CN111272876B - 一种寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法 - Google Patents

一种寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法 Download PDF

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Abstract

一种寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法。系统包括多个加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块、电源、工控机、后台服务器和串状温度监测探头。本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法具有如下优点：(1)实施方便。可在机场跑道中线灯灯壳的内部直接放置加速度传感器，电源线和数据线从灯具电源线中走线，便于施工和后期管理。(2)计算便捷。利用机场跑道道面理论和实测加速度值结合飞机质量信息可以快速求解，大大提高运算速度。(3)安全度高。系统布置不对跑道结构造成任何破坏，利用飞机实际作用荷载机型安全评价，对跑道的实际安全性能展开即时评价。

Description

一种寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法
技术领域
本发明属于机场工程技术领域，特别是涉及一种寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法。
背景技术
我国幅员辽阔，南北纬度相差较大，有近一半面积的国土处于寒区(北温带、寒带等)。这些区域最显著的特点是冬季地表以下冻结，即地温在冬季处于零下，因此存在冻胀融沉作用产生的工程破坏问题。
机场跑道属于线性层状结构，包括道面板(混凝土材料或沥青混凝土材料)、水稳层和土基层。在直线长度约3-4公里的范围内，跑道需要保持一定标准的结构健康状况，主要包括结构性能和功能性能。结构性能主要指跑道的承载能力(PCN值)，即对飞机冲击荷载的支撑能力。评价跑道结构健康状况，目前主要通过重锤式弯沉仪(HWD)进行道面冲击加载试验，美国丹佛机场和上海浦东机场也在道面中埋设传感器监测飞机冲击作用下道面板的力学性能。
上述方法的问题在于：HWD测试范围相对较广但按民航局要求每隔5年测试一次，周期过长不利于机场采取合理的维护措施；在道面中预埋设传感器存活率低、有效寿命短、出现故障后难以维修。因此，需要开展进一步研究，提高跑道结构健康监测能力，实现机场管理的信息化。
为此，结合机场工程领域的科技发展，提出一种简单易行、结果可靠的寒区机场跑道结构健康监测系统和控制评价方法，对提高机场跑道安全管理能力，具有实际应用意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法，以提高机场跑道安全管理能力。
为了达到上述目的，本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统包括多个加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块、电源、工控机、后台服务器和串状温度监测探头；其中，每个跑道中线灯壳内部设置一个加速度传感器；串状温度监测探头设置于跑道道肩外草面区的土基中；加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头通过电源线和数据线与工控机相连接；后台服务器为设置于管理中心的计算机，内置有跑道结构健康状况预警模块、航班进出港信息抓取模块和跑道结构健康状况评价模块，通过Wifi通信模块与工控机进行数据交换；电源为加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头供电。
所述的加速度传感器采用竖向加速度传感器。
所述的串状温度监测探头的埋置深度为地下10米。
所述的工控机包括单片机、振动采集及控制模块和CPU；其中单片机用于温度采集，采用ATMEL生产的Mega16；振动采集及控制模块采用中国台湾泓格I-7188XA；CPU采用AMD 80188-40，设置在机场跑道外侧土面区。
本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
1)系统通电自检的S1阶段：在此阶段中，系统通电，工控机开始自检，然后进入S2阶段；
2)判断组件是否正常工作的S2阶段：在此阶段中，工控机检测加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头是否通信正常，同时检测与后台服务器的远程通信是否正常，如果判断结果为“是”，则进入S4阶段；否则进入S3阶段；
3)人工更换组件的S3阶段：在此阶段中，工作人员根据工控机的故障提示信息更换出现故障的组件或调整后台服务器的工作状态，然后返回S1阶段；
