機場跑道沉降區(qū)道面波音平整度指數(shù)分析方法

饒偉東

民航專業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站中南地區(qū)監(jiān)督站 廣東 廣州 510405

道面評估對于道面保護(hù)和養(yǎng)護(hù)的決策過程至關(guān)重要。平整度是機場道面的一個關(guān)鍵指標(biāo)，與安全性、使用壽命等影響有關(guān)[1]。跑道過大的不平度將會導(dǎo)致飛機在滑行過程中產(chǎn)生振動，不僅會加速道面和起落架的疲勞破壞，還會影響乘客的舒適度和飛行員的操作。目前國際上沒有統(tǒng)一的機場道面平整度評價方法，波音公司基于飛機滑行的疲勞壽命建立了三級平整度評價標(biāo)準(zhǔn)；加拿大運輸部建立了以行駛舒適度（RCI）為指標(biāo)；美國APR工程咨詢公司提出以駕駛艙和飛機重心加速度平方和根值為指標(biāo)等評價方法。我國多以國際平整度指數(shù)（IRI）作為評價指標(biāo)[2]。IRI指標(biāo)來源于標(biāo)準(zhǔn)1/4車模型[3]，但飛機和汽車在速度、輪距和懸掛緩沖系統(tǒng)等諸多方面存在差異，兩者的動力學(xué)響應(yīng)特性區(qū)別較大，故波音平整指數(shù)（Boeing Bump Index, BBI）較為合理[4]。但國內(nèi)對波音平整指數(shù)的介紹資料有限，因此，本論文對機場跑道道面波音平整度指數(shù)方法和算法進(jìn)行分析，對于保證機場道面的運行安全，具有重要的積極意義。

1 波音平整度評估方法

波音公司根據(jù)大量碰撞事件的經(jīng)驗制定了標(biāo)準(zhǔn)，描述了跑道道面的平整度狀況，量化了與碰撞事件相關(guān)的可接受區(qū)域、超量區(qū)域和不可接受區(qū)域的道面平整度邊界，提出了隆起長度與隆起高度兩者關(guān)系的評價指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 道面平整度評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）可接受區(qū)域：新建或修復(fù)的道面將導(dǎo)致隆起長度、隆起高度在可接受區(qū)域內(nèi)。所有飛機都可以接受此范圍內(nèi)的操作。隨著道面老化，如凍脹、道面沉降等各種因素可能導(dǎo)致隆起長度和隆起高度接近可接受區(qū)域的極限。經(jīng)驗表明，飛行員開始報告過度平整度時，表面平整度已經(jīng)接近超量區(qū)域，機場應(yīng)開始確定顛簸位置并準(zhǔn)備采取糾正措施，措施包括定期監(jiān)測、分析道面高程等工作。

（2）超量區(qū)域：在平整度進(jìn)入超量區(qū)域時需要修復(fù)道面。對于飛機機組人員和乘客來說，這種程度的平整度會給飛機上的所有乘員造成嚴(yán)重的不適，駕駛艙內(nèi)儀表的干擾可能很嚴(yán)重；也可能導(dǎo)致飛機在短期內(nèi)無法操縱，以及前起落架和主起落架的疲勞壽命過度縮短。此時在超量區(qū)域需要進(jìn)行道面維修，但不需要關(guān)閉受影響的道面。

（3）不可接受區(qū)域：此區(qū)域的平整度水平需要立即關(guān)閉受影響的跑道道面，立即進(jìn)行道面維修，以便將道面恢復(fù)到可接受區(qū)域的水平。

2 波音平整度指數(shù)算法

為了將計算出的隆起標(biāo)準(zhǔn)與其他平整度測量值進(jìn)行比較，美國FAA提出了波音平整度指數(shù)，波音平整度指數(shù)算法流程如下：

（1）對于測量的縱斷面采樣點，計算所有不同長度“直尺”下的隆起長度、隆起高度；

（2）計算不同隆起長度對應(yīng)的隆起高度允許值（圖1中“可接受區(qū)域”上限值）；

（3）對不同隆起長度計算實際隆起高度與允許值的比值，其中最大的比值為斷面采樣點的BBI值；

（4）對所有縱斷面采樣點重復(fù)步驟（1）-（3）。

波音平整度評價標(biāo)準(zhǔn)中可接受區(qū)域和超量區(qū)域的上限值計算公式如下：

（1）可接受區(qū)域上限曲線：

（2）超量區(qū)域上限曲線：

其中，隆起長度L（m），隆起高度H（cm）。根據(jù)BBI算法定義了可接受區(qū)域、超量區(qū)域和不可接受區(qū)域的評估圖，如圖2所示。當(dāng)BBI值小于1.0時，處于可接受區(qū)域；BBI值大于1.0時，處于超量或不可接受的區(qū)域。相交于隆起長度大于20m，在隆起長度小于20m時，BBI值更容易處于超量區(qū)域。

