智慧機坪保障系統設計與實現方法

［摘 要］為解決機場保障工作中多種不同型號機電設備同時運行帶來的組織管理困難，同時助力智慧、綠色機場建設目標順利實現，提出了一種智慧機坪保障系統的設計與實現方法。包括井蓋系統的安全減震設計方法，以實現地井工作環境的安全隔離；提升空調系統制冷制熱性能的多種措施；利用模糊PID 控制器實現對機電設備的在線控制方法；設計智慧管理系統以用于實現不同信息的高效調度。利用提出的智慧機坪保障系統，可提高機場保障工作的效率，進而提升機場保障服務的綜合質量。

［關鍵詞］機場保障；智慧機場；模糊PID 控制；系統設計

［中圖分類號］V351.3 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0013–03

1 面臨的挑戰

1.1 綠色環保

隨著機場規模的持續擴大，航班起降次數不斷增加，多種不同型號的飛機保障需求不一致，增加了停機坪地面設備的保障難度。為了提升機場地面保障綜合能力，不僅需要增加與水、電、通風供暖等保障任務相關的電氣設備投入數量，還需要延長設備工作時間。機場地面保障設備耗電量的增加會帶來更大的碳排放量，不利于綠色機場建設理念的落實。

1.2 智能管理

為了配合實現新形勢下綜合型機場建設目標，各種地面保障設備持續投入使用。這些設備不僅功能不一、型號各異，且數量較多、冗余備份關系復雜，給管理帶來了難度。此外，個別機型停靠時需要特定設備實施保障，并根據飛機起落信息確定機電設備就位與投入運行的邏輯關系，確保不同型號的設備之間不會出現無線信號干擾。因此，為了實現對地面保障設備的高效管理，需構建智慧管理系統。

2 系統概述

2.1 結構組成

智慧機坪保障系統結構組成如圖1 所示。智慧管理系統基于物聯網、云平臺和智能算法搭建，實時采集關鍵設備的運行狀態參數并進行分析和存儲，根據機場保障需求向關鍵設備發送啟動與停止指令，利用智能算法實現設備投入使用次序的排布以避免相互之間的邏輯沖突。基于電源系統、空調系統內多種硬件設備的融合，智慧機坪保障系統能夠在侯飛期間為飛機提供400 Hz 靜變電源，提供恒定風速和溫度的空調保障；利用線纜系統，可為飛機提供多種類型信號與動力電纜的接入管理。

井蓋系統、通風系統和排水系統，可保障智慧機坪保障系統工作在合適的溫濕度環境中；防爆系統，可保障智慧機坪保障系統安全運行；電氣控制系統，可保障智慧機坪保障系統由地下升至地面，便于設備檢修或更換。這些設計實現了關鍵設備的智能化管理，有利于減少機坪保障系統的故障率并延長使用壽命。

2.2 主要創新

（1）為了增強井蓋的結構強度，同時防止冬季低溫結冰，井蓋采用Q355 高強度不銹鋼整體銑制，符合4F 的機場使用標準，同時配有智能加熱裝置，利用溫度傳感器實時監測機場溫度，一旦出現溫度低于設定值的情況立即開啟加熱功能，防止結冰。

（2）為了實現智慧機坪保障系統自由地升降出地面，采用耐高溫、高強度的尼龍輪傳送裝置實現升降功能，該傳送裝置機械強度高，耐疲勞性能突出，可承受250℃以上的高溫。

（3）在設備升降系統中，萬向軸采用爪型結構形式，轉動幅度增加，可消除大角度死角；采用全鋼材料制作，具有較強的耐磨損性能，有效降低了萬向軸的故障率。

（4）為了平穩地升降設備，在設備升降系統中采用全新配重平衡方式代替傳統的滑輪配滑繩，有效解決了設備升降時晃動以及定位不準確的問題。

（5）在線纜系統中，增加了線纜阻止機構，對拖曳線纜實施限位管理，當線纜長度達到臨界值時立即停止拖曳，避免出現拉伸斷裂事故。

（6）在電氣控制系統中，利用純重力收納式麻花線纜提供雙路380 V/50 Hz 機務用電，同時增加了電氣連接異常立即切斷供電的功能，確保供電可靠并避免出現人身觸電事故。

