基于传感器技术的机场跑道监测平台设计

李佳明 曹铁 邵黎明

摘要：分析了机场跑道管理中存在的问题，提出了基于传感器技术建立机场跑道监测平台，并结合跑道业务需求，在平台的基础上建立了机场跑道监测管理系统、机场跑道评价系统、数字孪生跑道系统和跑道作业信息管理系统，提高了跑道管理工作的效率和智能化、自动化水平。

关键词：传感器;跑道;监测;管理

中图分类号：TP212.9;V351.11  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.019

0    引言

我国正加快实施民航强国战略目标，在此背景下，智能化、数字化、信息化成为我国机场未来发展的必然趋势，全时安全、高效经济、信息融合是飞行区未来的运行目标[1]。机场跑道作为机场最重要的基础设施之一，承担着整个飞机地面运行的保障工作;同时机场跑道也是确定机场适航能力的重要内容，其健康状况直接关系到飞机运行的安全性[2]。

现阶段我国机场在跑道性状监测与管理方面还存在以下比较突出的问题：一是技术手段存在短板。当前我国机场跑道检测与评价主要依靠传统的人工巡查、FWD检测和钻芯取样等，传统手段在数据互联、检测效率、不停航检测等方面的不足，制约了我国机场的智能化进程[3]。二是管理与运行矛盾突出。现行机场跑道管理方法是通过对跑道进行定期检测，评估机场跑道的结构性和功能性质量水平，为机场跑道的运营维护提供依据。跑道调查包括日常巡查、紧急检查、详细调查、专项调查4种形式。受制于飞行区运营特点，跑道调查工作难以快速、常态化开展。尽管近年来部分机场采用了车载检测设备，但信息获取量仍然较少，跑道健康状况的评价依然不全面[4]。近年来智能传感器技术的发展，为实时、高效、精准地感知监测跑道状态提供了有利条件。通过在机场跑道结构内部、层间以及飞行区场域中布设各类传感器，能够有效监测力学、环境、交通等数据及其时空分布情况[5]。基于此，本文设计了基于传感器技术的机场跑道监测平台。

1    监测平台设计

1.1    总体框架

机场跑道监测主要包括跑道结构状态、沉降状态和跑道湿滑状态的监测。先建立跑道状态传感器感知系统，将获取的跑道状态原始传感器数据保存在跑道状态原始数据库中;再通过数据整理与分析，并与机场跑道巡检信息、维护信息、跑道地理位置信息、跑道结构信息、航空交通量信息等其他数据库进行结合，形成机场跑道综合信息数据库。在此基础上，建立基于传感器技术的机场跑道信息分析与服务平台，基于此平台建设机场跑道监测管理子系统、机场跑道评价子系统、数字孪生跑道子系统和跑道作业信息管理子系统。总体框架如图1所示。

1.2    跑道状态传感器感知系统

跑道状态传感器感知系统主要由传感器、传输光缆和传感器信号解调仪组成。传感器实现跑道结构、沉降和湿滑等状态的感知。传感器均为光纤光栅类，利用传输光缆将传感器光信号传输给解调仪，再通过解调仪将光信号转化为原始数据文件并保存，形成传感器原始数据库。

跑道的沉降感知可分为整体沉降感知和局部沉降感知。整体沉降感知主要采用分布式应变光纤，在跑道地基层建设时将光纤整体埋入。将应变光纤获取的应变信息解析为沉降信息，即可获得跑道的沉降信息。局部沉降采用单点沉降计感知，同时也利用湿度计对跑道地基的湿度情况进行感知，以此对地基状态信息进行综合感知。

跑道的结构状态采用加速度传感器、温度传感器、应变传感器等进行感知。在飞机起飞降落区域、滑跑区域和转向区域，利用加速度传感器对飞机载荷作用下的跑道面板振动进行感知，利用应变计对跑道面板的变形进行感知，利用温度计对跑道面板的温度变化进行感知。

