葉青

（1 廈門翔業(yè)集團(tuán)有限公司，福建廈門 361024； 2 福建兆翔機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司，福建廈門 361024）

0 引言

新中國(guó)成立以來，尤其是改革開放以來，我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸業(yè)務(wù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，機(jī)場(chǎng)數(shù)量持續(xù)增加、密度持續(xù)加大、規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，運(yùn)行保障能力實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 但與世界民航強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)在安全管理、保障能力、運(yùn)行效率、服務(wù)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(jī)場(chǎng)范圍涵蓋航站樓、飛行區(qū)跑道、軌道交通、航空工程等復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)物，對(duì)其形成覆蓋前期規(guī)劃、工程建設(shè)期及后續(xù)運(yùn)營(yíng)期的全生命周期的安全監(jiān)測(cè)，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(jī)場(chǎng)，已成為中國(guó)機(jī)場(chǎng)未來發(fā)展的方向。

目前單純依靠加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和擠壓已飽和運(yùn)行資源的發(fā)展模式已難以適應(yīng)機(jī)場(chǎng)發(fā)展的需要[1]。 當(dāng)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(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用正迅速發(fā)展，給未來機(jī)場(chǎng)智慧發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 目前國(guó)內(nèi)許多機(jī)場(chǎng)已在跑道監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)物健康監(jiān)測(cè)、旅客定位、數(shù)字孿生等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景上進(jìn)行了有益的探索[2-6]，這為推進(jìn)機(jī)場(chǎng)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(xiàng)目概況

廈門新機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)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(shè)用地，大小嶝造地工程主要分三期實(shí)施合計(jì)造地面積約18.81km2（圖1）。 新機(jī)場(chǎng)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(jí)為國(guó)際最高等級(jí)4F 級(jí)。新機(jī)場(chǎng)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(jī)坪、 配套酒店與航空工程等基礎(chǔ)設(shè)施，面對(duì)復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)物，在建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期將涉及各類結(jié)構(gòu)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，特別是新機(jī)場(chǎng)為典型的填海型機(jī)場(chǎng)，分布有大面積軟土淤泥層，如何監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)地面沉降，是機(jī)場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)期的一項(xiàng)難點(diǎn)。

圖1 廈門新機(jī)場(chǎng)造地平面（分三期開展）

目前傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，包括水準(zhǔn)測(cè)量等，雖然測(cè)量精度較高，但是存在實(shí)時(shí)性弱、點(diǎn)位少、受環(huán)境條件影響大以及耗費(fèi)人力等缺點(diǎn)，較難適應(yīng)機(jī)場(chǎng)全面性、實(shí)時(shí)性及運(yùn)營(yíng)通航條件下的監(jiān)測(cè)需求。另外，隨著監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)象內(nèi)在邏輯聯(lián)系會(huì)更復(fù)雜，而傳統(tǒng)第三方監(jiān)測(cè)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(yù)警及決策等的需求。 因此本文通過對(duì)各類結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合各階段機(jī)場(chǎng)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)需求， 搭建以時(shí)空遙感InSAR、GNSS 及傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)等多源傳感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 以行業(yè)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)為核心，結(jié)合云計(jì)算與大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的機(jī)場(chǎng)智慧安全監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)。 通過平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)范圍區(qū)域結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測(cè)與建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)分析、安全預(yù)警預(yù)測(cè)、事中科學(xué)應(yīng)急等功能，為機(jī)場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)全過程提供高效率、低成本、近實(shí)時(shí)的綜合管理數(shù)據(jù)支撐。

2 智慧安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)場(chǎng)智慧安全監(jiān)測(cè)的核心是以監(jiān)測(cè)信息為基礎(chǔ)， 面向結(jié)果，通過建立不同監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，與數(shù)據(jù)源分析方法相互印證，有效評(píng)判工程安全狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)問題并反饋、監(jiān)督，平臺(tái)構(gòu)架如圖2所示。 基于可視化集成環(huán)境將基礎(chǔ)服務(wù)模塊和業(yè)務(wù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，搭建可供監(jiān)測(cè)、科研、設(shè)計(jì)及建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理等各方信息共享、交流反饋、協(xié)同工作的業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)分析、安全預(yù)警預(yù)測(cè)、事中科學(xué)應(yīng)急等功能。

圖2 機(jī)場(chǎng)智慧安全平臺(tái)架構(gòu)