3 關鍵技術

3.1 井蓋系統減震功能實現

井蓋系統是智能機坪保障系統的重要組成部分，可有效隔離地井與機坪環境，為地井內機電設備提供合適的工作環境。作為地井與機坪的連接結構件，除了選擇高強度型鋼提升井蓋的結構性能外，還應做好減震和避免共振的措施。

井蓋為矩形外觀設計，振動模型遵從達朗貝爾原理。在外部載荷作用下，井蓋系統的結構力學方程可表示為：

當井蓋所承載的外部載荷發生結構性振動時，可利用如下所示的余弦形式的簡諧運動方程描述：

為了避免井蓋系統在載荷結構性振動的影響下發生共振進而對系統結構強度造成破壞，需規避共振頻率。令式（2）中的p 等于式（1）中的q，聯立式（1）和式（2），可以得到：

根據以上分析，通過在井蓋系統設置振動頻率監測器，一旦監測出振動頻率與式（3）中的w 值一致時，應立即發射干擾信號，使井蓋系統接收到載荷振動頻率發生改變，進而避免共振。一旦共振發生，井蓋系統的高強度鋼性材料將會遭受不可抗力的嚴重破壞，輕則變形、重則開裂，進而影響智慧機坪保障系統的安全運行。

3.2 空調系統制冷熱功能實現

在智慧機坪保障系統中，空調系統為停在機坪上的飛機提供不間斷的冷熱風源保障，是確保機艙舒適度的關鍵設備。空調系統主要由雙冷源型機組改進而成，基本結構和功能如圖2 所示。

在圖2 中，水冷式空氣處理系統接受的冷水主要成份是乙二醇- 水溶液/Nacl- 水溶液，這種化合物作為換熱介質具有更低的冰點，制冷效率更高。

在線纜系統的配合下，空調系統按照如圖3 所示的順序依次向機場關鍵部位提供冷熱風保障。

3.3 電氣控制系統功能實現

在電氣控制系統中，利用模糊PID 方法對機電設備進行穩定的控制。模糊PID 控制是在PID 控制器的基礎上發展起來的，實現了參數的在線自適應調整，具有良好的控制效果。機坪保障系統的輸出數據主要有3 大類：①溫濕度；②電壓、電流和功率；③各種機械設備的運動狀態信號。

在輸出端利用多源傳感器對這些數據信息進行監測，監測結果用符號u（t）表示，其中t 為時間變量；對信號u（t）進行濾波處理后，將其輸入圖4 所示的模糊PID 控制器中。

在圖4 中，被控對象的輸出是y（t），與監測信號u（t）的偏差是e（t）。偏差信號e（t）經過線性放大處理、微分處理（圖中用符號d/dt 表示）、積分處理（圖中用符號dt 表示）后輸入PID 控制器，在模糊邏輯的作用下PID 控制器實時在線調整控制參數，將結果綜合作用到控制對象上，最終獲得預期的控制效果。

PID 控制器可用如下公式表示：

觀察fuzzy 工具箱的輸出曲線，對應J（t）最小值的數組賦值給k1、k2 和k3，之后用于PID 控制器中，可獲得預期的控制效果。

3.4 智慧管理系統功能實現

智慧管理系統負責收集運行數據并根據數據的變化規律對所有硬件設備的運行進行調度決策。其主要由前端數據采集、數據傳輸與數據分析決策3 部分組成。前端數據采集通過多種智能傳感器完成，通過與機場的電表、水表、熱量表等設備連接實現對溫濕度、電流、電壓、功率等數據的采集。被采集的數據通過TCP/IP 接口協議傳輸至云平臺，在云平臺內進行數據變化規律與優先級分析。通過對數據變化規律的分析，可實現對各種機電設備運行狀態的監測，提前預測可能出現的故障并采取相應的應急預案；通過對數據的優先級進行排序，可確保控制信號被按照重要程度和執行次序發出，實現對多種機電設備的有序控制。

4 結束語

利用文章提出的智慧機場保障系統，可在相對安全的環境內實現對機電保障設備的高效管理。此外，利用智慧機場保障系統可為停靠在機場內的飛機提供穩定的電能與溫濕度保障，確保各種機電保障設備安全、有序運行，從而助力綠色、智慧機場建設目標順利實現。

參考文獻

[1] 劉堯升. 機場航站樓配電系統一體化設計方案[J]. 設備管理與維修，2024（5）：14-16.