成都天府国际机场智能跑道管理系统

凌建明 张瑞菊 方意心

[摘要]文章依托成都天府国际机场西一跑道工程，通过传感器件对道基变形、道面状态和运行安全等实时感知，形成包含场道结构的安全监测与防控、跑道运行的安全评价与预警、场道的精准维护与决策等三大功能的智能跑道管理系统，为机场运行风险管控和预防性中长期养护规划提供建议和指导。

[关键词] 机场;智能跑道;管理系统

[中图分类号]V351.11[文献标志码] A

当今国内外正全力推進智慧基础设施研发与应用，打造新一代的智慧城市建设。具体到民航机场领域，我国正加快推进以智慧为引领的“四型机场”建设。智慧机场建设最重要的是智能跑道建设，建立整套智能跑道管理系统。依据未来跑道的运行目标和智能跑道的组成要素，可将智能跑道系统定义为：面向跑道全寿命的性能维护和运行安全，通过智能传感器件对跑道的各种信息进行实时感知、统--管理和分析表达，集成现场感知体系、数据传输体系、能源系统、数据存储分析系统、网络交互系统，形成具有性状主动感知、信息融合分析、自主决策预警等智能能力的现代化跑道系统。

1工程背景

成都天，府国际机场所处的地形地质条件复杂，地表冲沟密集，软弱土分布极不均匀，场地内主要填料湿化变形明显，跑道工后不均匀沉降和板块断裂等潜在风险突出，客观上需要运用先进的智能感知和数据分析技术建设智能跑道，，实现对跑道性状的主动感知和实时预警，保障其结构安全和运行安全。本文依托成都天府国际机场西--跑道工程，形成全球第一个功能完善的智能跑道系统。

2智能跑道管理系统设计

2.1总体设计

2.1.1要素组成

智能跑道的组成要素应满足跑道智能化运行的需求，具备自主感知、自主分析以及自主预测的能力。完整的智能跑道包括现场感知体系、数据传输体系、数据存储分析系统以及网络交互系统。

2.1.2系统架构

智能跑道由3个层次组成，分别为物理层、信息层和功能层。三者之间的关系如图1所示。

2.1.3 功能模块

智能跑道的功能模块主要包括跑道结构安全、运行安全与维护决策3个方面。与传统跑道相比，智能跑道的先进性。主要是由原来的人工检测逐渐发展为全时、全域、主动识别及精准识别（图2）。

2.2道基沉降监测系统设计

跑道运营过程中，由于道基发生不均匀沉降，容易产生跑道错台、断板等结构性病害，严重威胁跑道的运行安全。道基沉降监测主要是通过监测道基沉降的时空分布特征以及土体的湿度变化，掌握道基的变形规律，为跑道结构风险预警提供重要数据来源。道基沉降监测主要包括原道基表面和填筑体中间层的沉降监测，旨在反映道基在不同填筑高度下的沉降量变化以及差异沉降。道基湿度监测主要包括土体湿度和基质吸力监测，感知降雨过程中土体含水量、基质吸力的变化，确定道基湿度来源，获得道基土体的固结程度。通过单点沉降计、智能沉降仪、分布式光纤，获得全局绝对沉降，分析软弱道基跑道的差异沉降。

针对跑道全范围的沉降监测，沿跑道中线纵向布设1条水平直埋式分布式光纤监测带，埋设传感器包括5 m定点应变传感光缆和高强钢丝铠装温度补偿光缆各1条，在整个跑道内形成回路，以监测飞机轮迹带范围内的纵向不均匀沉降。同时每隔300 m左右沿跑道横向引出，方便后期维护维修。此外，还钻孔布设26处竖向直埋式分布式光纤，以监测跑道全范围的道基绝对沉降。

2.3道面性状感知系统设计

道面运营过程中，受飞机重复荷载以及环境因素等作用，易出现板底脱空、断板、车辙等病害，降低道面的使用性能。道面性状感知的内容包括结构层板底劣化监测、结构状态信息感知、道面湿滑状态感知与飞机轮迹感知。结构层板底劣化监测主要监测跑道道基沉降、飞机重复荷载、以及外界因素作用下的道面板板底脱空。结构状态信息感知主要感知飞机荷载和温度作用下，道面板内部的力学响应。道面湿滑状态感知主要通过水膜传感器，感知跑道水膜覆盖情况，判断跑道湿滑状态。飞机轮迹感知主要通过激光轮迹仪，感知飞机轮迹偏移，并识别飞机机型，为荷载数据分析提供重要参数。

