机场规划设计课程作业

1、一、 问答题：1、简述航空运输系统的组成。航空运输系统包括：飞机系统、机场（空中港）系统、空中交通管理系统和飞行航线四个部分。这四个部分有机结合，分工协作，共同完成航空运输的各项业务活动。飞机是航空运输的主要运载工具。按运输类型的不同，民用飞机可分为航线飞机（运送旅客和货物的各种运输机，分客机和货机及客机改装成的客货混装的运输机）和通用航空飞机（用于除了进行运输运营的所有非军事用途的航空活动，比如工农业生产作业飞行、抢险救灾、教学训练等服务）。 机场（空中港）是提供飞机起飞、着陆、停驻、维护、补充给养及组织飞行保障活动的场所，也是旅客和货物的起点、终点或转折点。机场由飞行区、旅客航站区等组成。

2、空中交通管理系统是为了保证航空器飞行安全及提高空域和机场飞行区的利用效率而设置的各种助航设备和空中交通管制机构及规则。空中交通管制机构通常按区域、进近、塔台设置。空中交通管制机构及规则包括飞行层的配备，垂直间隔和水平间隔的控制等。管制方式分程序管制和雷达管制。2、简述机场系统的组成。机场，亦称飞机场、空港，较正式的名称是航空站。它是航空运输系统中运输网络的节点（航线交汇点），是地面交通转向空中交通（反之亦然）的接口，是航空运输系统对环境影响的接触点（空气、噪声、生态、水污染、土地等）。机场系统的主要组成部分有飞行区和旅客航站区，其他的一些设施还包括货运区、机务维修设施、供油设施、空中交通管制设

3、施、安全保卫设施、救援和消防设施、行政办公区、生活区、生产辅助设施、后勤保障设施、地面交通设施。1.飞行区分空中部分和地面部分。空中部分指机场的空域：包括进场和离场的航路；地面部分包括跑道，滑行道，停机坪和登机门，各种保障飞行安全的设施、无线电同行导航系统和目视助航系统，以及一些为维修和空中交通管制服务的设施和厂地，如机库，塔台，救援中心等。 2.旅客航站区旅客航站去是旅客、货物、邮件运输服务设施所在的区域。包括航站楼（联接地面交通、办理各种手续、联接飞行的设施、营运以及管理的场所），区内设施还包括客机坪、候机楼、停车场等。还配备有旅馆、银行、公交车站、进出港道路系统。 3、机场跑道设计与城市

4、、公路道路设计的异同。差别：跑道为满足飞机的顺利起降，基本都采用长距离的直线线路设计，而城市公路道路考虑到行车人员的驾驶体验与疲劳状况，多为曲线设计，尽量避免长距离直线道路的设计；跑道方位在设计的时候主要受风力负荷的影响；跑道构型：有5种主要跑道构型（单条跑道、两条平行跑道、两条不平行或者交叉跑道、多条平行跑道以及多条平行及不平行或交叉跑道），跑道构型的设计取决于：交通需求量。运输不很繁忙，且常年风向相对集中的机场，只需单条跑道，运输非常繁忙的机场，则需要两条或多条跑道。跑道道面应有合适的粗糙度(抗滑性)和良好的平整度。跑道道面只有同时满足强度、粗糙度和平整度三方面技术指标的要求，才能保障现代

5、飞机的起飞、降落时的安全、舒适，才能延长飞机和道面的使用寿命。共性：都受到周围地形、工程发展规划、可用面积大小以及周边相应基础设施状况的影响。存在高速公路机场建设的情况，将跑道与高速公路紧密联系在一起。以高速公路为基础,借用平直、宽阔的高速公路作为飞机起降跑道的“准机场”。,使地面公路交通的功能实现了立体化。高速公路技术标准与飞机跑道的技术要求接近,高速公路建设无需做大的、质的改动。高速公路飞机跑道只需在宽度、纵横坡度、路基高度、路面厚度（强度）等方面满足飞机起降的要求即可。4、跑道方位最主要受哪些条件影响？最佳方位如何确定？跑道方位主要受风力负荷（保证跑道使用率的重要因素）净空条件（保证飞机

