機場道面數(shù)字化管理技術研究

文｜濟南國際機場股份有限公司 劉斌

道面是供航空器起飛、降落、滑行、停放與維修的鋪筑物，作為飛行區(qū)的最重要基礎設施，在機場運行中發(fā)揮核心平臺作用。道面在使用過程中不可避免地產(chǎn)生各種損壞，其使用性能受飛機荷載和環(huán)境因素的共同作用將逐漸衰減，表現(xiàn)為降低舒適性、增加飛機運行費用、影響飛行安全。研究與實踐表明，科學、規(guī)范、先進的道面維護管理不但可以保證道面處于良好的服務水平，減少安全隱患，而且可以延長道面使用壽命，在全壽命周期內(nèi)節(jié)省大量維護資金。

歐美發(fā)達國家從20世紀70年代起嘗試道面管理技術的研究。80年代以后，道面管理技術的范疇不斷得到擴展，逐步形成了涵蓋道面調(diào)查與測試、評價與預測、對策與決策、信息化管理等內(nèi)容的成套技術，并通過機場道面管理系統(tǒng)的形式得到應用和推廣。我國自20世紀90年代開始研究道面管理技術，相繼制定了一系列的法規(guī)、規(guī)章與規(guī)范性文件，包括《民用機場運行安全管理規(guī)定》《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》《民用機場飛行區(qū)場地維護技術指南》等，用于從技術方面和制度方面規(guī)范民用機場道面維護管理工作。但在管理手段方面仍采用較為落后的人工經(jīng)驗模式。

隨著我國機場建設快速發(fā)展，機場道面規(guī)模不斷擴大，道面維護保障范圍廣、任務重、安全壓力大。傳統(tǒng)人工經(jīng)驗管理模式存在效率低、人力資源成本高、決策信息支持不足等問題，無法及時動態(tài)掌握道面運行狀況并進行科學維護管理決策。迫切需要向數(shù)字化管理模式轉變。近年來，民航四型機場建設不斷深入推進，各大機場相繼開發(fā)建設飛行區(qū)運行管理系統(tǒng)、道面管理系統(tǒng)等，但現(xiàn)有系統(tǒng)大多是在GIS地圖基礎上，開發(fā)場道電子臺賬管理功能。數(shù)字化管理技術不夠系統(tǒng)和深入，本文借鑒國內(nèi)外相關技術成果，對機場道面數(shù)字化管理技術進行研究分析，提出道面數(shù)字化管理技術體系、系統(tǒng)組成和建設要求，成果可為民航智慧機場技術研究和應用提供參考。

1.道面數(shù)字化管理技術

1.1 道面管理工作內(nèi)容

道面建成投入運營后，在飛機荷載及環(huán)境影響下出現(xiàn)各類損壞，降低服務水平甚至影響飛機運行安全。為維持或提升道面服務水平，確保機場運行安全，要求對道面進行維修維護。包括道面日常巡視、日常維護、預防性養(yǎng)護、大中修改造、定期檢測評價、維護規(guī)劃與決策等一系列與道面相關的活動。如何高效、安全組織道面管理工作，科學制定養(yǎng)護策略是道面管理工作的核心。

1.2 道面數(shù)字化管理需求

機場道面數(shù)字化管理是指綜合運用計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、人工智能技術以及物聯(lián)網(wǎng)技術等，將管理對象和行為進行數(shù)字化，達成管理任務和管理目標的方法。道面管理任務和目標是動態(tài)掌握道面運行狀態(tài)，確保道面實時適航，并根據(jù)道面性能狀況進行科學養(yǎng)護規(guī)劃與決策，延長道面壽命，節(jié)省全壽命周期費用。在數(shù)據(jù)化方面的具體需求與技術表現(xiàn)為：

（1）道面基礎資料的數(shù)字化：道面建設資料、圖紙等數(shù)據(jù)采用紙質(zhì)保存，不便于查閱利用和定位。需要采用GIS 系統(tǒng)、CAD 文件、電子掃描等方式實現(xiàn)對飛行區(qū)道面建設資料、技術參數(shù)、地理信息等數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理。

