基于传感器技术的机场跑道监测平台设计

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摘要：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

　　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

　　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。

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