6、安全和跑道正常使用的主要因素）的因素影响，同时还受到周围地形、机场发展规划、可用面积大小以及相邻机场状况的影响。跑道布置原则：在飞机着陆、滑行和起飞的过程中受到的干扰和延误最小；从航站区（门位）到跑道端部的滑行距离最小；提供充分适当的出口滑行道，使得着陆飞机占用跑道的时间最少，并沿尽可能短的路线到达门位；保证着陆飞机不与起飞飞机相互干扰；繁忙机场，应设置单向平行滑行道；滑行道路线尽可能避免穿过跑道最佳方位确定方法：风向分析风力负荷的要求：机场跑道应保证风力负荷不小于95%具体方法： 向机场或附近所在地（新建机场）气象站收集不少于5年的风向和风速资料（每天8次等时间间隔观测的16个方向的风速记录

7、）；同时对云层高不高于152m和能见度小于等于1.61km的坏天气予以注明； 将收集到的数据按不同方位和风速编成统计表，分为全部天气和坏天气两张，统计各不同方向和速度的风出现的频率； 根据统计表，绘制风力负荷计算图或者风徽图； 找出风力负荷最大的方向，即跑道的方向；5、跑道长度有哪些影响因素？对跑道长度起什么影响？影响跑道长度的因素大致可以从飞机、机场、大气这三个方面来讨论：（一）飞机机型： 发动机推力（油门） 飞机襟翼偏度 飞机起飞质量起飞爬升面上有障碍物：障碍物限制重（二）机场停止道及净空道跑道特性 （1）跑道纵坡 （2）跑道表面特性飞行区等级飞行区等级用两个部分组成的编码来表示，第一部分

8、是数字，表示飞机性能所相应的跑道性能和障碍物的限制。第二部分是字母，表示飞机的尺寸所要求的跑道和滑行道的宽度。对于跑道来说飞行区等级的第一个数字表示所需要的飞行场地长度，第二位的字母表示相应飞机的最大翼展和最大轮距宽度。（三）大气风 顺风起降，跑道长度增加，风速每增加9.26Km/h，长度增加7；逆风起降，跑道长度减少，风速每增加9.26Km/h，长度减小3；气温在气温较低时，发动机的推力随温度增加可保持基本不变；当气温增加到一定值时，发动机的推力随气温的增加而减小。在气温较高时，发动机的推力随气温增加而减小的比例很大。气温每升高1，长度需增加1。跑道长度计算气温：高温使航班延误起飞及减载起飞

9、所造成的总损失等于跑道长度减短获得的总受益。我国跑道长度计算气温：每年最热月的每天最高气温的平均值，近期多年均值。 气压 空气压力下降，所需跑道长度增大。跑道长度计算时，必需采用当地气象台的实测气压，即相当于计算气温的实测气压。6、叙述机场障碍物限制面的作用和组成。为了飞机的安全起降和机场的正常使用，根据机场使用的飞机特性和助航设备的性能，对机场及其附近一定范围规定了几种称为净空障碍物限制面的平面、斜面用以限制机场周围及其附近的建构筑物，对超过障碍物限制面的物体应进行处理，有些机场由于客观条件不易改变，某些物体如大山等突破了净空障碍物限制面控制要求，规划应如实反映出突破的情况，以使在飞行程序编

10、制时采取相应措施，确保飞行安全。 障碍物限制面由八个假想的无障碍限制面组成，分别是：锥形面、内水平面、内进近面、进近面、过渡面、内过渡面、复飞面和起飞爬升面。 规定和公布机场障碍物限制面，限制机场及其周围地区物体的高度，对保证飞机起飞降落的安全，有效利用机场，提高总体效益具有重要意义。 原则上，尽量不对障碍物进行削减，能通过设计起飞一发失效应急程序避开障碍物的，最好不进行处理，确实不能避开的，要通过仔细的性能分析后确定是否需要削减。7、简述飞行区容量的影响因素及增容办法。机场系统各项设施在一定时段内（通常1h，或1年或1天）通过不同运输对象（飞机、旅客、货物等）的最大能力，称为容量或极限容量。

11、影响因素：空中交通管制：相关管制原则的限制，如跑道上不容许同时有两架飞机运行、着陆优先于起飞、同一飞行路径的两架飞机之间应有足够的水平间隔。跑道占用时间、飞机间隔距离/时间是影响跑道容量最主要的因素。机队组成：各类飞机的组成比例（大小飞机的运行次数）；总运行次数中着陆、着陆离地、起飞各占的比例。跑道布置及使用方案环境因素：机场最低天气标准云层和能见度指标；风、跑道表面状况、噪声减除要求 机场增容措施：（1）增加机场系统容量：建设新机场。（2）扩建现有机场设施：扩建现有机场设施是增加机场系统容量的另一重要措施，也是机场当局为适应航空需求的增长而普遍采用的一种方法。扩建现有机场设施包括了众多方面，

