CN108170912B - 一种机场跑道平整度评价的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种机场跑道平整度评价的方法。本发明提供一种机场跑道平整度评价的方法，包括如下步骤：1）获取机场跑到飞行器滑行轮迹的相对高程，所述飞行器滑行轮迹为飞行器前起落架、左后起落架、右后起落架的滑行轮迹；2）配置飞行器的动力学参数和滑行速度；3）仿真运行获取平整度评价指标ARRI的分布。本申请所提供的机场跑道平整度评价的方法，考虑了飞机相对于汽车的大尺寸特点，避免了传统方法只独立评价单条测线的平整度，而是衡量所有前后起落架轮迹下跑道不平整度状况所产生的耦合效果。

Description

一种机场跑道平整度评价的方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种机场跑道平整度评价的方法。
背景技术
近年来机场建设大力发展，航空运输在交通运输体系中的地位逾显重要，机场跑道平整度状态的检测与评价是确保航空业安全稳定发展的重要因素。现有《民用机场道面评价管理技术规范》(MH/T 5024-2009)中规定，通用机场的跑道平整度检测与评价的频率宜五年一次，但跑道的平整度评价方法主要沿用于公路路面，检测的仪器采用激光断面仪，评价指标仍采用基于四分之一车模型的IRI指标，相应的评价标准也主要沿用于高速公路。过度重视机场跑道与公路的共性，而没有充分考虑机场跑道独有的特性，使得目前对机场跑道的平整度评价缺乏科学合理性。
机场跑道的不平整，不仅会影响驾驶员的读数和乘客的舒适性，还会加速飞机起落架的疲劳破坏。因此，提出综合考虑乘客舒适性和飞机疲劳寿命的平整度评价方法，科学地量化机场道面的平整度以及合理的平整度评价标准已成为机场运营管理、道面维护等亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机场跑道平整度评价的方法，综合考虑乘客舒适性和飞机疲劳寿命，通过提出的评价指标和相应的评价标准，科学合理、高效可靠地量化机场跑道平整度状况，从而解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机场跑道平整度评价的方法，包括如下步骤：
1)获取机场跑到飞行器滑行轮迹的相对高程，所述飞行器滑行轮迹为飞行器前起落架、左后起落架、右后起落架的滑行轮迹；
2)配置飞行器的动力学参数和滑行速度；
3)仿真运行获取平整度评价指标ARRI的分布，ARRI的计算方法如下：
Figure BDA0001512200070000011
其中，
L为指标ARRI的输出间隔，单位为m；
zf为飞机前起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m；
zl为飞机左后起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m；
zr为飞机右后起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m。
本申请所提供的检测方法中，在获取机场跑道飞行器滑行轮迹的相对高程时，前起落架的滑行轮迹线可以为跑道的中线，两条后起落架的滑行轮迹线沿跑道中线对称，距跑道中线的横向距离均应为两个后起落架之间间距的一半。
在本发明一些实施方式中，根据平整度评价指标ARRI确定跑道平整度状态。例如，当ARRI越高，跑道的平整度越差，再例如，当ARRI越低，跑道的平整度越好，
在本发明一些实施方式中，所述步骤1)中，输入的轮迹的相对高程为轮迹线每间隔0.2-0.3m的纵断面的相对高程。
在本发明一些实施方式中，所述步骤2)中，飞行器的动力学参数为C类机型的动力学参数。C类机型的飞行器的动力学参数对于本领域技术人员来说应该是已知的，具有代表性的C类机型的飞行器可以是例如A320和B737飞机。
在本发明一些实施方式中，所述步骤2)中，飞行器的滑行速度v的计算方法如下：
Figure BDA0001512200070000021
其中，
v0为飞机的起飞离地速度，单位为m/s；
s为距跑道始端的距离，单位为m；
s0为跑道的长度，单位为m。
在本发明一些实施方式中，所述步骤3)中，采用MATLAB/Simulink建立飞行器动力学仿真模型，仿真运行得到代表飞机在不平整激励下的运动状态，进而获取机场跑道的平整度评价指标ARRI的分布。
