一种非寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法技术方案

一种非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、工控机和后台服务器；本发明专利技术提供的非寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法具有如下优点：(1)实施方便。可在机场跑道中线灯灯壳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，便于施工和后去管理。(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。

A health monitoring system and control evaluation method for airport runway structure in non cold area

【技术实现步骤摘要】
一种非寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法
本专利技术属于机场工程
，特别是涉及一种非寒区机场跑道结构健康监测系统及控制评价方法。
技术介绍
我国幅员辽阔，南北纬度相差较大，因此有近一半的国土面积处于非寒区(热带、亚热带等)。这些区域最显著的特点是冬季地表以下不冻结，即地温长年处于零上，所以不存在冻胀融沉作用产生的工程破坏。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。其中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还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：虽然HWD测试范围相对较广，但按民航局要求每隔5年需测试一次，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在存活率低、有效寿命短、出现故障后难以维修等问题。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、结果可靠的非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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种非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，本专利技术提供的非寒区机场跑道结构健康监测系统包括包括多个加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块、电源、工控机和后台服务器；其中，每个跑道中线灯壳内部分别设置一个加速度传感器；加速度传感器和数据存储模块通过电源线和数据线与工控机相连接，工控机通过Wifi通信模块与后台服务器进行数据交换，其中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；电源用于为加速度传感器、Wifi通信模块、数据存储模块和工控机供电。所述的加速度传感器采用竖向加速度传感器。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AMD80188-40，设置于机场跑道外侧土面区。本专利技术提供的非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)判断组件是否工作正常的S2阶段：在此阶段中，工控机检测加速度传感器、Wifi通信模块和数据存储模块是否通信正常，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，然后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上传的数据是否正常，如果判断结果为“否”，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，后台服务器通过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S4阶段。本专利技术提供的非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)根据采集的加速度和航班信息确定跑道振动的实测主频和飞机起降质量的S13阶段：在此阶段中，后台服务器6根据加速度传感器上传的加速度数据进行能力量谱密度分析，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的航班起降信息进行匹配，获得飞机起降质量，然后进入S14阶段；4)根据同一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道面板的实测刚度系数的S14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：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：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：最后将步骤3)获得的同一机型飞机作用下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；5)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S15阶段：在此阶段中，根据两种不同机型飞机的跑道振动的实测主频ωat、飞机起降质量和飞机理论质量的质量差Δma及道面板的实测柔度系数δ11，求解以水稳层的实测柔度系数δ22和实测土基层的柔度系数δ33为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非寒区机场跑道结构健康监测系统，其特征在于：所述的非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(2)、数据存储模块(3)、电源(4)、工控机(5)和后台服务器(6)；其中，每个跑道中线灯壳内部分别设置一个加速度传感器(1)；加速度传感器(1)和数据存储模块(3)通过电源线和数据线与工控机(5)相连接，工控机(5)通过Wifi通信模块(2)与后台服务器(6)进行数据交换，其中后台服务器(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(7)、航班进出港信息抓取模块(8)和跑道结构健康状况评价模块(9)；电源(4)用于为加速度传感器(1)、Wifi通信模块(2)、数据存储模块(3)和工控机(5)供电。/n

【技术特征摘要】
1.一种非寒区机场跑道结构健康监测系统，其特征在于：所述的非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(2)、数据存储模块(3)、电源(4)、工控机(5)和后台服务器(6)；其中，每个跑道中线灯壳内部分别设置一个加速度传感器(1)；加速度传感器(1)和数据存储模块(3)通过电源线和数据线与工控机(5)相连接，工控机(5)通过Wifi通信模块(2)与后台服务器(6)进行数据交换，其中后台服务器(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(7)、航班进出港信息抓取模块(8)和跑道结构健康状况评价模块(9)；电源(4)用于为加速度传感器(1)、Wifi通信模块(2)、数据存储模块(3)和工控机(5)供电。


2.根据权利要求1所述的非寒区机场跑道结构健康监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器(1)采用竖向加速度传感器。


3.根据权利要求1所述的非寒区机场跑道结构健康监测系统，其特征在于：所述的工控机(5)包括单片机、振动采集及控制模块和CPU，其中单片机用于采集温度，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AMD80188-40，设置于机场跑道外侧土面区。


4.一种如权利要求1所述的非寒区机场跑道结构健康监测系统的控制方法，其特征在于：所述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)判断组件是否工作正常的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(2)和数据存储模块(3)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，然后将上述数据上传给工控机(5)并缓存于数据存储模块(3)中，再通过Wifi通信模块(2)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)上传的数据是否正常，如果判断结果为“否”，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)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(8)通过航信系统抓取航班起降信息，包括时间、飞机机型和起降质量，并与加速度传感器(1)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)通过跑道结构健康状况评价模块(9)分析数据库内记录的数据，反演道面板、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(9)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；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国光，武志玮，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12