填海型機場智慧安全監(jiān)測平臺建設與管理實踐

葉青

（1 廈門翔業(yè)集團有限公司，福建廈門 361024； 2 福建兆翔機場建設有限公司，福建廈門 361024）

0 引言

新中國成立以來，尤其是改革開放以來，我國民用機場運輸業(yè)務量持續(xù)快速增長，機場數(shù)量持續(xù)增加、密度持續(xù)加大、規(guī)模持續(xù)擴大，運行保障能力實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 但與世界民航強國相比，我國在安全管理、保障能力、運行效率、服務品質(zhì)和管理水平等方面仍有一定差距，資源環(huán)境約束增大、發(fā)展不平衡不充分等問題愈加凸顯。 由于機場范圍涵蓋航站樓、飛行區(qū)跑道、軌道交通、航空工程等復雜基礎設施結(jié)構(gòu)物，對其形成覆蓋前期規(guī)劃、工程建設期及后續(xù)運營期的全生命周期的安全監(jiān)測，逐漸引起有關(guān)部門的高度重視。 以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的四型機場，已成為中國機場未來發(fā)展的方向。

目前單純依靠加強基礎設施建設和擠壓已飽和運行資源的發(fā)展模式已難以適應機場發(fā)展的需要[1]。 當前，空間遙感、北斗、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)在工程建設領域中的應用正迅速發(fā)展，給未來機場智慧發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。 目前國內(nèi)許多機場已在跑道監(jiān)測、結(jié)構(gòu)物健康監(jiān)測、旅客定位、數(shù)字孿生等多個應用場景上進行了有益的探索[2-6]，這為推進機場向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型，優(yōu)化管理資源配置作出了新的嘗試。

1 項目概況

廈門新機場選址廈門島以東，翔安區(qū)大嶝島東南海域，距廈門市中心直線距離25km，地處閩南的中心地帶。 新機場主要依托大嶝島，利用大、小嶝島之間的海域采用填海造地方式提供建設用地，大小嶝造地工程主要分三期實施合計造地面積約18.81km2（圖1）。 新機場擬新建航站樓面積超55 萬m2，可滿足旅客年吞吐量4500 萬人次，飛行區(qū)等級為國際最高等級4F 級。新機場包含大量主體航站樓結(jié)構(gòu)，飛行區(qū)跑道、滑行道、軌道交通、停機坪、 配套酒店與航空工程等基礎設施，面對復雜多樣的結(jié)構(gòu)物，在建設期及運營期將涉及各類結(jié)構(gòu)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，特別是新機場為典型的填海型機場，分布有大面積軟土淤泥層，如何監(jiān)測、預測地面沉降，是機場建設與運營期的一項難點。

圖1 廈門新機場造地平面（分三期開展）

目前傳統(tǒng)監(jiān)測手段，包括水準測量等，雖然測量精度較高，但是存在實時性弱、點位少、受環(huán)境條件影響大以及耗費人力等缺點，較難適應機場全面性、實時性及運營通航條件下的監(jiān)測需求。另外，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)種類的逐漸增多、數(shù)據(jù)量的加大，數(shù)據(jù)所反映的監(jiān)測對象內(nèi)在邏輯聯(lián)系會更復雜，而傳統(tǒng)第三方監(jiān)測所提供的單一分析咨詢滿足不了未來各專業(yè)深度融合、數(shù)據(jù)挖掘、智能預警及決策等的需求。 因此本文通過對各類結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合各階段機場的建設與運營需求， 搭建以時空遙感InSAR、GNSS 及傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等多源傳感數(shù)據(jù)為基礎， 以行業(yè)專業(yè)經(jīng)驗為核心，結(jié)合云計算與大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的機場智慧安全監(jiān)測信息管理平臺。 通過平臺的運營實現(xiàn)機場范圍區(qū)域結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測與建設運營管理的數(shù)據(jù)存儲與統(tǒng)計分析、安全預警預測、事中科學應急等功能，為機場建設與運營全過程提供高效率、低成本、近實時的綜合管理數(shù)據(jù)支撐。

2 智慧安全監(jiān)測平臺關(guān)鍵技術(shù)設計與實現(xiàn)

2.1 平臺架構(gòu)設計

機場智慧安全監(jiān)測的核心是以監(jiān)測信息為基礎， 面向結(jié)果，通過建立不同監(jiān)測技術(shù)手段，與數(shù)據(jù)源分析方法相互印證，有效評判工程安全狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)問題并反饋、監(jiān)督，平臺構(gòu)架如圖2所示。 基于可視化集成環(huán)境將基礎服務模塊和業(yè)務系統(tǒng)驅(qū)動相結(jié)合，搭建可供監(jiān)測、科研、設計及建設運營管理等各方信息共享、交流反饋、協(xié)同工作的業(yè)務管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與統(tǒng)計分析、安全預警預測、事中科學應急等功能。

圖2 機場智慧安全平臺架構(gòu)

由于遙感InSAR 監(jiān)測與地表地物相關(guān)，因此可通過歷史數(shù)據(jù)的研究進行InSAR 數(shù)據(jù)處理參數(shù)與模型的建立， 形成流程化、標準化的數(shù)據(jù)自動化分析處理。同時采用遙感InSAR 技術(shù)開展填海場地大范圍沉降監(jiān)測，可發(fā)揮其測點密度高、空間分布廣（分辨率3.0m）、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢。平臺內(nèi)置InSAR 數(shù)據(jù)解算模塊可支持TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Radarsat-2、ALOS-2 等主流雷達影像數(shù)據(jù)； 模塊軟件具備InSAR 預處理、DInSAR、MTIn-SAR 等功能模塊，可實現(xiàn)對不同衛(wèi)星SAR 影像的快速、高精度處理等功能。