12、如扩建跑道系统、停机坪位、改进滑行道系统等飞行区的扩建以及为适应处理旅客设施的不足而扩建航站楼或新建另一航站楼等等。（3）航空需求科学管理 提供远程服务设施 发展超级枢纽机场 简化国际到达旅客手续 某些航空运行的调整 短距航空运输的其他方式化（4）高峰时间管理经济手段：高峰时间的价格措施；高峰时间使用权拍卖。 行政手段：高峰时间交通配额；航空交通流量控制；限制通用航空飞机的运行。（5）改进相关技术措施及提高运行效率包括改进飞机技术、航站楼设计、门位分配技术、航站处理系统技术。8、简述机场噪声的计量方法及降噪措施。噪声计量主要按以下几个指标计量：声压 ,声强I=P2C；声功率声压级 ；声强级 ；

13、声功率级 机场噪声防治方法：（1）控制噪声源：采用低噪声襟翼；低噪声起落架；采用吸声和减震隔音设施；动力消声器等；启用消音飞行程序和整体消音飞行程序 ；（2）控制跑道使用：交替使用各条跑道起降飞机，避免集中干扰一个地区；在起飞后和着陆前飞机进行转弯，避开居民密集区；（3）驾驶飞机采用必要措施：使用多级进近飞行，尽可能晚些降低飞行高度；起飞后快速爬升高度；飞机离地并爬升到240m以上；减油门，但至少保持一台关键发动机不工作的最小爬升梯度；按规定收襟翼或缝翼；高于机场地面900m后，增速到航路爬升速度，过渡到正常航路爬升程序； （4）使用隔音措施隔离机场飞机维修实验场；建筑物本身的隔音材料和隔音结

14、构设计；消音壁和树林；研究表明，声音穿越100m的树林，衰减2530dBA；9、结合课堂讲解内容，谈谈机场平面布局的方法。机场的平面布局：为实现地面交通和空中交通的转接，机场系统包括空域和陆域两部分。空域为航站区空域，供进出机场的飞机起飞和降落，包括等待空域、进近净空。陆域包括飞行区、航站区和进出机场的地面交通三部分。以下主要以跑道布局与航站楼布局加以讨论；跑道布局：跑道方位的确定主要依据风向的分析。要求机场跑道应保证风力负荷不小于95%跑道构型取决于：交通需求量。运输不很繁忙，且常年风向相对集中的机场，只需单条跑道，运输非常繁忙的机场，则需要两条或多条跑道。跑道长度设计：根据是否设置净空道，

15、停止道进行计算，跑道长度应该保证飞机在不利条件下安全起飞着陆。宽度要满足飞机起飞着陆对跑道中心线的横向偏移，横断面应满足排水要求，以及不危及飞行安全。滑行道设计：道面宽度满足最大主起落架外轮外侧的间距加2倍主起落架外轮外侧与滑行道道面边缘的净距。弯道曲线半径应同飞机的滑行速度相适应 。增补面的设计方法有： 模型模拟法、数学计算法 、图解法（圆弧曲线法），主要确定两个参数：圆弧半径r和切线的起终点。机坪设计：（1）保证站坪和跑道间的滑行距离较短（节省燃油、时间和维护）；（2）容许飞机活动自由以避免不必要的延误；（3）为将来的扩建和技术改变保留足够面积；（4）使站坪对周围环境的不良影响最

16、小（发动机吹袭、噪声、空气污染）航站楼航站楼的布置:对于单条跑道，如果在每个方向的起飞和着陆次数大致相等，航站区设在跑道中部位置； 对于两条平行跑道，如果一条用于着陆，一条用于起飞，则平行跑道宜错位布置；如果风向要求多个方向的跑道，将航站楼设置在V型跑道或交叉跑道的中间；航站区不宜放在两条跑道的外侧，一方面增加了滑行距离，另一方面影响另一条跑道的正常使用。 10、 结合课堂学习，谈谈你对机场规划的认识和疑惑。总体来说，机场规划有以下一些基本的要求：飞行区设施和净空应符合安全运行要求；航站区位置适中，并具备分期实施建设的方案；站坪机位与航站楼相协调，航空器地面运行顺畅；陆侧交通便捷、有序；空域规