（2）道面巡檢數(shù)字化：道面日常巡檢過程中車輛進出跑道路線、病害定位及記錄，問題報修等需求更高效、更智能的手段和技術。需要采用移動手機終端、車載視頻設備、毫米波雷達、激光掃描儀、定位終端等數(shù)字化產(chǎn)品和技術，實現(xiàn)道面損壞、跑道外來物、道面表面污染物等情況的巡視檢查，保障和提升道面適航能力。

（3）道面維修數(shù)字化：道面具有面廣、區(qū)域大的特點，傳統(tǒng)病害定位、維修記錄和跟蹤難度大，效率低，迫切需要采用移動GIS、智能手機/平板等收發(fā)道面維修任務，定位維修位置，記錄道面維修信息，跟蹤道面維修效果。

（4）道面監(jiān)測數(shù)字化：道面性能隨飛機荷載、使用時間、水溫環(huán)境等影響出現(xiàn)衰減。因此，需要進行對道面狀況進行監(jiān)測，傳統(tǒng)人工測量方式工作量大、時效性低。傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展為道面性狀主動感知監(jiān)測提供新的技術手段。

（5）健康檢測數(shù)字化：運行道面需定期進行健康狀況檢測與評價，包括損壞等級、結構承載能力、平整度以及抗滑等。傳統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)均以紙質(zhì)報告方式進行保存，不利于數(shù)據(jù)積累、利用和決策支持，需求采用數(shù)字化技術進行管理以及可視化分析。

1.3 道面數(shù)字化管理技術

道面數(shù)字化管理的主要技術和手段包括：智能感知與傳感技術，4G/5G 通信技術、GPS/北斗定位技術、物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)、移動/Web-GIS 技術、圖像和視頻AI 等技術。形成涵蓋道面自動巡檢、FOD 監(jiān)控、道面健康監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、檢測評價、信息協(xié)同、業(yè)務流程管理等多綜合數(shù)字化管理系統(tǒng)。

2.道面數(shù)字化管理技術架構

2.1 總體目標

道面數(shù)字化管理系統(tǒng)是一套符合我國機場道面運行技術標準并兼具各區(qū)域運行管理組織管理模式和特點的定制化系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構設計方面既要滿足道面管理技術理論和標準，同時能夠滿足飛行區(qū)管理部門業(yè)務工作組織方式，使得數(shù)字化技術能夠切實融入管理工作、服務管理工作、規(guī)范管理工作。并能夠兼顧系統(tǒng)功能擴展、外部信息接入以及新技術應用升級。

2.2 系統(tǒng)架構設計

機場道面管理使用性能變化與道面設計標準、飛機荷載作用次數(shù)、渠化特征、道面建設工藝與質(zhì)量、長期水溫環(huán)境影響等因素有關。其衰減變化特征具有隨機性、多樣性。因此，道面管理工作包括巡視、定期維護、日常維修、測試評估、養(yǎng)護決策?？梢园次鍌€層級進行數(shù)字化組織：感知層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、解析層以及表現(xiàn)層。道面數(shù)字化管理首先需要獲取數(shù)據(jù)，包括各類現(xiàn)場感知傳感器、車載相機、雷達、激光點云設備、檢測儀器設備等各種手段。各類道面相關數(shù)據(jù)通過光纖組網(wǎng)、4G/5G無線網(wǎng)絡、機場專網(wǎng)（局域網(wǎng)）等進行數(shù)據(jù)采集傳輸至中心數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包括地理信息數(shù)據(jù)、道面屬性參數(shù)、道面運維數(shù)據(jù)、道面性能檢/監(jiān)數(shù)據(jù)以及過程處理數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)經(jīng)過濾、清洗、篩選、指標計算、等級評價等一系列加工處理，統(tǒng)計和分析，形成道面養(yǎng)護決策支持信息成果。同時，為便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、傳遞和處理，系統(tǒng)基于道面管理業(yè)務邏輯搭建工單流程，實現(xiàn)管理業(yè)務流程的數(shù)字化。最終形成的數(shù)據(jù)化系統(tǒng)采用B/S 軟件架構，用戶可通過PC 端瀏覽器，移動端App 或小程序進行訪問應用。系統(tǒng)架構設計如圖1所示。