4)采集传感器上传数据的S4阶段：在此阶段中，在工控机的控制下，利用加速度传感器采集跑道的加速度数据，同时利用串状温度监测探头采集地下温度数据，然后分别将上述数据上传给工控机并缓存于数据存储模块中，再通过Wifi通信模块上传给后台服务器，然后进入S5阶段；
5)判断上传数据是否正常的S5阶段：在此阶段中，后台服务器分析加速度传感器和串状温度监测探头上传的数据是否正常，如果判断结果为“否”，则进入S3阶段；如果判断结果为“是”，则进入S6阶段；
6)记录采集数据并存储于后台服务器的S6阶段：在此阶段中，后台服务器将加速度传感器和串状温度监测探头上传的数据按规定格式存储于数据库中，然后进入S7阶段；
7)后台服务器对比航班进出港信息获得飞机机型及飞机起降质量的S7阶段：在此阶段中，后台服务器利用航班进出港信息抓取模块通过航信系统抓取航班起降信息，包括时间、飞机机型和飞机起降质量，并与加速度传感器和串状温度监测探头上传的数据进行匹配，按规定格式存储于数据库中，然后进入S8阶段；
8)反演跑道各结构层实测刚度系数的S8阶段：在此阶段中，后台服务器利用跑道结构健康状况评价模块分析数据库内记录的数据，反演跑道的道面板、水稳层和土基层这三个结构层的实测刚度系数，然后进入S9阶段；
9)判断跑道健康状况是否正常的S9阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块将上述各结构层的实测刚度系数与理论刚度系数进行比较，以此来判断跑道健康状况正常与否，如果判断结果为“否”，则进入S10阶段；如果判断结果为“是”，返回S4阶段；
10)后台服务器预警的S10阶段：在此阶段中，后台服务器利用跑道结构健康状况预警模块发出预警信息并保存报警日志，然后返回到S4阶段。
本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：
1)系统空闲的S11阶段：在此阶段中，系统等待用户指令，当用户通过后台服务器发出指令后进入S12阶段；
2)判断是否进行评价的S12阶段：在此阶段中，系统根据用户指令，判断是否进行机场跑道结构健康性能评价，如果评价结果为“是”，则进入S13阶段；否则返回S11阶段；
3)根据串状温度监测探头采集的数据确定跑道结构冻结深度的S13阶段：在此阶段中，后台服务器根据串状温度监测探头上传的地下温度数据计算出实际冻结深度，并将冻结深度范围内的土基厚度计入水稳层厚度，然后进入S14阶段；
4)根据采集的加速度和航班信息确定飞机起降质量与跑道振动的实测主频的S14阶段：在此阶段中，后台服务器根据加速度传感器上传的加速度数据进行能量谱密度分析，获得跑道振动的实测主频ωat，然后将其与航班进出港信息抓取模块抓取的航班起降信息进行匹配，获得飞机起降质量，然后进入S15阶段；
5)根据同一机型飞机作用下道面振动的实测主频和理论主频的差值计算道面板实测刚度系数的S15阶段：在此阶段中，利用式(1)计算同一机型飞机理论质量作用下飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的理论主频ωae：
Figure GDA0003914593540000051
其中，δ11、δ22和δ33分别为跑道的道面板、水稳层和土基层的柔度系数，其倒数分别为各结构层对应的刚度系数，ma1，ma2和ma3分别为第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量；由于同一机型飞机在不同起降质量时会引起飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的主频发生变化，因此上述跑道振动的实测主频ωat可通过式(2)表示：
Figure GDA0003914593540000052
其中，Δma为飞机起降质量和飞机理论质量的质量差：利用式(2)可推导出式(3)所示的道面板的实测柔度系数计算公式：
Figure GDA0003914593540000053
最后将步骤4)获得的跑道振动的实测主频ωat和本步骤获得的跑道振动的理论主频ωae代入式(3)而计算出道面板的实测柔度系数，，并利用柔度系数和刚度系数的倒数关系得到道面板的实测刚度系数，然后进入S16阶段；
6)根据两种不同机型飞机作用下跑道振动的实测主频和理论主频的差值计算水稳层和土基层实测刚度系数的S16阶段：在此阶段中，根据两种不同机型飞机的跑道振动的理论主频ωae、飞机起降质量ma和第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量ma1、ma2、ma3及道面板的实测柔度系数δ11，依据式(4)和式(5)求解可得到水稳层的实测柔度系数δ22和土基层的实测柔度系数δ33，再利用刚度系数和柔度系数的倒数关系得到水稳层和土基层的实测刚度系数，然后进入S17阶段；
Figure GDA0003914593540000061
Figure GDA0003914593540000062
7)判断跑道各结构层健康状况是否安全的S17阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块将上述获得的跑道各结构层的实测刚度系数和根据理论已知量或经验已知量获得的理论刚度系数进行比较，以判断跑道健康状况正常与否，如果实测刚度系数接近理论刚度系数，判断跑道健康状况是安全的，直接进入S19阶段；如果实测刚度系数小于理论刚度系数，判断跑道健康状况是危险的，而实测刚度系数超过理论刚度系数时表明寒区机场冬季存在冻结显现，进入S18阶段；
