CN112906270B - 基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法及系统 - Google Patents

基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于数据驱动‑力学模型融合的道面结构性能分析方法及系统，该方法包括：建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型，以及建立全尺寸飞机虚拟样机的模型；采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据，将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，通过所述飞机虚拟样机模型在机场刚性道面力学模型中模拟对道面的作用，获得模拟道面结构的变化数据；根据模拟道面结构的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数，如道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值，则发出警报。本发明能够准确分析出机场道面的结构数据，并根据该结构数据研判出道面的安全状况。

Description

基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法及 系统
技术领域
本发明涉及机场道面结构性能分析，具体地指基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法及系统。
背景技术
机场跑道的刚性道面是全球机场的主要道面形式，占我国机场道面总面积的90％以上，并将长期占据主导地位。开展可靠和准确的结构性能评价是保障飞行区运行安全和道面长效耐久的基础，目前，现有技术中对机场道路公开了以下技术方案：
公布号为CN109975139A的中国发明专利申请公开了一种机场跑道路面结构的抗冲击韧性检测装置及检测方法，该技术方案通过抗冲击韧性检测装置模拟对机场跑道路面产生的冲击力，并利用重力势能公式算出不同重力下对机场跑道路面产生的冲击力，从而实现对机场跑道路面结构的抗冲击韧性检测，该检测方案只能检测道路在模拟的冲击力作用下，从宏观视觉的角度观察地面造成的凹痕深度和损坏程度，然而无法从微观的角度检测判断道路的内部物理结构的性能变化情况。
公布号为CN107341455A的中国发明专利申请公开了一种对夜间机场跑道路面上外来物的区域多特征的检测方法及检测装置，该专利申请通过移动车载携带FOD检测装置、激光器和CCD相机，实现对夜间机场跑道路面上外来物的快速检测，可以有效的解决夜间机场跑道上光线不足、光线变化、光强不均所带来的噪声干扰和机场跑道路面出现的“突鼓”、“裂缝”所引起CCD相机和红色激光线的震动干扰，但是该方案只能判断道路的路况，例如道路上的异物、障碍物等，而无法检测检测道路主体结构的物理结构和性能状态。
公布号为CN101982835A的中国发明专利申请公开了一种SAR图像机场道路边缘检测水平集方法，该方法解决了SAR图像中斑点噪声对图像边缘检测的影响，通过该方法只能通过图像检测机场道路的边缘状况，无法获得机场道路主体结构的物理结构和性能状态。
公布号为CN111985324A的中国发明专利申请公开了一种结合全卷积回归神经网络和条件随机场的道路检测办法，该方案通过采集行车记录仪视频，对采集的视频结合全卷积回归神经网络和条件随机场实现对道路的检测，该方案只能解决因极端光照条件而造成的孔洞及边缘不平滑的问题，从而提高道路检测精度，无法获得机场道路主体结构的物理结构和性能状态。
此外，国内外还存在一些道路的评价方法多基于力学模型或室内外试验，受到模型简化、理想假设、室内外试验样本数量有限等因素的制约，难以应对现场复杂的运行环境及荷载特征，从而影响道面结构性能评价的准确性和可靠性。
因此，如何准确检测、分析和判断道面主体内部的物理结构，为保障机场道面的安全提供更为精准的数据成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足而提供基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法及系统，通过本方法能够准确分析出机场道面的结构数据，并根据该结构数据研判出道面的安全状况。
实现本发明目的采用的技术方案是一种基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，该方法包括：
建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型，以及建立全尺寸飞机虚拟样机的模型；
采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据，将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，通过所述飞机虚拟样机模型在机场刚性道面力学模型中模拟对道面的作用，获得模拟道面结构的变化数据；
根据模拟道面结构的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数，如道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值，则发出警报。
在上述技术方案中，所述建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型包括：
建立黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型，设定地基材料弹性参数、阻尼参数、接缝传荷参数；
输入机场道面和飞机状态数据，对飞机动态荷载进行仿真分析；将测点位置荷载和环境特征值作为输入，各工况下的道面结构力学响应与结构力学监测值建立联系进行结构参数反演分析，获得高仿真数值模型。