在本发明一些实施方式中，所述步骤3)中，采用MATLAB/Simulink建立飞行器动力学仿真模型的具体方法为：确定飞机模型的不平整激励输入；分别建立并连接以各个加速度为核心的子系统；在系统中配置飞机模型的各个参数；根据飞机的滑行速度和飞机的前后轮距确定延迟(s)；根据飞机的滑行速度和不平整激励长度确定仿真时间；仿真模型运行后得到仿真结果。
在本发明一些实施方式中，所述步骤3)中，所建立的飞行器动力学仿真模型中，飞机轮胎滤波效应为刚性滚子滤波效应。
在本发明一些实施方式中，所述步骤3)中，所建立的飞行器动力学仿真模型中，动力学仿真为多自由度动力学仿真，所述多自由度动力学仿真包括前、左后、右后起落架非簧载质量的竖向运动，飞机簧载质量的俯仰运动、竖向运动和侧倾运动的6自由度动力学仿真。
在本发明一些实施方式中，将飞行器滑行轮迹的相对高程分为两个以上的区段，分别获取各区段的平整度评价指标ARRI的分布。
本申请所提供的机场跑道平整度评价的方法，考虑了飞机相对于汽车的大尺寸特点，避免了传统方法只独立评价单条测线的平整度，而是衡量所有前后起落架轮迹下跑道不平整度状况所产生的耦合效果。本申请中所使用的ARRI评价标准，科学合理，使用时高效方便，其中ARRI指标具有如下特点：1)与飞机上乘客的舒适性相关性高，相关系数R2＝0.85；2)与驾驶员对仪器读数的干扰程度相关性较高，相关系数R2＝0.94；3)与飞机起落架的疲劳寿命相关性较高，相关系数R2＝0.87。此外，所述检测方法可以直接获取按一定间隔分段的跑道平整度状况，进而识别特定的危险不平整跑道纵断面区域，方便对路面的分区管理和维护。
附图说明
图1显示为飞机的动力学仿真模型示意图。
图2显示为实施例1中的相对高程图示意图。
图3显示为实施例2中的相对高程图示意图。
图4显示为实施例2中的平整度的评价分级示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
某3000m的机场跑道由于受环境和荷载的作用，跑道纵断面在距离起飞端头2500m左右的位置处出现了长距离的微波起伏，经过测量，该微波起伏可用正弦函数近似地拟合，如图2所示；采用激光平整度仪测量横断面上的三条测线(飞行器的轮迹线)不平整激励都可以近似地用下式表示：
Figure BDA0001512200070000041
其中，x为跑道纵断面位于飞机轮迹前进方向的长度；y为纵断面的相对高程；振幅大小为0.1m，波长为40m。
若采用传统的IRI指标和规范的标准进行评价，发现跑道该处的平整度评价仍为“好”等级，这是因为IRI指标来自于四分之一车辆模型，对40m长波不敏感，导致得到的IRI值较小，评价过于乐观。
利用本发明的方法，ARRI评价该段跑道具体过程如下：
1)获取机场跑到飞行器滑行轮迹的相对高程；
2)配置飞行器的动力学参数和滑行速度，动力学参数如下表1，典型的参数取值为：
表1
Figure BDA0001512200070000042
滑行速度计算方法如下：
Figure BDA0001512200070000043
其中，v0＝260km/h；s＝2500m；s0＝3000m；
3)采用MATLAB/Simulink建立飞行器动力学仿真模型(在Simulink中建立仿真模型具体参见文章《刘诗福,凌建明,袁捷,杨文臣.基于竖向加速度响应的机场道面平整度评价及IRI标准反演[J].公路交通科技,2017,34(05):57-64.》)，包括飞机轮胎的滤波效应(“刚性滚子”滤波效应)、多自由度动力学仿真(前、左后、右后起落架非簧载质量的竖向运动，飞机簧载质量的俯仰运动、竖向运动和侧倾运动的6自由度动力学仿真，如图1所示)、飞机模型动力学参数的配置和滑行速度的输入。
4)仿真运行获取平整度评价指标ARRI的分布：
Figure BDA0001512200070000044
其中，L＝40m；zf、zl、zr由仿真模型输出后，得到最终的结果为18.6m/km。
ARRI评价该段跑道的平整度的结果为18.6m/km。实施例中所采用的ARRI评价标准如表2所示，与现有规范一样，评价标准仍采用“好”、“中”、“差”的评价分级，直观方便，评价分级对应的ARRI分布范围，综合考虑了人体舒适性和飞机起落架的疲劳寿命：
表2 ARRI的评价
Figure BDA0001512200070000051
所以，实施例1中评价所得的ARRI相应的评价标准为“差”，建议立即维修。
事实上，当仿真机型在该跑道断面上滑行时，乘客感受到的附加加速度最大值达到5.23m/s2，驾驶员处的附加加速度最大值为6.15m/s2，飞机主起落架的动载系数也达到了1.45，这表明跑道上该处的不平整较为严重地影响了飞机的滑行，应立即维修，与ARRI评价的结果一致。
实施例2