8)跑道安全预警的S18阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况预警模块发出预警信息并保存报警日志，然后进入S19阶段；
9)输出跑道健康状况分析报告的S19阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块生成跑道健康状况分析报告，并存储于后台服务器中，本次评价结束。
本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法具有如下优点：(1)实施方便。可在机场跑道中线灯灯壳的内部直接放置加速度传感器，电源线和数据线从灯具电源线中走线，便于施工和后期管理。(2)计算便捷。利用机场跑道道面理论和实测加速度值结合飞机质量信息可以快速求解，大大提高运算速度。(3)安全度高。系统布置不对跑道结构造成任何破坏，利用飞机实际作用荷载机型安全评价，对跑道的实际安全性能展开即时评价。
附图说明
图1为本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的工作示意图。
图2为本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法流程图。
图3为本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统包括多个加速度传感器1、Wifi通信模块、数据存储模块、电源、工控机5、后台服务器6和串状温度监测探头10；其中，每个跑道中线灯壳内部设置一个加速度传感器1；串状温度监测探头10设置于跑道道肩外草面区的土基中；加速度传感器1、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头10通过电源线和数据线与工控机5相连接；后台服务器6为设置于管理中心的计算机，内置有跑道结构健康状况预警模块、航班进出港信息抓取模块和跑道结构健康状况评价模块，通过Wifi通信模块与工控机5进行数据交换；电源为加速度传感器1、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头10供电。
所述的加速度传感器1采用竖向加速度传感器。
所述的串状温度监测探头10的埋置深度为地下10米。
所述的工控机5包括单片机、振动采集及控制模块和CPU；其中单片机用于温度采集，采用ATMEL生产的Mega16；振动采集及控制模块采用中国台湾泓格I-7188XA；CPU采用AMD 80188-40，设置在机场跑道外侧土面区。
现将本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的工作原理阐述如下：
在使用过程中，在工控机5的控制下，利用加速度传感器1采集跑道的加速度数据，同时利用串状温度监测探头10采集地下温度数据，然后分别将上述数据上传给工控机5并缓存于数据存储模块中，再通过Wifi通信模块上传给后台服务器6。后台服务器6利用其上设置的跑道结构健康状况预警模块、航班进出港信息抓取模块和跑道结构健康状况分析模块根据上述跑道的加速度数据并结合地下温度数据实时分析跑道健康状况并适时给出预警。
如图2所示，本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
1)系统通电自检的S1阶段：在此阶段中，系统通电，工控机5开始自检，然后进入S2阶段；
2)判断组件是否正常工作的S2阶段：在此阶段中，工控机5检测加速度传感器1、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头10是否通信正常，同时检测与后台服务器6的远程通信是否正常，如果判断结果为“是”，则进入S4阶段；否则进入S3阶段；
3)人工更换组件的S3阶段：在此阶段中，工作人员根据工控机5的故障提示信息更换出现故障的组件或调整后台服务器6的工作状态，然后返回S1阶段；
4)采集传感器上传数据的S4阶段：在此阶段中，在工控机5的控制下，利用加速度传感器1采集跑道的加速度数据，同时利用串状温度监测探头10采集地下温度数据，然后分别将上述数据上传给工控机5并缓存于数据存储模块中，再通过Wifi通信模块上传给后台服务器6，然后进入S5阶段；
5)判断上传数据是否正常的S5阶段：在此阶段中，后台服务器6分析加速度传感器1和串状温度监测探头10上传的数据是否正常，如果判断结果为“否”，则进入S3阶段；如果判断结果为“是”，则进入S6阶段；
6)记录采集数据并存储于后台服务器的S6阶段：在此阶段中，后台服务器6将加速度传感器1和串状温度监测探头10上传的数据按规定格式存储于数据库中，然后进入S7阶段；
7)后台服务器对比航班进出港信息获得飞机机型及飞机起降质量的S7阶段：在此阶段中，后台服务器6利用航班进出港信息抓取模块通过航信系统抓取航班起降信息，包括时间、飞机机型和飞机起降质量，并与加速度传感器1和串状温度监测探头10上传的数据进行匹配，按规定格式存储于数据库中，然后进入S8阶段；