17、划可行，飞行程序设计合理，目视助航、通信、导航、航管、雷达和气象设施配置适当；航空器维修、货运、供油等辅助生产设施及消防、救援、安全保卫设施布局合理，直接为航空器运行、客货服务的设施靠近飞行区或站坪；供水、供电、供气、供暖、制冷、排水、通信等公用设施与城市公用设施相衔接，各系统规模及路由能够满足机场发展需求；机场与城市间的交通连接顺畅、便捷；机场内供旅客、货运、航空器维修、供油等不同使用要求的道路设置合理，避免相互干扰；根据机场噪声影响预测，做好机场内及邻近地区的土地使用规划，保持机场与周边地区协调发展； 在满足机场运行和发展需要的前提下节约用地，尽可能少占耕地，减少拆迁；结合场地条件进行规划

18、布局，竖向设计结合地形，公用设施管线布置合理；注意建筑群的相对集中和群体效果。 机场规划最重要的部分应该是飞行区的设计，飞行区中就包括跑道，滑行道，机坪等。对于跑道的设计，可与我们的专业课公路设计进行对比。首先跑道有5中主要的构型，决定其构型的主要因素是交通量的多少，这与公路设计的车道数有些类似，只是跑道的设计会有平行及不平行的方式。其中还有需要注意的是跑道方位的设计，这里比公路设计就多出一道程序，就是风向分析。跑道长度应该保证飞机在不利条件下安全起飞着陆。宽度要满足飞机起飞着陆对跑道中心线的横向偏移，横断面应满足排水要求，以及不危及飞行安全。机场的滑行道设计也是十分重要，其涉及一些需要严格控

19、制的参数。同时，在道面材料方面，机场跑道设计与公路设计肯定也是有很大的区别，跑道的负荷要比车道大的多，所以其刚度和抗裂要求也会更高，其中也涉及到抗滑方面的要求。航站楼的设计更多的是要与乘客的需求以及容量分析相适应，所以在进行机场规划和设计时，首先要对机场未来的客运量、货邮运量等航空业务量做出预测，然后根据预测结果确定机场所需各项设施，它们的规模和等级、合理的建设分期，这比较适合与运筹规划的学科相结合考虑。课堂上还着重分析了航空业务量预测，机场容量分析延误分析，这也是机场规划很重要的一部分。根据航空业务量与影响它的各个主要因素之间相互关系，推测未来的航空业务量，将为规划员以及决策者提供在各种影响

20、因素的不同变化条件下预测量可能变动的范围，同时能够对影响因素进行排序。容量的分析对机场基础设施的建设有很大的影响，而延误问题，得不到处理，将会影响航空业务的正常进行，需要进行扩容。对于这门课程，我也有自己的一些疑问。对于当今高速铁路的迅速发展，势必对航空运输会造成不晓得冲击，航空似乎并不一定是最快的运输方式，而且在其便捷程度上，也无法与高速铁路相媲美，这样一来，航空运输应该怎样在逆境中就发展，迎合人们的需求？机场的发展与环境保护的矛盾是客观存在的，尤其是声污染越来越得到人们的重视，在查阅文献时也看到一些关于回收性道面的利用。就机场规划与环境保护问题如何做到提早防范而不是被动处理这一问题，应该怎

21、样改善？在一些中小城市的机场建设中面临着很多的问题，比如土地资源的紧张，资金问题，建设布局的不合理，往往与大型枢纽机场存在很大的差距，所以中小型机场建设的必然性值得考虑。机场与轨道交通的结合问题。二、 计算题：设计某机场飞行区近期的平面尺寸并绘出平面示意图。前提机场近期主要供B737300和B757200使用，但要保证IL86等较大的4D飞机也能偶尔使用。机场远期供B747400等4E飞机使用。题a试确定跑道长度及净空道长度。已知跑道长度按B757200飞机最远航程3000km、备降机场距目的地机场500km 的使用要求确定。飞机无燃油满载质量83.5t，平均燃油消耗0.0047t/km或4t

22、/h 。要求飞机在目的地机场不能着陆而飞至备降机场上空时还有飞行0.75h（45分 钟）的备份燃油。跑道平均纵坡i=0.005。机场最热月平均最高气温 =32.2=90F，最热月平均气压P=87543 。跑道端不设停止道，设净空道。解:求跑道的气压高度根据P=87543KN/m2，从国际的标准大气压表中可以查到：Hp=1219.2m=4000ft.求跑道长度计算用的飞机的最大起飞质量1. 根据最远航程确定最大起飞质量Mmax=83.5+3000*0.0047+500*0.0047+0.75*4=102.95t227000lb2. 第二阶段爬升梯度限制的最大起飞质量.取=5o，由图一种箭头所示计