某国际机场的3000m跑道，通过车载传感器(竖向加速度传感器、测量离地面高度的激光传感器和测量行驶距离的传感器)测得三条测线(飞行器的轮迹线)的相对高程如图3。从相对高程测线图可看出，该条跑道的两端平整度稍差一些。
利用本发明的方法，ARRI评价该段跑道具体过程如下：
1)获取机场跑到飞行器滑行轮迹的相对高程；
2)配置飞行器的动力学参数和滑行速度，动力学参数如表1，滑行速度计算方法如下：
Figure BDA0001512200070000052
其中，v0＝260km/h；s＝0～3000m；s0＝3000m；
3)以上述的相对高程和滑行速度作为输入，配置C类飞机的动力学参数，详细的仿真建模参见文献《刘诗福,凌建明,袁捷,杨文臣.基于竖向加速度响应的机场道面平整度评价及IRI标准反演[J].公路交通科技,2017,34(05):57-64.》。
4)仿真运行获取平整度评价指标ARRI的分布：
Figure BDA0001512200070000053
以100m作为跑道平整度评价的间隔，则上述L＝100m，zf、zl、zr由仿真输出，该条跑道平整度的评价如图4。参照实施例1中所给出的评价标准，在起飞端头，虽然相对高程上直观判断平整度较差，但由于飞机的滑行速度较低，不平整的高程激励对飞机的影响较小，因此评价仍为“好”。然而在降落端，飞机的速度较大，跑道的不平整将导致滑行飞机产生较大的动荷载及乘客的附加加速度，评价结果为“中”，这也表明该处的跑道断面应该作为重点监测对象，可考虑维修。
同时，收集每一段飞机重心处的附加加速度最大值(通常可以反映乘客的舒适度)、驾驶员处的附加加速度最大值(通常参照驾驶舱的位置)、以及飞机主起落架的动载系数，通过30个数据样本，具体如表3所示：
表3
Figure BDA0001512200070000061
通过表3中的数据计算相关系数R2，计算后得到ARRI与重心处附加加速度最大值的相关系数R2＝0.85；ARRI与驾驶员处附加加速度的相关系数R2＝0.94；ARRI与飞机起落架的动载系数的相关系数R2＝0.87。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种机场跑道平整度评价的方法，包括如下步骤：
1)获取机场跑道飞行器滑行轮迹的相对高程，所述飞行器滑行轮迹为飞行器前起落架、左后起落架、右后起落架的滑行轮迹；
2)配置飞行器的动力学参数和滑行速度；
3)仿真运行获取平整度评价指标ARRI的分布，ARRI的计算方法如下：
Figure FDA0002834389970000011
其中，
L为指标ARRI的输出间隔，单位为m；
zf为飞机前起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m；
zl为飞机左后起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m；
zr为飞机右后起落架非簧载质量的竖向位移，单位为m。
2.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，根据平整度评价指标ARRI确定跑道平整度状态。
3.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，所述步骤1)中，输入的轮迹的相对高程为轮迹线每间隔0.2-0.3m的纵断面的相对高程。
4.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，所述步骤2)中，飞行器的动力学参数为C类机型的动力学参数。
5.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，所述步骤2)中，飞行器的滑行速度v的计算方法如下：
Figure FDA0002834389970000012
其中，
v0为飞机的起飞离地速度，单位为m/s；
s为距跑道始端的距离，单位为m；
s0为跑道的长度，单位为m。
6.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用MATLAB/Simulink建立飞行器动力学仿真模型，仿真运行得到代表飞机在不平整激励下的运动状态，进而获取机场跑道的平整度评价指标ARRI的分布。
7.如权利要求1所述的一种机场跑道平整度评价的方法，其特征在于，将飞行器滑行轮迹的相对高程分为两个以上的区段，分别获取各区段的平整度评价指标ARRI的分布。
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