圖1 道面數(shù)字化管理技術架構圖

2.3 感知層

道面數(shù)字化管理系統(tǒng)的感知層主要作用是感知道面結構性能、所處溫濕度等環(huán)境因素以及表觀損壞情況等狀況的變化，獲取機場道面狀態(tài)的大量信息，為道面數(shù)字化管理提供實時、實測數(shù)據(jù)源。根據(jù)道面性能評價與分析需求，感知層需要獲取的數(shù)據(jù)將包括：道面不均勻沉降數(shù)據(jù)、道面表觀病害信息、道面不平整度數(shù)據(jù)、道面摩擦系數(shù)/表面構造深度、道面溫/濕度變化梯度、道面結構彎沉盆數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)采用無線方式或光纖方式傳輸、同步到數(shù)據(jù)存儲中心。

2.4 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層用于傳輸各類傳感器或采集設備終端的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同傳感器類型和數(shù)據(jù)采集頻率，可采用光纖、5G 無線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)等方式。其中高頻傳感器數(shù)據(jù)主要采用光纖進行組網(wǎng)傳輸。低頻傳感器可采用無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。車載檢測設備的數(shù)據(jù)、FOD 數(shù)據(jù)等采用局域網(wǎng)方式接入。

2.5 數(shù)據(jù)及解析層

數(shù)據(jù)層用于存儲數(shù)字化管理所需的各類數(shù)據(jù)，包括：（1）道面建設及改擴建資料、施工圖紙、技術參數(shù)等數(shù)據(jù)；（2）道面地理信息數(shù)據(jù)，將道面屬性信息與空間信息有效關聯(lián)，為道面管理提供地圖服務和數(shù)據(jù)可視化支持；（3）道面養(yǎng)護數(shù)據(jù)，主要為道面病害數(shù)據(jù)、日常維修、預防性養(yǎng)護、大中修改造等數(shù)據(jù)；（4）道面檢測數(shù)據(jù)，為道面定期測試評價等到的使用性能指標數(shù)據(jù)；（5）道面監(jiān)測數(shù)據(jù)，為道面在線監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)，包括FOD、沉降、表面狀況等等。

解析層用于數(shù)據(jù)過濾、清洗處理、計算處理等，包括：傳感器數(shù)據(jù)去噪、特征值提取算法，視頻流處理及圖像病害識別算法模型，道面結構性能指標計算模型、道面功能性能統(tǒng)計評價模型、損壞狀況指標計算模型等。系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)經(jīng)解析層處理后形成用戶所需要的適航能力評價指標、安全風險指標、運行道面性能狀況指標等管理績效數(shù)據(jù)，用于道面養(yǎng)護決策數(shù)據(jù)支持。

2.6 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層是用戶人機交互的界面。道面數(shù)字化管理的參與者將通過PC 電腦瀏覽器或移動端App 程序進行管理業(yè)務操作、數(shù)據(jù)傳遞共享、信息查看等。系統(tǒng)將根據(jù)用戶需求提供數(shù)據(jù)可視化圖表、位置信息、提示預警信息、大數(shù)據(jù)決策信息等服務。實現(xiàn)道面設施資產(chǎn)及管理過程的數(shù)字化。

3.道面數(shù)字化管理系統(tǒng)組成設計

道面數(shù)字化管理系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分組成。軟件系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)接受與存儲、數(shù)據(jù)計算與管理、數(shù)據(jù)應用與服務等。

3.1 軟件系統(tǒng)組成

道面數(shù)字化管理系統(tǒng)軟件功能模塊大致可以分為：道面日常巡檢維修數(shù)字化管理模塊、道面性狀感知/監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊、道面基礎資料數(shù)字化管理模塊、道面使用性能綜合評價管理模塊、道面維護輔助決策管理模塊、一張圖數(shù)據(jù)可視化管理模塊等。模塊組成如圖2所示。