进一步地，上述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法包括所述黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型的验证，验证包括：运用所述三维有限元仿真模型分别计算多种荷载状态下的道面结构响应，与现场感知信息进行对比分析，迭代计算使理论值与实测值的偏差平方和最小，优化模型参数、验证分析模型合理性。
在上述技术方案中，所述建立模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型包括：
利用CATIA软件建立飞机机身、起落架和机轮的三维几何模型，并将所述几何模型导入ADAMS/Aircraft；然后在ADAMS/Aircraft中定义机身气动力、构建质量、约束质量、约束及通信器，生成相应的模板文件并建立机身子系统、前起落架子系统、前起落架机轮子系统、主起落架子系统和主起落架机轮子系统，建立各子系统之间及与飞机试验台之间的通信器，完成虚拟样机全机模型的装配。
在上述技术方案中，所述采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据包括的力学响应、环境特征、荷载特征，采用数据分布假设判别方法，提出异常数据；采用鲁棒回归填补缺失与异常数据；采用卡尔曼滤波减小数据的波动性，提高感知数据的利用质量。
进一步地，上述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法还包括：
在机场道路上取若干段采集道面，每段道面位于飞机行驶轨迹的一侧设置光源，另一侧设置高清相机；飞机起飞和降落过程中，光源启动，同时高清相机拍摄道面的图像；
提取图像中超出亮度设定值区域设为参考区域，计算所述参考区域的尺寸，将所述参考区域的对比度m和饱和度n作为所述图像特征值；
根据道面结构的标准要求，获取达到安全阈值时的道面结构图像，以该图像为临界图像，并对应的提取临界图像的特征值，将所述临界图像的特征值作为特征值阈值；
将所述图像特征值与特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报；如果此时机场刚性道面力学模型已发出警报，则需对道面进行实地检测是否还符合安全要求。
此外，本发明还提供一种基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析系统，该系统包括：
机场刚性道面力学模型；
模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型；
数据采集模块，用于采集飞机起飞和降落过程中的作用力数据；
数据处理模块，用于将将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，模拟出将飞机虚拟样机对机场刚性道面力学模型中模拟道面的作用，获得模拟道面的变化数据；根据模拟道面的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数；
报警模块，用于在道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值时发出警报。
进一步地，上述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析系统还包括：
光源，设于机场道路上飞机行驶轨迹的一侧；
高清相机，设于飞机行驶轨迹的另一侧，用于飞机起飞和降落过程中，拍摄道面的图像；
图像处理与分析模块，用于提取图像的特征值，并将所述图像的特征值与特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报。
本发明具有以下优点：
1、通过基于感知信息的机场刚性道面力学模型和全尺寸飞机虚拟样机的模型模拟道面结构的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数，根据道面的空间力学响应和结构性能指标参数是否达到安全阈值，判断道面是否符合安全要求，该方法能够客观反应道面的物理结构，为道面的可靠性和结构分析提供准确的判断依据。
2、本发明方法还包括道面结构性能的辅助分析方法，该辅助分析方法通过拍摄飞机行驶过道面的图像，分析比较图像的特征值与特征值阈值，进一步确定道面的空间力学响应和结构性能是否达到安全要求的极限，提高了对道面结构分析的准确性。
3、本发明采用数据融合扩充用于映射模型训练与验证的样本数据库，提高感知信息和道面的性能的映射关系的合理性、对应的准确性、不同工况实用性和映射模型鲁棒性。
附图说明
图1为本发明基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法的流程图。
图2为本发明基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析辅助方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法包括：
S1、建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型，以及建立全尺寸飞机虚拟样机的模型。
S2、采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据，将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，通过所述飞机虚拟样机模型在机场刚性道面力学模型中模拟对道面的作用，获得模拟道面结构的变化数据。
S3、根据模拟道面结构的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数，如道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值，则发出警报。