跑道的湿滑状态采用水膜传感器、冰雪传感器等进行感知。在跑道道肩处埋設传感器，埋设后的传感器顶面与跑道道面的上表面齐平。

1.3    机场跑道综合信息数据库

对传感器原始数据进行整理分析，包括数据格式转换、异常值识别、无效值剔除、缺失数据填补等，并存储于关系型数据库中，形成跑道传感器数据库;同时通过与机场跑道巡检信息、维护信息、跑道地理位置信息、跑道结构信息、航空交通量信息等集成，形成机场跑道综合信息数据库，为平台提供数据支撑。

1.4    机场跑道信息分析与服务平台

在跑道综合信息数据库的基础上，利用数字孪生技术，建立跑道数字孪生模型，为跑道状态信息的可视化展示提供支撑;利用多源信息融合、大数据、人工智能等技术，构建融合力学分析的跑道性状评价计算模块，为跑道性状评价提供服务;开展不同数据的融合分析，构建出跑道性状预测和风险评估模型，为跑道性状的预测和风险评估提供服务;构建基于专家经验和人工智能的跑道维修决策模型，为跑道维护提供智能决策。

1.5    机场跑道监测平台应用系统

在机场跑道信息分析与服务平台的基础上，建立相应的应用系统，包括机场跑道监测管理系统、机场跑道评价系统、数字孪生跑道系统和跑道作业信息管理系统，为机场跑道管理人员提供管理应用。

2    平台应用设计

2.1    机场跑道监测管理系统

机场跑道监测管理系统用于传感器数据的管理、传感器数据的统计展示和传感器状态的管理。

（1）传感器数据管理。可按照传感器的类型、编号、区域、时间、状态等条件对传感器数据进行查询，也可对传感器数据进行修改、删除等操作。（2）传感器数据的统计展示。将传感器原始数据整理后形成的数据，以图表的形式进行展示，便于管理人员直观地了解传感器的历史和实时数据。（3）传感器状态管理。可实时查看传感器的存活状态，可对传感器位置、编号、区域、状态等信息进行编辑。

2.2    机场跑道评价系统

基于跑道性状评价参数计算模型、跑道损坏状况识别模型、跑道性能分析预测模型、道面安全风险评价模型和跑道综合维护决策模型，机场跑道评价系统能够实现跑道风险评价、跑道性能评价、跑道态势预测分析和跑道维护智能决策。

（1）跑道风险评价。基于跑道综合信息数据库，实现对跑道结构风险、跑道沉降风险、跑道抗滑风险和跑道轮迹偏移风险的评价。（2）跑道性能评价。实现对跑道PCI/SCI（跑道状况指数/跑道结构状况指数）指标、跑道PCN（跑道等级号）指标、跑道剩余壽命、跑道平整度等性能指标的评价，同时也包括基于跑道综合信息数据的跑道安全状态综合评价以及跑道维护决策功能。（3）跑道态势预测分析。包括地基沉降态势预测分析、地基反应模量态势预测分析、跑道疲劳损伤态势预测分析。（4）跑道维护智能决策。基于人工智能技术和专家经验模型等，结合跑道当前状况数据，给出道面维护方法、维护频率、维护时间等建议。

2.3    数字孪生跑道系统

数字孪生跑道系统以跑道三维模型为重点，建立包括跑道、滑行道、联络道的三维数字模型，其中跑道以多层结构的形式进行展现，跑道的每层结构中均包含了传感器模型。数字孪生跑道系统可实现跑道三维场景漫游、跑道信息查询展示、跑道区域交通可视化、跑道天气状态可视化。

（1）跑道三维场景漫游。提供可供编辑的路线和旋转、缩放、定位等功能，用于跑道三维场景的漫游。（2）跑道信息查询展示。通过编号、区块、类型等条件，查询特定的跑道信息或传感器数据信息，并将查询结果高亮显示。（3）跑道区域交通可视化。接入车辆GPS信息，实现对跑道巡检、作业等车辆的实时追踪和轨迹回放。接入跑道航班运行数据，结合传感器数据，实现飞机起降和滑行轨迹在模型上的可视化。（4）跑道天气状态可视化。接入跑道周边环境监测系统数据，对雨、雷、雪等天气状况进行三维数字化展示，实现跑道运行天气状况的可视化。