2.4管理系统设计

2.4.1平台架构

智能跑道系统以道基变形、道面状态和运行安全三大监测系统为感知基础，依托网络层、数据层、解析层对采集数据进行联网整合、传输存储、理论解析、数值仿真，实现对跑道状态关键参数的提取和分析。基于理论模型实现对道面状态的演化预测和实时评估，形成场道结构的安全监测与防控、跑道运行的安全评价和预警、场道的精准维护与决策三大功能，如图3所示。

2.4.2组网架构

组网是现场传感器接入智能跑道系统平台的关键环节之一，其主要目的是将跑道现场感知数据传输至数据管理平台，实现感知数据的远程传输。采用光纤熔接的方式将传感器的数据传输端与主光缆连接，然后通过主光缆实现感知设施设备与智能跑道数据管理平台之间的信号传输。智能跑道管理系统采用传感器-分路盒-接续盒-数据中心以及传感器-无线模块-数据中心的多级组网架构。

2.4.3平台功能

智能跑道管理决策与预警平台以监测系统为基础，实现场道结构的安全监测与防控、跑道运行的安全评价和预警，以及场道的精准维护与决策三大功能。此外，依托智能跑道管理决策与预警平台，可实现与机场空管系统、机场场面引导系统的实时交互，及飞行区运行数据的有力整合;将智能跑道系统中所有道面性能与飞行区设施状况的数据进行集中储存与管理，通过共享平台，可向不同的管理机构提供可视化的道面性能数据与性能信息，从而全方位提升机场道面建设与管养一体化水平（图4）。

2.4.3.1场道结构安全监测与防控功能

对实时采集的多源传感器监测信息进行滤波降噪、真值苹取等数据预处理，可获得道基不均匀沉降、道面板结构内部动力响应、板底弯拉应变等结构安全监测指标的测量真值。基于飞机随机动荷载作用下的道基变形理论、道面损坏模式与结构行为演变模型、刚性道面板底接触状态评价方法、场道 PCN指标反演模型等场道结构安全评价与预测的基础理论，以及依托理论研究成果开发的系统平台功能模块，即时准确地输出场道结构性能状况和演变态势的分析结果。基于态势分析与风险评估理论，形成监测评估报告和预警信息播报，并通过云平台和在线信息分发技术发送至相关部门，实时获取道基沉降、道面板结构损坏、板底接触状态的动态信息，在线分析道面结构安全状况和风险演化态势，从而为机场飞行区的实时运行风险管控和预防性中长期养护规划提供建议和指导。

2.4.3.2跑道运行安全评价与预警功能

基于跑道运行安全评价基础理论和机器学习映射模型，分析跑道运行状况监测数据。将采集到的水膜厚度感知数据输人建立的道面抗滑性能评价模型，比对各级抗滑性能等级的道面湿滑状态指标阈值，形成飞机滑跑风险分析报告，为飞行区航务管制提供预警信息。基于多源数据的融合分析技术和场道智能监测系统平台的集成应用，利用沉降监测数据构建道面变形场，结合虚拟样机技术，仿真分析道面长波平整度下的飞机滑跑稳定性，指导机场管理养护部门组织道面平整度巡查复检和换板养护维持功能性能。

定期获取高精度的道面表观纹理参数，为轮胎-道面-水膜间的流固耦合仿真分析提供建模基础，将道面表观纹理参数输人跑道运行安全评价与预警的抗滑性能评价功能模块中，更新飞机滑跑行为仿真分析和抗滑失效风险预警模型参数。通过高精度定点沉降传感器的数据校验，保证场道分布式沉降监测的精度。对建立的道面长波平整度三维模型，通过常规道面平整度巡检检验模型重构精度，将飞机动力学仿真的场道长波平整度评价值与常规检测值对比分析，通过卡尔曼滤波提高平整度评价精度。