23、算程序TpHpm，可得Mmax=232000lb Mmax227000lb取=15o，由图二中箭头所示计算程序TpHpm，可得Mmax=221000lb Mmax<227000lb由上可得，Mmax=232000lb，取5o.3.突发故障中断起飞刹车时允许的最大的表速VMBE由图中箭头所示的计算程序TpHpmiVwVMBE（其中飞行速度Vw=0）得到VMBE=180.1kn（海里/小时）4.轮胎速度限制的最大起飞质量.飞机轮胎速度限制为225 mile/h，风速为Vw=0.由四中箭头所示计算程序TfHpVwm，得到Mmax=271000lb.5.初步确定飞机的最大起飞质量Mmax取最小值

24、，得到Mmax=227000lb，以后检验是否满足V1180.1kn求跑道长度1. 全发起飞所需的跑道长度La.(1) 全发起飞所需的修正场地长度LaoLao是指正常起飞不考虑风与跑道纵坡等影响所需的飞行区场地长度.根据为5o，TF=90F，Hp=4000ft，Mmax=227000lb由图五中的箭头所示计算程序TfHpLaoMmax得到Lao=9550ft2911m.2. 起飞发生一故障所需修正场地长度Lbc（1） 起飞一发故障所需修正场地长度LbcoLbco是描述飞机出现一发故障不考虑风与跑道纵坡等影响所需的平衡场地长度取=5o，空调关，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=2270

25、00lb，由图七种箭头所示计算程序TfHpLbcoMmax得到Lbco=10200ft=3109m（2） 起飞一发故障所需跑道长度.1计算图分区，根据Tf=90o，Hp=4000ft，由图可查得应采用A区的计算图2修正继续起飞距离STO修正中断起飞距离SSO及决断速度V1，STO，SSO指不考虑风和跑道纵坡等影响的继续起飞和继续起飞距离根据A区，=5o，Lbco=10200ft，由图八中箭头所示的计算程序STOLbcoSSO及LbcoV1，初步得到STO，SSO及V1值.由于设置净空道不设置停止道，STO应该稍大于SSO，使下一步得出Lb=Lc，得到STO=10200ft，SSO=10000f

26、t，V1=0.982VR3继续起飞所需跑道的长度Lb.根据STO=10200ft，防水系统关，Vw=0，i=0.005，根据图六中箭头所示计算程序STOVwiLcLb，得到lc=650ft=200m，得到Lb=10200ft4中断起飞所需的跑道长度SSO=10000ft，Vw=0，i=0.005由图十一中箭头所示计算程序SSOVwiSS得到SS=10200ft，由于本机场没有停止道，所以Lc= SS=10200ft5初步确定起飞一发故障所需跑道长度Lbc及决断速度V1，由于Lb=Lc=10200ft，取Lbc=10200ft，V1=0.9826检查决断速度是否符合要求a决断速度是否小于抬起前轮

27、速度VR由于V1=0.982 VR，所以V1VR是符合要求的b决断速度是否小于刹车能量限制的最大速度VMBE=5o，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=22700由图十二所示计算程序TfHpMmaxVR得到VR=148knV1=0.982*VR=145.336kn<180.1kn因此，Mmax=227000lb未超过刹车能量限制的最大起飞质量C决断速度V1是否大于最小地面操纵速度VMCG根据Tf=90F，Hp=3000ft，Mmax=227000lb，由图十三箭头所示计算程序TfHpMmaxVMCG得到VMCG=92.5kn 因此V1>VMCG,符合要求7确定起飞一发故障所

28、需跑道长度Lbc由于决断速度V1符合要求，所以取Lbc=10200ft3. 确定跑道长度LLa=9550ft，Lbc=10200ft，取大值则有L=10200ft题b试确定跑道宽度和道肩宽度、防吹坪长度和宽度、升降带长度和宽度、跑道端安全地区的长度和宽度。(一) 机场远期供4E飞机使用，基准代码是4，基准代字取E,取跑道的宽度是45m，其两侧应该设置宽度是7.5m的道肩(二) 在跑道入口之前要设置防吹坪，其宽度与跑道相同，取为60m，其长度为30m，不妨设30m.(三) 升降带包括跑到=道和停止道，所以升降带长度为3100m.查阅书中的表3-7得到代码为4的跑道自跑道中线算起每侧不许有固定物体