8)反演跑道各结构层实测刚度系数的S8阶段：在此阶段中，后台服务器6利用跑道结构健康状况评价模块分析数据库内记录的数据，反演跑道的道面板、水稳层和土基层这三个结构层的实测刚度系数，然后进入S9阶段；
9)判断跑道健康状况是否正常的S9阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块将上述各结构层的实测刚度系数与理论刚度系数进行比较，以此来判断跑道健康状况正常与否，如果判断结果为“否”，则进入S10阶段；如果判断结果为“是”，返回S4阶段；
10)后台服务器预警的S10阶段：在此阶段中，后台服务器6利用跑道结构健康状况预警模块发出预警信息并保存报警日志，然后返回到S4阶段。
如图3所示，本发明提供的寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：
1)系统空闲的S11阶段：在此阶段中，系统等待用户指令，当用户通过后台服务器6发出指令后进入S12阶段；
2)判断是否进行评价的S12阶段：在此阶段中，系统根据用户指令，判断是否进行机场跑道结构健康性能评价，如果评价结果为“是”，则进入S13阶段；否则返回S11阶段；
3)根据串状温度监测探头采集的数据确定跑道结构冻结深度的S13阶段：在此阶段中，后台服务器6根据串状温度监测探头10上传的地下温度数据计算出实际冻结深度，并将冻结深度范围内的土基厚度计入水稳层厚度，然后进入S14阶段；
4)根据采集的加速度和航班信息确定飞机起降质量与跑道振动的实测主频的S14阶段：在此阶段中，后台服务器6根据加速度传感器1上传的加速度数据进行能量谱密度分析，获得跑道振动的实测主频ωat，然后将其与航班进出港信息抓取模块抓取的航班起降信息进行匹配，获得飞机起降质量，飞机起降质量包括飞机理论质量、乘员重量和行李重量，然后进入S15阶段；
5)根据同一机型飞机作用下道面振动的实测主频和理论主频的差值计算道面板实测刚度系数的S15阶段：在此阶段中，利用式(1)计算同一机型飞机理论质量作用下飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的理论主频ωae：
Figure GDA0003914593540000101
其中，δ11、δ22和δ33分别为跑道的道面板、水稳层和土基层的柔度系数，其倒数分别为各结构层对应的刚度系数，ma1，ma2和ma3分别为第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量；由于同一机型飞机在不同起降质量时会引起飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的主频发生变化，因此上述跑道振动的实测主频ωat可通过式(2)表示：
Figure GDA0003914593540000111
其中，Δma为飞机起降质量和飞机理论质量的质量差：利用式(2)可推导出式(3)所示的道面板的实测柔度系数计算公式：
Figure GDA0003914593540000112
最后将步骤4)获得的跑道振动的实测主频ωat和本步骤获得的跑道振动的理论主频ωae代入式(3)而计算出道面板的实测柔度系数，，并利用柔度系数和刚度系数的倒数关系得到道面板的实测刚度系数，然后进入S16阶段；
6)根据两种不同机型飞机作用下跑道振动的实测主频和理论主频的差值计算水稳层和土基层实测刚度系数的S16阶段：在此阶段中，根据两种不同机型飞机的跑道振动的理论主频ωae、飞机起降质量ma和第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量ma1、ma2、ma3及道面板的实测柔度系数δ11，依据式(4)和式(5)求解可得到水稳层的实测柔度系数δ22和土基层的实测柔度系数δ33，再利用刚度系数和柔度系数的倒数关系得到水稳层和土基层的实测刚度系数，然后进入S17阶段；
Figure GDA0003914593540000113
Figure GDA0003914593540000114
7)判断跑道各结构层健康状况是否安全的S17阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块将上述获得的跑道各结构层的实测刚度系数和根据理论已知量或经验已知量获得的理论刚度系数进行比较，以判断跑道健康状况正常与否，如果实测刚度系数接近理论刚度系数，判断跑道健康状况是安全的，直接进入S19阶段；如果实测刚度系数小于理论刚度系数，判断跑道健康状况是危险的，而实测刚度系数超过理论刚度系数时表明寒区机场冬季存在冻结显现，进入S18阶段；
8)跑道安全预警的S18阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况预警模块发出预警信息并保存报警日志，然后进入S19阶段；
9)输出跑道健康状况分析报告的S19阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块生成跑道健康状况分析报告，并存储于后台服务器6中，本次评价结束。