圖2 道面平整度評價標(biāo)準(zhǔn)（BBI）

3 沉降區(qū)道面數(shù)據(jù)分析

3.1 沉降區(qū)道面概況

某機場地處內(nèi)陸高平原地區(qū)，在新建機場前，該地區(qū)存在多條河溝彎曲穿過機場飛行區(qū)[5]。由于飛機在跑道起降時存在顛簸，為了更好分析跑道不平整度的情況，使用電子水準(zhǔn)儀對上述顛簸區(qū)域進(jìn)行測量[6]。測量方案如下：沿跑道中心線道面板進(jìn)行逐板（測點間距4m）板角高程測量，共布置高程測點151個，如圖3所示。

圖3 跑道沉降區(qū)道面板高程圖

由圖3的道面高程圖可知：跑道道面20-90m、260-360m和500-530m三處區(qū)域發(fā)生了明顯沉降，分別沉降約7.12cm、8.55cm和7.99cm，并且260-360m區(qū)域沉降值最大，其他區(qū)域道面沒有明顯的沉降。

3.2 波音平整度指數(shù)分析

縱斷面測量的數(shù)據(jù)采樣間距宜采用0.25m，當(dāng)采用其他大于0.25m的采樣間距時，應(yīng)將數(shù)據(jù)插值處理為0.25m間距的數(shù)據(jù)。由于本次跑道沉降區(qū)測量數(shù)據(jù)間隔為4m，為了更好反映道面高程的變化，對測量數(shù)據(jù)插值處理為0.25m間隔，再使用波音平整度指數(shù)算法流程對0-600m范圍內(nèi)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，跑道沉降區(qū)道面BBI值分布情況，如圖4所示。分析BBI值分布圖可以發(fā)現(xiàn)：（1）跑道道面80-200m、360-440m和530-600m區(qū)域BBI值基本小于0.3，三個區(qū)域道面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沉降；（2）40-80m、200-360m和440-530m區(qū)域BBI值波動較大，三個區(qū)域道面基本處于沉降區(qū)范圍；（3）490-510m區(qū)域BBI值大于1.0，也就是該區(qū)域存在超量區(qū)域或不可接受區(qū)域。

圖4 跑道沉降區(qū)BBI值分布圖

跑道沉降區(qū)域內(nèi)，波音平整度指數(shù)中超量區(qū)域統(tǒng)計表和分布圖，如表1和圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)：499.25-511.50m區(qū)域BBI值均大于1.0，而500.75-511.25區(qū)域BBI值最大值達(dá)到1.09。由于499.25-511.50m區(qū)域的隆起長度均小于60m，并且BBI值均小于1.2，根據(jù)圖2的道面平整度評價標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷499.25-511.50區(qū)域存在超量區(qū)域。此跑道可繼續(xù)使用，但應(yīng)在合理的期限內(nèi)對其進(jìn)行修補，該區(qū)域可能會導(dǎo)致因某一次單一事件或長期的疲勞斷裂而使得航空器可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞的風(fēng)險，因此必須采取維護(hù)改正行動，以便將表面狀況恢復(fù)至可接受區(qū)域。

圖5 跑道沉降區(qū)BBI值超量區(qū)域分布圖

表1 跑道沉降區(qū)BBI值超量區(qū)域統(tǒng)計表

4 總體結(jié)論

通過對波音平整度指數(shù)評估方法和算法的介紹，結(jié)合跑道沉降區(qū)道面的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要得到如下結(jié)論。

（1）可接受區(qū)域范圍內(nèi)，跑道的平整度不需要進(jìn)行維護(hù)；超量區(qū)域范圍內(nèi)，跑道的平整度需要立即進(jìn)行維護(hù)；不可接受區(qū)域范圍內(nèi)，跑道的平整度不能滿足適航要求，應(yīng)該關(guān)閉。

（2）波音平整度指數(shù)主要分為可接受、超量和不可接受三個區(qū)域。BBI值小于1.0時，處于可接受區(qū)域；BBI值大于1.0時，處于超量或不可接受的區(qū)域，取決于隆起長度和BBI值。

（3）跑道道面存在沉降區(qū)時，波音平整度指數(shù)識別沉降區(qū)范圍與實際沉降區(qū)范圍具有較好的相關(guān)性，BBI值可以較好用于評價跑道道面的平整性。