由于遙感InSAR 監(jiān)測(cè)與地表地物相關(guān)，因此可通過歷史數(shù)據(jù)的研究進(jìn)行InSAR 數(shù)據(jù)處理參數(shù)與模型的建立， 形成流程化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析處理。同時(shí)采用遙感InSAR 技術(shù)開展填海場(chǎng)地大范圍沉降監(jiān)測(cè)，可發(fā)揮其測(cè)點(diǎn)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(shì)。平臺(tái)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(dá)影像數(shù)據(jù)； 模塊軟件具備InSAR 預(yù)處理、DInSAR、MTIn-SAR 等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)（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(cè)可及時(shí)提供全面、 高密度的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，較低成本獲取海量沉降數(shù)據(jù)，可精細(xì)反映不同區(qū)域的沉降差異與場(chǎng)地變形，并將各類數(shù)據(jù)匯集于智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)，易于數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)與表達(dá)。 在監(jiān)測(cè)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(duì)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(chǎng)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(cè)期：2019.01—2021.12）

2.2 基于GNSS 形變監(jiān)測(cè)處理

GNSS 形變監(jiān)測(cè)處理服務(wù)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)性弱、耗費(fèi)大量人力物力等不足, 通過GNSS 高精度接收機(jī)全天候采集數(shù)據(jù)，利用通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心進(jìn)行高精度變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析，可為機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施提供實(shí)時(shí)形變數(shù)據(jù)支持（圖4）。 監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在各階段設(shè)置的15 個(gè)GNSS 定位解析點(diǎn)中，實(shí)時(shí)獲取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維變形量，GNSS 監(jiān)測(cè)結(jié)果和In-SAR 觀測(cè)結(jié)果具有較高的一致性，可為后續(xù)機(jī)場(chǎng)建設(shè)提供應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)保障。

圖4 GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化展示界面

2.3 預(yù)警、預(yù)測(cè)及信息發(fā)布與管理服務(wù)

預(yù)警、預(yù)測(cè)及信息發(fā)布與管理服務(wù)是平臺(tái)服務(wù)的重點(diǎn)，模塊能夠提高各類監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)的效率。 管理人員通過平臺(tái)建設(shè)匯集過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過不同預(yù)警閾值的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)物預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)流程的處置，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)手段的分級(jí)預(yù)警與對(duì)比分析（圖5）。

圖5 監(jiān)測(cè)預(yù)警與發(fā)布模塊管理界面

3 平臺(tái)應(yīng)用與管理效益

在廈門新機(jī)場(chǎng)地基沉降研究中，沉降值與沉降速率是重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果為建設(shè)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(diǎn)位誤差分析。如圖6 所示，不同監(jiān)測(cè)方式所得到的沉降值基本吻合，個(gè)別點(diǎn)位的誤差主要來源于監(jiān)測(cè)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(duì)比可較好地應(yīng)用于填海場(chǎng)地沉降研究，為后續(xù)場(chǎng)地工后沉降提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 多源數(shù)據(jù)時(shí)序曲線

通過平臺(tái)開展重點(diǎn)區(qū)域累計(jì)沉降剖面線分析，如對(duì)北1 跑道分析可見，場(chǎng)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(shí)序曲線

針對(duì)新機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)地基處理優(yōu)化需求，平臺(tái)提取關(guān)鍵區(qū)域的沉降數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總分析，如表1 所示。 相關(guān)分析結(jié)果可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位空間分布偏少的不足，為設(shè)計(jì)單位開展飛行區(qū)地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

表1 區(qū)域累計(jì)沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)匯集各類結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可有效提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的利用效率，提高預(yù)警、預(yù)測(cè)的及時(shí)性、可靠性。 同時(shí)平臺(tái)的應(yīng)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(wù)于基礎(chǔ)設(shè)施各階段的安全狀況評(píng)估，做到及時(shí)、真實(shí)的全過程監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

4 結(jié)語

填海型機(jī)場(chǎng)智慧安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)充分結(jié)合了工程安全監(jiān)測(cè)管理的實(shí)際需求，融合InSAR、GNSS 等多源傳感器，實(shí)現(xiàn)了以InSAR 開展全域普查形變監(jiān)測(cè)，及時(shí)探測(cè)異常部位，動(dòng)態(tài)監(jiān)視安全隱患；以GNSS 等多源傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)重要設(shè)施和隱患的連續(xù)不間斷在線監(jiān)測(cè)，對(duì)重點(diǎn)防控對(duì)象的在線應(yīng)急監(jiān)控。 平臺(tái)內(nèi)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shè)管理部門可隨時(shí)隨地了解各地結(jié)構(gòu)物安全狀況，輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理；同時(shí)可通過平臺(tái)有效實(shí)施預(yù)報(bào)警，減少機(jī)場(chǎng)建設(shè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)損失。 平臺(tái)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)為實(shí)現(xiàn)廈門新機(jī)場(chǎng)全生命周期管理及“四型機(jī)場(chǎng)”的建設(shè)目標(biāo)提供了良好的應(yīng)用載體。