Claims (1)

1.一种寒区机场跑道结构健康监测系统的评价方法，所述的寒区机场跑道结构健康监测系统包括多个加速度传感器(1)、Wifi通信模块、数据存储模块、电源、工控机(5)、后台服务器(6)和串状温度监测探头(10)；其中，每个跑道中线灯壳内部设置一个加速度传感器(1)；串状温度监测探头(10)设置于跑道道肩外草面区的土基中；加速度传感器(1)、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头(10)通过电源线和数据线与工控机(5)相连接；后台服务器(6)为设置于管理中心的计算机，内置有跑道结构健康状况预警模块、航班进出港信息抓取模块和跑道结构健康状况评价模块，通过Wifi通信模块与工控机(5)进行数据交换；电源为加速度传感器(1)、Wifi通信模块、数据存储模块和串状温度监测探头(10)供电；
其特征在于：所述的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：
1)系统空闲的S11阶段：在此阶段中，系统等待用户指令，当用户通过后台服务器(6)发出指令后进入S12阶段；
2)判断是否进行评价的S12阶段：在此阶段中，系统根据用户指令，判断是否进行机场跑道结构健康性能评价，如果评价结果为“是”，则进入S13阶段；否则返回S11阶段；
3)根据串状温度监测探头采集的数据确定跑道结构冻结深度的S13阶段：在此阶段中，后台服务器(6)根据串状温度监测探头(10)上传的地下温度数据计算出实际冻结深度，并将冻结深度范围内的土基厚度计入水稳层厚度，然后进入S14阶段；
4)根据采集的加速度和航班信息确定飞机起降质量与跑道振动的实测主频的S14阶段：在此阶段中，后台服务器(6)根据加速度传感器(1)上传的加速度数据进行能量谱密度分析，获得跑道振动的实测主频ωat，然后将其与航班进出港信息抓取模块抓取的航班起降信息进行匹配，获得飞机起降质量，然后进入S15阶段；
5)根据同一机型飞机作用下道面振动的实测主频和理论主频的差值计算道面板实测刚度系数的S15阶段：在此阶段中，利用式(1)计算同一机型飞机理论质量作用下飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的理论主频ωae：
Figure FDA0003914593530000021
其中，δ11、δ22和δ33分别为跑道的道面板、水稳层和土基层的柔度系数，其倒数分别为各结构层对应的刚度系数，ma1，ma2和ma3分别为第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量；由于同一机型飞机在不同起降质量时会引起飞机-跑道耦合振动系统中跑道振动的主频发生变化，因此上述跑道振动的实测主频ωat可通过式(2)表示：
Figure FDA0003914593530000022
其中，Δma为飞机起降质量和飞机理论质量的质量差：利用式(2)可推导出式(3)所示的道面板的实测柔度系数计算公式：
Figure FDA0003914593530000023
最后将步骤4)获得的跑道振动的实测主频ωat和本步骤获得的跑道振动的理论主频ωae代入式(3)而计算出道面板的实测柔度系数，并利用柔度系数和刚度系数的倒数关系得到道面板的实测刚度系数，然后进入S16阶段；
6)根据两种不同机型飞机作用下跑道振动的实测主频和理论主频的差值计算水稳层和土基层实测刚度系数的S16阶段：在此阶段中，根据两种不同机型飞机的跑道振动的理论主频ωae、飞机起降质量ma和第a种机型飞机理论质量作用下跑道的道面板、水稳层和土基层理论参与振动的质量ma1、ma2、ma3及道面板的实测柔度系数δ11，依据式(4)和式(5)求解可得到水稳层的实测柔度系数δ22和土基层的实测柔度系数δ33，再利用刚度系数和柔度系数的倒数关系得到水稳层和土基层的实测刚度系数，然后进入S17阶段；
Figure FDA0003914593530000031
Figure FDA0003914593530000032
7)判断跑道各结构层健康状况是否安全的S17阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块将上述获得的跑道各结构层的实测刚度系数和根据理论已知量或经验已知量获得的理论刚度系数进行比较，以判断跑道健康状况正常与否，如果实测刚度系数接近理论刚度系数，判断跑道健康状况是安全的，直接进入S19阶段；如果实测刚度系数小于理论刚度系数，判断跑道健康状况是危险的，而实测刚度系数超过理论刚度系数时表明寒区机场冬季存在冻结显现，进入S18阶段；
8)跑道安全预警的S18阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况预警模块发出预警信息并保存报警日志，然后进入S19阶段；
9)输出跑道健康状况分析报告的S19阶段：在此阶段中，由跑道结构健康状况评价模块生成跑道健康状况分析报告，并存储于后台服务器(6)中，本次评价结束。
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