2.4.3.3场道精准维护与决策功能

基于智能跑道综合管理平台，实现各类数据管理分析、交通荷载分析、路面性能评价、预测及养护决策，实现管理信息化和决策科学化。在日常养护工作中，有效组织和管理机场道面的各类路面数据，及时掌握道面技术状况，对道面养护工作实施动态信息化管理，提高机场道面养护管理的效率和科学性，为管理者制定机场道面养护措施提供了有效辅助决策。

3智能跑道管理系统应用

3.1智能跑道管理系统平台功能

3.1.1传感器空间位置管理

传感器的空间管理分为2个层次。第1个层次是传感器埋设的断面区域与整条跑道的空间关系，如图5所示。

第2个层次是每类传感器所埋设的具体位置与整条跑道空间关系。点击"传感器管理"，在传感器列表中选择某类、某个传感器，点击"详情"，则该传感器会在跑道上被标记标注，实现了传感器与跑道的三维交互（图6）。同时，点击该标记，系统将弹窗显示该传感器的大样图、属性、功能以及详细数据。显示的数据中，默认为最新10次的变化趋势图。后台系统提供起讫日期的搜索功能，即可以查看任何时间段内某个传感器的数据变化图。

3.1.2道基沉降传感器应用

道基沉降传感器包括单点沉降计、智能沉降仪、静力水准仪、区域分布式光纤和全局分布式光纤5类。

3.1.2.1单点沉降仪

监测频率为6天一组。系统界面可选择不同的传感器在不同时段的数据变化情况，同时在图下方显示统计表，统计该段时间内的最大值、最小值和沉降速率值。

3.1.2.2智能沉降仪

监测频率为6天一组。系统界面左边可选择不同的智能沉降仪在不同日期的相对沉降情况，同时在下方的表格中提供该组智能沉降仪最大值和最小值，直观显示该位置的相对沉降分布状况。系统界面右侧可显示差异沉降分布情况，即可选择不同组别的智能沉降仪在不同时段的差异沉降率历时曲线图。

3.1.2.3静力水准仪

监测频率为6天一组。每组静力水准仪旁边布设一个单点沉降计，静力水准仪在系统界面的展示方式与智能沉降仪相同。

3.1.2.4区域分布式光纤

监测频率为14天一组。在系统界面上可提供不同日期、不同段分布式光纤的应变监测情况，同时在下方的表格展示其统计分布情况。

3.1.2.5全局分布式光纤

全局分布式光纤代表了整条跑道沿纵向沉降分布状况，监测频率为14天一组。在系统界面上可提供不同日期跑道的全局沉降分布情况，同时表格展示其最大和最小值。

3.1.3道面监测传感器应用

道面监测传感器包括加速度计、动态应变计、静态应变计、温度传感器和压力感知元件5类。

3.1.3.1加速度计

监测频率为2500 Hz。系统页面可实时显示加速度传感器峰值。当传感器受到压力并产生突变信号时，记录突变信号的最大值，实时更新至柱状图。同時页面提供起讫日期的搜索功能，可显示一段时间内加速度计最大值的分布情况。

3.1.3.2压力感知元件

监测频率为1次/天，通过感知水泥混凝土板底部和水泥稳定碎石层之间的压力值，进而判断脱空情况。系统界面提供监测断面、监测区域和监测日期的搜索功能，通过颜色图直观展示板底的脱空状况。

3.1.3.3温度值传感器

智能跑道系统沿着不同深度埋设了温度传感器，监测频率为每小时一次。系统界面提供不同结构层下温度值的平均值，并可根据日期选择。同时，可实时展示温度梯度随时间的分布情况，为道面板温度荷载分析提供数据支撑。

3.1.3.4动态应变计

监测频率为2500 Hz，可捕捉飞机荷载作用下道面板的动态响应。系统界面可提供相应的搜索功能，展示不同断面下不同板块埋设的动态应变计分组信息。

3.1.3.5静态应变计

监测频率为1次/h。系统界面提供不同日期下全天静态应变分布状况。同时将道面板的静态应变和温度值进行耦合，提供不同日期下道面板平均温度和静态应值的变化曲线。

3.1.4环境与荷载传感器

环境与荷载传感器包括水膜传感器和激光轮迹仪。

3.1.4.1水膜传感器

监测频率为1 Hz，在系统页面中提供监测在3 min内的水膜演化情况。系统融合水膜厚度传感器和雨量计的监测数据，结合跑道三维高程数据，实现了跑道监测点全断面的水膜厚度预估，并提供起讫日期水膜厚度平均值的变化曲线。