作为本发明的一种优选实施方式，上述步骤S1中，本实施例建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型包括：
采用ABAQUS软件建立黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型，设定地基材料弹性参数、阻尼参数、接缝传荷参数；
通过设定飞机动态荷载仿真分析参数、输入机场道面和飞机状态数据，对飞机动态荷载进行仿真分析；将测点位置荷载和环境特征值作为输入，各工况下的道面结构力学响应与结构力学监测值建立联系进行结构参数反演分析，获得高仿真数值模型。
为了验证上述黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型，本实施例通过以下操作实现：运用三维有限元仿真模型分别计算多种荷载状态下的道面结构响应，与现场感知信息进行对比分析，通过下式(1)迭代计算使理论值与实测值的偏差平方和最小，优化模型参数、验证分析模型合理性。
Figure GDA0003315627160000061
上式中，Δε为应变实测值与理论值的偏差平方和，ai为应变权重，εi为测点i处的应变实测值，
Figure GDA0003315627160000062
为测点i处的理论应变值，n为应变测点数。
作为本发明的一种优选实施方式，上述步骤S1中，本实施例建立模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型包括：
利用CAD建模软件CATIA建立飞机机身、起落架和机轮的三维几何模型，并将所述几何模型导入ADAMS/Aircraft；然后在ADAMS/Aircraft中定义机身气动力、构建质量、约束质量、约束及通信器，生成相应的模板文件并建立机身子系统、前起落架子系统、前起落架机轮子系统、主起落架子系统和主起落架机轮子系统，最后引入刹车子系统，建立各子系统之间及与飞机试验台之间的通信器，完成虚拟样机全机模型的装配。
本实施例所用虚拟样机技术采用仿真计算替代传统力学分析和编程计算，不仅能够实现对飞机整机各种运行形态的仿真分析，还能够针对支柱缓冲器等重要构件进行精细化建模、装配和仿真，仿真的结构更加符合飞机实际结构和动力学特征。
本发明方法中感知信息(采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据所包括的力学响应、环境特征、荷载特征)和道面的性能(应力空间、结构参数)的映射关系合理、准确对应、不同工况实用性和映射模型鲁棒性，取决于道面信息样本数据库的数量和质量，因此本实施例采用数据融合扩充用于映射模型训练与验证的样本数据库，具体包括：
感知数据融合：由于荷载、环境和结构响应信息的采样频率、数据特征不同，需要对感知数据进行清洗与融合，本实施例采用数据分布假设判别方法，提出异常数据；采用鲁棒回归填补缺失与异常数据；采用卡尔曼滤波减小数据的波动性，提高感知数据的利用质量。
由于本发明基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法通过模拟处理数据实现对道面结构分析，与实际道面的结构存在偏差，为了进一步地提高对道面分析的准确性，本实施例道面分析方法还增加了辅助分析方法，如图2所示，该辅助分析方法包括：
S4、在机场道路上取若干段采集道面，每段道面位于飞机行驶轨迹的一侧设置光源，另一侧设置高清相机；飞机起飞和降落过程中，光源启动，同时高清相机拍摄道面的图像。
S5、提取图像中超出亮度设定值区域设为参考区域，计算所述参考区域的尺寸，将所述参考区域的对比度m和饱和度n作为所述图像特征值；
S6、根据道面结构的标准，获取达到安全阈值时的道面结构图像，例如可以在实验道路模拟飞机起飞和降落的过程，当实验道路的路面达到安全临界值时(即不符合安全要求时)，拍摄此时实验道路的图像，以该图像为临界图像，并对应的提取临界图像的特征值，该临界图像的特征值作为特征值阈值。
S7、将步骤S5中提取的图像特征值与S6中的特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报；如果此时机场刚性道面力学模型已发出警报，则需对道面进行实地检测是否还符合安全要求。
飞机在道面上行驶会对道面结构产生作用力f1，使得道面结构发生改变，所以采集的道面图像信息会随着飞机行驶的次数增加而发生改变，具体体现为：道面图像的亮度、对比度和饱和度发生改变，为了便于分析，本实施所用辅助分析方法提取图像中出现明显变化的区域作为分析对象，即取超出亮度设定值区域设为参考区域，然后以参考区域的尺寸(例如可以是面积s)、对比度m和饱和度n的变化作为分析对象。当图像处理系统对高清相机拍摄道面的实时图像的特征值分析是否达到特征值阈值，如达到，则认为道面的空间力学响应和结构性能达到安全要求的极限，发出警报。
本发明还提供一种基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析系统，该系统包括：
机场刚性道面力学模型；
模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型；
数据采集模块，用于采集飞机起飞和降落过程中的作用力数据；
数据处理模块，用于将将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，模拟出将飞机虚拟样机对机场刚性道面力学模型中模拟道面的作用，获得模拟道面的变化数据；根据模拟道面的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数；
报警模块，用于在道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值时发出警报。