采用高分辨TerraSAR-X 衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展3 年（2019—2021年）的遙感沉降監(jiān)測（圖3），研究表明：采用遙感InSAR 技術(shù)開展區(qū)域大范圍沉降監(jiān)測可及時提供全面、 高密度的沉降監(jiān)測結(jié)果，較低成本獲取海量沉降數(shù)據(jù)，可精細反映不同區(qū)域的沉降差異與場地變形，并將各類數(shù)據(jù)匯集于智慧監(jiān)測平臺，易于數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)與表達。 在監(jiān)測期間內(nèi)，一期填海區(qū)整體較為穩(wěn)定，二期填海區(qū)大部分區(qū)域沉降量相對較小，但在軟土厚度大于10m 的局部區(qū)域存在較為明顯的沉降，場地沉降量與淤泥厚度之間具有較高的正相關(guān)性。

圖3 遙感InSAR可視化界面（監(jiān)測期：2019.01—2021.12）

2.2 基于GNSS 形變監(jiān)測處理

GNSS 形變監(jiān)測處理服務能夠彌補傳統(tǒng)監(jiān)測手段實時性弱、耗費大量人力物力等不足, 通過GNSS 高精度接收機全天候采集數(shù)據(jù)，利用通信模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸至控制中心進行高精度變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、分析，可為機場關(guān)鍵基礎設施提供實時形變數(shù)據(jù)支持（圖4）。 監(jiān)測結(jié)果表明：在各階段設置的15 個GNSS 定位解析點中，實時獲取了監(jiān)測點的三維變形量，GNSS 監(jiān)測結(jié)果和In-SAR 觀測結(jié)果具有較高的一致性，可為后續(xù)機場建設提供應急監(jiān)測技術(shù)服務保障。

圖4 GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示界面

2.3 預警、預測及信息發(fā)布與管理服務

預警、預測及信息發(fā)布與管理服務是平臺服務的重點，模塊能夠提高各類監(jiān)測預警與應急響應的效率。 管理人員通過平臺建設匯集過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過不同預警閾值的設置，可實現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)物預警與應急響應流程的處置，實現(xiàn)各類監(jiān)測手段的分級預警與對比分析（圖5）。

圖5 監(jiān)測預警與發(fā)布模塊管理界面

3 平臺應用與管理效益

在廈門新機場地基沉降研究中，沉降值與沉降速率是重點關(guān)注指標，監(jiān)測平臺運營多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果為建設與科研單位提供了關(guān)鍵區(qū)域InSAR 變形序列數(shù)據(jù)及相關(guān)點位誤差分析。如圖6 所示，不同監(jiān)測方式所得到的沉降值基本吻合，個別點位的誤差主要來源于監(jiān)測手段、精度、人工以及環(huán)境等因素的影響。 多源傳感數(shù)據(jù)的對比可較好地應用于填海場地沉降研究，為后續(xù)場地工后沉降提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 多源數(shù)據(jù)時序曲線

通過平臺開展重點區(qū)域累計沉降剖面線分析，如對北1 跑道分析可見，場地局部區(qū)域存在一定的差異沉降，而且表現(xiàn)為軟土厚度越大，差異沉降越明顯，如圖7 所示。

圖7 北1跑道剖面分析時序曲線

針對新機場飛行區(qū)地基處理優(yōu)化需求，平臺提取關(guān)鍵區(qū)域的沉降數(shù)據(jù)，并進行匯總分析，如表1 所示。 相關(guān)分析結(jié)果可有效彌補傳統(tǒng)沉降監(jiān)測點位空間分布偏少的不足，為設計單位開展飛行區(qū)地基處理優(yōu)化設計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

表1 區(qū)域累計沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過平臺建設與運營匯集各類結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，可有效提高監(jiān)測結(jié)果的利用效率，提高預警、預測的及時性、可靠性。 同時平臺的應用有利于形成結(jié)構(gòu)全過程安全數(shù)據(jù)庫與資產(chǎn)，使數(shù)據(jù)有效服務于基礎設施各階段的安全狀況評估，做到及時、真實的全過程監(jiān)測與預警。

4 結(jié)語

填海型機場智慧安全監(jiān)測平臺的建設充分結(jié)合了工程安全監(jiān)測管理的實際需求，融合InSAR、GNSS 等多源傳感器，實現(xiàn)了以InSAR 開展全域普查形變監(jiān)測，及時探測異常部位，動態(tài)監(jiān)視安全隱患；以GNSS 等多源傳感實現(xiàn)了對重要設施和隱患的連續(xù)不間斷在線監(jiān)測，對重點防控對象的在線應急監(jiān)控。 平臺內(nèi)海量數(shù)據(jù)存儲與分析， 可以提供較為充分的數(shù)據(jù)與多樣性分析結(jié)果，建設管理部門可隨時隨地了解各地結(jié)構(gòu)物安全狀況，輕松實現(xiàn)遠程管理；同時可通過平臺有效實施預報警，減少機場建設過程中的安全風險與經(jīng)濟損失。 平臺的建設與運營為實現(xiàn)廈門新機場全生命周期管理及“四型機場”的建設目標提供了良好的應用載體。