填海型机场智慧安全监测平台建设与管理实践

叶青

（1 厦门翔业集团有限公司，福建厦门 361024； 2 福建兆翔机场建设有限公司，福建厦门 361024）

0 引言

新中国成立以来，尤其是改革开放以来，我国民用机场运输业务量持续快速增长，机场数量持续增加、密度持续加大、规模持续扩大，运行保障能力实现了质的飞跃。 但与世界民航强国相比，我国在安全管理、保障能力、运行效率、服务品质和管理水平等方面仍有一定差距，资源环境约束增大、发展不平衡不充分等问题愈加凸显。 由于机场范围涵盖航站楼、飞行区跑道、轨道交通、航空工程等复杂基础设施结构物，对其形成覆盖前期规划、工程建设期及后续运营期的全生命周期的安全监测，逐渐引起有关部门的高度重视。 以“平安、绿色、智慧、人文”为核心的四型机场，已成为中国机场未来发展的方向。

目前单纯依靠加强基础设施建设和挤压已饱和运行资源的发展模式已难以适应机场发展的需要[1]。 当前，空间遥感、北斗、物联网及大数据等技术在工程建设领域中的应用正迅速发展，给未来机场智慧发展带来了机遇和挑战。 目前国内许多机场已在跑道监测、结构物健康监测、旅客定位、数字孪生等多个应用场景上进行了有益的探索[2-6]，这为推进机场向高质量发展转型，优化管理资源配置作出了新的尝试。

1 项目概况

厦门新机场选址厦门岛以东，翔安区大嶝岛东南海域，距厦门市中心直线距离25km，地处闽南的中心地带。 新机场主要依托大嶝岛，利用大、小嶝岛之间的海域采用填海造地方式提供建设用地，大小嶝造地工程主要分三期实施合计造地面积约18.81km2（图1）。 新机场拟新建航站楼面积超55 万m2，可满足旅客年吞吐量4500 万人次，飞行区等级为国际最高等级4F 级。新机场包含大量主体航站楼结构，飞行区跑道、滑行道、轨道交通、停机坪、 配套酒店与航空工程等基础设施，面对复杂多样的结构物，在建设期及运营期将涉及各类结构化监测数据，特别是新机场为典型的填海型机场，分布有大面积软土淤泥层，如何监测、预测地面沉降，是机场建设与运营期的一项难点。

图1 厦门新机场造地平面（分三期开展）

目前传统监测手段，包括水准测量等，虽然测量精度较高，但是存在实时性弱、点位少、受环境条件影响大以及耗费人力等缺点，较难适应机场全面性、实时性及运营通航条件下的监测需求。另外，随着监测数据种类的逐渐增多、数据量的加大，数据所反映的监测对象内在逻辑联系会更复杂，而传统第三方监测所提供的单一分析咨询满足不了未来各专业深度融合、数据挖掘、智能预警及决策等的需求。 因此本文通过对各类结构监测数据的采集，结合各阶段机场的建设与运营需求， 搭建以时空遥感InSAR、GNSS 及传统物联网监测等多源传感数据为基础， 以行业专业经验为核心，结合云计算与大数据处理技术的机场智慧安全监测信息管理平台。 通过平台的运营实现机场范围区域结构物安全监测与建设运营管理的数据存储与统计分析、安全预警预测、事中科学应急等功能，为机场建设与运营全过程提供高效率、低成本、近实时的综合管理数据支撑。

2 智慧安全监测平台关键技术设计与实现

2.1 平台架构设计

机场智慧安全监测的核心是以监测信息为基础， 面向结果，通过建立不同监测技术手段，与数据源分析方法相互印证，有效评判工程安全状态，快速发现问题并反馈、监督，平台构架如图2所示。 基于可视化集成环境将基础服务模块和业务系统驱动相结合，搭建可供监测、科研、设计及建设运营管理等各方信息共享、交流反馈、协同工作的业务管理平台，实现数据存储与统计分析、安全预警预测、事中科学应急等功能。