为了实现上述道面分析的辅助分析方法，在上述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析系统的基础上还包括：
光源，设于机场道路上飞机行驶轨迹的一侧；
高清相机，设于飞机行驶轨迹的另一侧，用于飞机起飞和降落过程中，拍摄道面的图像；
图像处理与分析模块，用于提取图像的特征值，并将所述图像的特征值与特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报。

Claims (6)

1.一种基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，其特征在于，包括：
建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型，以及建立全尺寸飞机虚拟样机的模型；
采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据，将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，通过所述飞机虚拟样机模型在机场刚性道面力学模型中模拟对道面的作用，获得模拟道面结构的变化数据；
根据模拟道面结构的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数，如道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值，则发出警报；
在机场道路上取若干段采集道面，每段道面位于飞机行驶轨迹的一侧设置光源，另一侧设置高清相机；飞机起飞和降落过程中，光源启动，同时高清相机拍摄道面的图像；
提取图像中超出亮度设定值区域设为参考区域，计算所述参考区域的尺寸，将所述参考区域的对比度m和饱和度n作为所述图像特征值；
根据道面结构的标准要求，获取达到安全阈值时的道面结构图像，以该图像为临界图像，并对应地提取临界图像的特征值，将所述临界图像的特征值作为特征值阈值；
将所述图像特征值与特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报；如果此时机场刚性道面力学模型已发出警报，则需对道面进行实地检测是否还符合安全要求。
2.根据权利要求1所述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，其特征在于，所述建立基于感知信息的机场刚性道面力学模型包括：
建立黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型，设定地基材料弹性参数、阻尼参数、接缝传荷参数；
输入机场道面和飞机状态数据，对飞机动态荷载进行仿真分析；将测点位置荷载和环境特征值作为输入，各工况下的道面结构力学响应与结构力学监测值建立联系进行结构参数反演分析，获得高仿真数值模型。
3.根据权利要求2所述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，其特征在于所述黏弹性地基上足尺道面板三维有限元仿真模型通过以下方法验证：运用所述三维有限元仿真模型分别计算多种荷载状态下的道面结构响应，与现场感知信息进行对比分析，迭代计算使理论值与实测值的偏差平方和最小，优化模型参数、验证分析模型合理性。
4.根据权利要求1所述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，其特征在于，所述建立模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型包括：
利用CATIA软件建立飞机机身、起落架和机轮的三维几何模型，并将所述几何模型导入ADAMS/Aircraft；然后在ADAMS/Aircraft中定义机身气动力、构建质量、约束质量、约束及通信器，生成相应的模板文件并建立机身子系统、前起落架子系统、前起落架机轮子系统、主起落架子系统和主起落架机轮子系统，建立各子系统之间及与飞机试验台之间的通信器，完成虚拟样机全机模型的装配。
5.根据权利要求1所述基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析方法，其特征在于：所述采集飞机起飞和降落过程中的对道面的作用力数据包括的力学响应、环境特征、荷载特征，采用数据分布假设判别方法，提出异常数据；采用鲁棒回归填补缺失与异常数据；采用卡尔曼滤波减小数据的波动性，提高感知数据的利用质量。
6.一种基于数据驱动-力学模型融合的道面结构性能分析系统，其特征在于，包括：
机场刚性道面力学模型；
模拟全尺寸飞机虚拟样机的模型；
数据采集模块，用于采集飞机起飞和降落过程中的作用力数据；
数据处理模块，用于将所述作用力数据输入所述机场刚性道面力学模型，模拟出将飞机虚拟样机对机场刚性道面力学模型中模拟道面的作用，获得模拟道面的变化数据；根据模拟道面的变化数据，得到道面的空间力学响应和结构性能指标参数；
报警模块，用于在道面的空间力学响应和结构性能指标参数达到安全阈值时发出警报；
光源，设于机场道路上飞机行驶轨迹的一侧；
高清相机，设于飞机行驶轨迹的另一侧，用于飞机起飞和降落过程中，拍摄道面的图像；
图像处理与分析模块，用于提取图像的特征值，并将所述图像的特征值与特征值阈值进行比较，如达到或超出阈值，则道面的空间力学响应和结构性能达到极限，如果此时机场刚性道面力学模型未发出警报，则发出辅助分析的警报；所述图像的特征值通过以下方式确定：提取图像中超出亮度设定值区域设为参考区域，计算所述参考区域的尺寸，将所述参考区域的对比度m和饱和度n作为所述图像特征值；所述特征值阈值通过以下方式确定：根据道面结构的标准要求，获取达到安全阈值时的道面结构图像，以该图像为临界图像，并对应的提取临界图像的特征值，将所述临界图像的特征值作为特征值阈值。
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