web-GIS 技术进行环境搭建。将系统功能实现的核心部分集中到企业服务器或云服务平台上，用户通过移动终端或PC 端浏览器进行处理操作。用户通过统一界面入口进行单点登录，实现对多系统、多功能模块的操作应用，能够协同、高效地完成全部信息化工作，提高了管理质量和工作效率，实现数字化转型。具体硬件组成包括：由4G/5G 移动终端、北斗定位终端、数据服务器、防火墙、网关、PC 机等部分组成。机场可利用既有信息基础设施资源或重新搭建硬件环境进行系统应用部署。

3.3 感知系统组成

道面感知与监测是掌握道面运行状况最为直接的方式，美国自20世纪70年代已开展研究和实践，取得较好效果。国内近几年也开始大量实践，包括在新建机场建设智能跑道系统，各类在线感知系统等。

道面感知与监测系统应根据机场运行特征，道面监测需求合理制定监测方案，并安装传感器设备。

例如：水损坏严重区域机场，应针对道面表面积水、地基湿度、地下水位等内容进行监测；对软土地区或高填方机场应进行沉降监测；寒区机场应对道面温度、冻胀情况进行监测等。对运行机场而言，监测设备应尽量采用非接触式或可后埋入的传感设备。Insar 监测、水膜厚度非接触监测等。

通过多方位感知和监测，全面了解影响道面性能的因素和道面使用性能状况的各项参数或指标。为道面适航状况评定、道面性能维持或提升、安全预警等提供数据支持。

4.结论与展望

本文对机场飞行区道面管理内容和数字化需求进行了分析，设计了道面数字化管理技术的总体架构，提出了道面数字化管理系统的功能模块组成、网络硬件组成以及感知系统组成。通过研究，明确了道面数字化管理的总体技术思路与方案，为数字化管理系统的开发与应用实践奠定基础。

随着机场航空交通量及飞行区规模不断扩大，采用数字化技术辅助飞行区道面管理是民航行业发展的必然趋势，也是融合基础设施、智慧机场建设的必经之路。道面数字化管理系统开发与应用涉及场务、运行、维修、检测等多部门，包括巡检、维修、养护、评价和施工实施等环节。道面数字化管理系统的深入应用必然对传统道面维护管理模式带来冲击和挑战，因此在设施管理系统建设应用过程中应循序渐进、稳步过度。同时，道面数字化管理技术和系统的应用将充分利用数据信息的价值，显著提高道面管理效率、道面运行安全预警能力、道面性状态势掌控能力和道面维护科学决策水平。数字化管理系统的深入应用与完善，将实现二/三维数据可视化、设计-施工-交付-运维一体化信息高度集成的机场道面全寿命周期数字化管理系统，将为机场道面运行维护和安全保障带来明显经济和社会效应，对推动民航机场智慧飞行区建设具有重大意义和重要作用。

图3 跑道感知监测方案示例图