圖2 道面數(shù)字化管理系統(tǒng)模塊

3.2 網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)組成

道面數(shù)字化管理系統(tǒng)參與者包括班組人員、技術員、決策人員等多層次。因此，數(shù)字化管理系統(tǒng)對工作協(xié)同、業(yè)務流轉、數(shù)據(jù)傳遞的時效性等均有較高的要求。因此，系統(tǒng)應采用瀏覽器/服務器網(wǎng)絡架構，融合移動互聯(lián)網(wǎng)及web-GIS 技術進行環(huán)境搭建。將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到企業(yè)服務器或云服務平臺上，用戶通過移動終端或PC 端瀏覽器進行處理操作。用戶通過統(tǒng)一界面入口進行單點登錄，實現(xiàn)對多系統(tǒng)、多功能模塊的操作應用，能夠協(xié)同、高效地完成全部信息化工作，提高了管理質(zhì)量和工作效率，實現(xiàn)數(shù)字化轉型。具體硬件組成包括：由4G/5G 移動終端、北斗定位終端、數(shù)據(jù)服務器、防火墻、網(wǎng)關、PC 機等部分組成。機場可利用既有信息基礎設施資源或重新搭建硬件環(huán)境進行系統(tǒng)應用部署。

3.3 感知系統(tǒng)組成

道面感知與監(jiān)測是掌握道面運行狀況最為直接的方式，美國自20世紀70年代已開展研究和實踐，取得較好效果。國內(nèi)近幾年也開始大量實踐，包括在新建機場建設智能跑道系統(tǒng)，各類在線感知系統(tǒng)等。

道面感知與監(jiān)測系統(tǒng)應根據(jù)機場運行特征，道面監(jiān)測需求合理制定監(jiān)測方案，并安裝傳感器設備。

例如：水損壞嚴重區(qū)域機場，應針對道面表面積水、地基濕度、地下水位等內(nèi)容進行監(jiān)測；對軟土地區(qū)或高填方機場應進行沉降監(jiān)測；寒區(qū)機場應對道面溫度、凍脹情況進行監(jiān)測等。對運行機場而言，監(jiān)測設備應盡量采用非接觸式或可后埋入的傳感設備。Insar 監(jiān)測、水膜厚度非接觸監(jiān)測等。

通過多方位感知和監(jiān)測，全面了解影響道面性能的因素和道面使用性能狀況的各項參數(shù)或指標。為道面適航狀況評定、道面性能維持或提升、安全預警等提供數(shù)據(jù)支持。

4.結論與展望

本文對機場飛行區(qū)道面管理內(nèi)容和數(shù)字化需求進行了分析，設計了道面數(shù)字化管理技術的總體架構，提出了道面數(shù)字化管理系統(tǒng)的功能模塊組成、網(wǎng)絡硬件組成以及感知系統(tǒng)組成。通過研究，明確了道面數(shù)字化管理的總體技術思路與方案，為數(shù)字化管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用實踐奠定基礎。

隨著機場航空交通量及飛行區(qū)規(guī)模不斷擴大，采用數(shù)字化技術輔助飛行區(qū)道面管理是民航行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是融合基礎設施、智慧機場建設的必經(jīng)之路。道面數(shù)字化管理系統(tǒng)開發(fā)與應用涉及場務、運行、維修、檢測等多部門，包括巡檢、維修、養(yǎng)護、評價和施工實施等環(huán)節(jié)。道面數(shù)字化管理系統(tǒng)的深入應用必然對傳統(tǒng)道面維護管理模式帶來沖擊和挑戰(zhàn)，因此在設施管理系統(tǒng)建設應用過程中應循序漸進、穩(wěn)步過度。同時，道面數(shù)字化管理技術和系統(tǒng)的應用將充分利用數(shù)據(jù)信息的價值，顯著提高道面管理效率、道面運行安全預警能力、道面性狀態(tài)勢掌控能力和道面維護科學決策水平。數(shù)字化管理系統(tǒng)的深入應用與完善，將實現(xiàn)二/三維數(shù)據(jù)可視化、設計-施工-交付-運維一體化信息高度集成的機場道面全壽命周期數(shù)字化管理系統(tǒng)，將為機場道面運行維護和安全保障帶來明顯經(jīng)濟和社會效應，對推動民航機場智慧飛行區(qū)建設具有重大意義和重要作用。

圖3 跑道感知監(jiān)測方案示例圖