2.4    跑道作业信息管理系统

跑道作业信息管理系统包含桌面端和移动端系统，主要用于跑道巡检管理、跑道维护管理、跑道板块管理和统计分析。桌面端采用B/S架构，移动端以手机应用的形式安装于巡检人员的手持终端。

（1）跑道巡检管理。包含巡检计划管理和巡检记录管理。其中，巡检计划管理包含跑道巡检类型、巡检人员、巡检时间和巡检区域的选择。在巡检计划确定之后，通过桌面端将计划发送给巡检人员的手持终端。巡检记录管理包含巡检轨迹回放和巡检结果查询。巡检人员在巡检时，利用手持终端可对现场病害情况进行拍照，并利用GPS信息实现病害的定位，将病害信息和位置信息绑定后上传至系统。（2）跑道维护管理。可对跑道维护计划进行管理，可直接将维护工单下发至维护人员的手持终端，维护人员通过手持终端可查看维修工单，维护后通过手持终端录入跑道维护信息并上传至系统中。（3）跑道板块管理。包括跑道的板块分区信息和跑道结构信息管理，板块分区信息包括每个板块的地理位置信息、板块编码信息，根据跑道布局构建的跑道板块图，每个板块与实际跑道布局完全对应，并可对跑道的结构参数进行编辑和更新。（4）统计分析。包括道面病害类型、道面病害程度和道面病害区域的统计分析。

3    系统建设关注的问题

基于传感器技术的机场跑道监测平台的建设是一项复杂的系统工程，既涉及机场跑道的土建施工，也涉及大量传感器数据的采集、存储和分析，还涉及跑道多个系统间的数据交互。因此，在实际建设工程中，仍有以下几项问题要关注：

（1）传感器的存活率。传感器在跑道建设过程中埋入，在埋设过程中，受现场施工环境、传感器埋设方式、传感器质量等影响，极易出现损坏情况，因此需规范传感器埋设流程，提高传感器埋设时的存活率，同时做好现场施工的协调管理工作，加强已埋设传感器及其传输光缆的保护工作。此外，由于传感器是埋设于机场跑道中，在跑道使用过程中不可避免地会受到大量外力的冲击和压力，因此在传感器选择时也要关注其抗冲击和抗压能力，以满足监测需求。（2）传感器数据的存储。对于真实的机场跑道，埋设的传感器数量通常多达数百个，每日产生的数据量通常超过10 TB。因此，需建立数据分析模型，对这些海量数据进行存储，筛选出有效信息，以减少存储成本。（3）多源跑道信息的集成。系统将集成机场跑道巡检信息、维护信息、跑道地理位置信息、跑道结构信息、航空交通量信息，需建立统一规范的数据通信接口，并做好各类数据的管理工作。

4    结语

跑道是机场最重要的设施之一。传感器技术的发展为跑道监测提供了实时化、精准化的技术手段，结合数字孪生跑道，集成跑道巡检、维护、航班交通量等信息，可实现跑道状态的可视化展示。在跑道建设期埋设传感器，并在跑道运营期开展跑道监测，实现跑道运营全周期数据的采集，可为跑道寿命周期内的性能趋势研究提供基础资源，为跑道运行管理、安全评价、维修决策提供数据支撑和多维度的展示形式，从而提高跑道管理工作的效率和智能化、自动化水平。

[参考文献]

[1] 孙洁.民航机场跑道安全风险管理研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[2] 荣坤.一种机场跑道安全信息采集与道面分析系统[D].大连：大连海事大学，2011.

[3] 徐子晴.民航机场跑道安全风险的管理模式[J].中国航班，2019（7）：56.

[4] 任延飞，杨朋.民用机场跑道入侵及预防措施研究[J].中国民用航空，2019（12）：56-58.

[5] 王美玲.关于机场跑道安全管理问题的研究[J].建材发展导向（下），2014（11）：343.

收稿日期：2021-10-08

作者简介：李佳明（1993—），男，四川成都人，工程师，研究方向：机场安全。