3.1.4.2激光轮迹仪

利用3台激光轮迹仪可实现对飞机轨迹偏移测量、飞机机型的识别、飞机滑行速度的监测。当激光轮迹仪受飞机荷载并产生突变信号时，可将偏移量记录下来，在柱状图中实时更新。页面提供起讫日期的搜索功能，可展示一段时间内偏移量的分布情况，同时可实现对不同类型机型的架次统计、偏移分布以及起降分布比例分析。

3.2管理系统平台应用

3.2.1道基沉降展示

将最重要的信息在显示端页面展示，包括工后沉降状况，最大沉降状况、工后差异沉降状况、沉降变形和当前全局沉降形态，如图7所示。

（1）工后沉降状况主要展示跑道在工后沉降情况，涉及单点沉降计、智能沉降仪2类传感器，具体显示指标包括：最大的工后沉降、最大的沉降速率、最大的工后差异沉降。

（2）最大的工后沉降是从建设期2017年6月以来，所有单点沉降计监测的最大值。

（3）工后差异沉降状况包括所有智能沉降仪、静力水准仪所监测的工后差异沉降，并按照从高到低顺序排列。

（4）沉降变形主要包括2个竖向和1个纵向的分布式光纤。

（5）全局沉降形态。

3.2.2道面性状展示

道面结构安全的显示端把智能跑道中道面结构类的核心指标通过图表可视化展示，包括应变比、应变期望值、疲劳因子、翘曲变形等。

（1）提供最近10次的应变比分布情况，主要是通过应变比指标实现对道面板底脱空的判别。

（2）依据道基反应模量 K值的计算模型，提供板中、板边、板角的应变期望值分布情况，同时显示监测断面的 K值分布情况。

（3）提供道面板中、板边和板角的疲劳因子，并与数值1进行比较。

（4）提供道面板的翘曲变形量和温度梯度的分布情况。

3.2.3环境与荷载展示

把水膜厚度及飞机运行的核心指标通过图表可视化展示，如图8所示。

（1）监测点的水膜厚度与跑道中线的水膜厚度分布情况。

（2）经过激光轮迹仪断面，西一跑道当日和本月的运行架次。

（3）机型的比例分布情况。

（4）横向偏移的频率分布直方图。

4总结

本文依托成都天府国际机场西一跑道工程，形成了全球第一个功能完善的智能跑道管理系统。

（1）智能跑道管理系统总体设计包括组成要素、系统架构、功能模块3部分。其中系统架构包括物理层、信息层和功能层3个层次组成。

（2）智能跑道系统以道基变形、道面状态和运行安全三大监测系统为感知基础，包含场道结构的安全监测与防控、跑道运行的安全评价和预警、场道的精准维护与决策三大功能。

（3）场道结构安全监测与防控功能，主要是实时获取道基沉降、道面板结构损坏、板底接触状态的动态信息，在线分析道面结构安全状况和风险演化态势，为机场运行风险管控和预防性中长期养护規划提供建议和指导。

（4）跑道运行安全评价与预警功能，主要是实时显示道面抗滑性能，形成飞机滑跑风险分析报告，为飞行区航务管制提供预警信息;将道面表观纹理参数输人跑道运行安全评价与预警的抗滑性能评价功能模块中，更新飞机滑跑行为仿真分析和抗滑失效风险预警模型参数;通过高精度定点沉降传感器的数据校验，从而提高道面平整度评价精度。

（5）场道精准维护与决策功能，主要是实现各类监测数据分析、交通荷载分析、路面性能评价、预测及养护决策，从而达到管理信息化和决策科学化的目的。

（6）智能跑道管理系统道基沉降显示主要包括工后沉降状况，最大沉降状况、工后差异沉降状况、沉降变形和当前全局沉降形态等信息。

（7）智能跑道管理系统道面性状显示主要包括应变比、应变期望值、疲劳因子、翘曲变形等数据，环境与荷载数据显示主要包括水膜厚度分布、运行架次、机型比例分布、横向偏移分布等内容。

参考文献

[1]凌建明，方意心，张家科，等.机场智能跑道体系架构与关键技术[J].土木工工程学报，2022，55（2）：120-128.