图2 机场智慧安全平台架构

由于遥感InSAR 监测与地表地物相关，因此可通过历史数据的研究进行InSAR 数据处理参数与模型的建立， 形成流程化、标准化的数据自动化分析处理。同时采用遥感InSAR 技术开展填海场地大范围沉降监测，可发挥其测点密度高、空间分布广（分辨率3.0m）、不受外界环境影响等优势。平台内置InSAR 数据解算模块可支持TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Radarsat-2、ALOS-2 等主流雷达影像数据； 模块软件具备InSAR 预处理、DInSAR、MTIn-SAR 等功能模块，可实现对不同卫星SAR 影像的快速、高精度处理等功能。

采用高分辨TerraSAR-X 卫星数据开展3 年（2019—2021年）的遥感沉降监测（图3），研究表明：采用遥感InSAR 技术开展区域大范围沉降监测可及时提供全面、 高密度的沉降监测结果，较低成本获取海量沉降数据，可精细反映不同区域的沉降差异与场地变形，并将各类数据汇集于智慧监测平台，易于数据可视化展现与表达。 在监测期间内，一期填海区整体较为稳定，二期填海区大部分区域沉降量相对较小，但在软土厚度大于10m 的局部区域存在较为明显的沉降，场地沉降量与淤泥厚度之间具有较高的正相关性。

图3 遥感InSAR可视化界面（监测期：2019.01—2021.12）

2.2 基于GNSS 形变监测处理

GNSS 形变监测处理服务能够弥补传统监测手段实时性弱、耗费大量人力物力等不足, 通过GNSS 高精度接收机全天候采集数据，利用通信模块将数据实时传输至控制中心进行高精度变形监测数据处理、分析，可为机场关键基础设施提供实时形变数据支持（图4）。 监测结果表明：在各阶段设置的15 个GNSS 定位解析点中，实时获取了监测点的三维变形量，GNSS 监测结果和In-SAR 观测结果具有较高的一致性，可为后续机场建设提供应急监测技术服务保障。

图4 GNSS监测数据可视化展示界面

2.3 预警、预测及信息发布与管理服务

预警、预测及信息发布与管理服务是平台服务的重点，模块能够提高各类监测预警与应急响应的效率。 管理人员通过平台建设汇集过程监测数据，通过不同预警阈值的设置，可实现各类结构物预警与应急响应流程的处置，实现各类监测手段的分级预警与对比分析（图5）。

图5 监测预警与发布模块管理界面

3 平台应用与管理效益

在厦门新机场地基沉降研究中，沉降值与沉降速率是重点关注指标，监测平台运营多源数据分析结果为建设与科研单位提供了关键区域InSAR 变形序列数据及相关点位误差分析。如图6 所示，不同监测方式所得到的沉降值基本吻合，个别点位的误差主要来源于监测手段、精度、人工以及环境等因素的影响。 多源传感数据的对比可较好地应用于填海场地沉降研究，为后续场地工后沉降提供数据支撑。

图6 多源数据时序曲线

通过平台开展重点区域累计沉降剖面线分析，如对北1 跑道分析可见，场地局部区域存在一定的差异沉降，而且表现为软土厚度越大，差异沉降越明显，如图7 所示。

图7 北1跑道剖面分析时序曲线

针对新机场飞行区地基处理优化需求，平台提取关键区域的沉降数据，并进行汇总分析，如表1 所示。 相关分析结果可有效弥补传统沉降监测点位空间分布偏少的不足，为设计单位开展飞行区地基处理优化设计提供关键数据支撑。

表1 区域累计沉降数据统计表

通过平台建设与运营汇集各类结构物安全监测数据，可有效提高监测结果的利用效率，提高预警、预测的及时性、可靠性。 同时平台的应用有利于形成结构全过程安全数据库与资产，使数据有效服务于基础设施各阶段的安全状况评估，做到及时、真实的全过程监测与预警。

4 结语

填海型机场智慧安全监测平台的建设充分结合了工程安全监测管理的实际需求，融合InSAR、GNSS 等多源传感器，实现了以InSAR 开展全域普查形变监测，及时探测异常部位，动态监视安全隐患；以GNSS 等多源传感实现了对重要设施和隐患的连续不间断在线监测，对重点防控对象的在线应急监控。 平台内海量数据存储与分析， 可以提供较为充分的数据与多样性分析结果，建设管理部门可随时随地了解各地结构物安全状况，轻松实现远程管理；同时可通过平台有效实施预报警，减少机场建设过程中的安全风险与经济损失。 平台的建设与运营为实现厦门新机场全生命周期管理及“四型机场”的建设目标提供了良好的应用载体。