29、的最小宽度为60m.又因为代码3or4的仪表跑道的升降带中平整范围是离跑道中线至少有75m，对于代码3or4的精密进近仪表跑道的升降带其平整范围更大一些。那么升降带可以设置为如下图所示:(四) 跑道端部安全地区的宽度应该与升降带的压实宽度相同，取为150m，跑到端部安全地区的长度取净空道长度200m.围栏高2.5m，其位置应该符合端净空要求，因此升降带应该小于125m（2.5/2%）本机场净空道长200m，围栏应该设置在距离跑道端200m处（距离升降带140m） 题c试确定站坪的平面尺寸及站坪边缘距平行滑行道边缘的净距。已知客运量450万人/年，机型B737-300占80%、B757200占2

30、0%、满座率均为75%。站坪停机位除根据起降架次确定外，还要增加2个B737300和1个B757 200的停机位。飞机前列式集结机头垂直向内停放。1. 高峰小时客运量区全年客运量的0.04% 4500000*0.004%=1800 人/小时2. 站坪需要的停机位数目汉族要根据高峰小时飞机起降架次确定.N=ni*ti/U确定参数值：飞机出发或者到达的架次占飞机起降总架次的0.65，机位利用系数U=0.6飞机占用机位时间t=0.75h下面计算飞机起降的平均架次，经过查阅资料得到：B737-300 中型飞机 140座B757-200 大型飞机 220座= 1800140*80%+220*20%*75

31、% =15.4架次N= 0.65*(15.4*0.75)0.6 =13根据题意，站坪停机位数量B737-300 12个 B757-200 4个3. 站坪长度查阅资料得到:B737-300 翼展28.08m，B757-200 翼展38.06m停放飞机距临近停放飞机7.5mL=28.28*12+38.06*4+7.5*15+7.5*2=619.9m 取为620m4. 站坪宽度1能停放伊尔-86（较大的4D飞机），机身长56.1m2停放飞机的机头与站坪边缘相平3机尾后面设置5m宽行车道4机坪滑行道宽度23m5机坪滑行道中线距离车道边缘40.5m5+40.5+56.1-11.5=90.1m90.1+2

32、3=113.1m 取为120m5.确定站坪边缘距离平行滑行道的距离，要保证将来B747-400等4E飞机使用要求进行扩建时，候机楼和平行滑行道的不需要拆迁，而战坪边缘距离平行滑行道的边缘的净距：72m题d试确定滑行道的布局、道面和道肩的宽度、转弯半径及弯道增补面尺寸。1. 由于B737-300与B757-200在本机场着陆距离相差不大，因此跑道每端只设一条快速出口滑行道，距跑道每端1850m2. 站坪长度较短，可只在站坪两端设置通往滑行道的联络值，可根据如下草图布置其中，滑行道中线与仪表跑道中线182.5m3. 滑行道道面宽度23m，道面道肩总宽度44m，滑行带总宽度95m，其中平整宽度4.

33、跑道端部出口滑行道的平面尺寸参阅下面的表格及图形供中型飞机使用的滑行道及弯道尺寸 单位：m入口和出口滑行道宽度WTi26.5 (WTa 11.5,WTb 15)弯道半径R141.5R241.5053125225用应力相关的神经网络模型评估机场道面恶化Kasthurirangan Gopalakrishnan*, Halil Ceylan and Alper Guclu爱荷华州立大学土木与环境工程学院，353城镇工程建设，Ames，IA50011-3232，美国（2006年6月1日收稿; 2007年2月23日最终版本收稿）摘要：在这项研究中，基于人工神经网络（ANN ）的方法被用来反演沥青混凝土

34、和非线性应力相关的路基模量，这种方法来自于在美国联邦航空管理局的全国机场道面试验设施（NAPTF）全面交通测试中获得的无损检测（NDT）数据。这种人工神经网络模型由轴对称有限元路面结构模型的结果进行培训。使用基于无损检测结果的人工神经网络预测模量，表征了模拟波音777（B777）和波音747（B747）飞机齿轮营运对NAPTF柔性路面试验段结构恶化的相对严重程度的影响。结果表明：只要机场路面结构为采集可靠的数据产生足够的挠度，使用力幅较小的无损检测数据用于常规的机场路面结构评价是可能的。关键词：人工神经网络;无损检测; NAPTF;非线性;机场柔性路面系统 28 / 281、介绍全国机场道面试

35、验设施（NAPTF）位于美国联邦航空管理局（FAA）的威廉·J·休斯技术中心，在美国新泽西州大西洋城国际机场附近。它以支持开发先进机械为基础的机场路面设计程序而修建，基于健全的理论原则和由相应的全面试验数据验证的模型。第一组试验路面，被称为建设周期1（CC-1），由宽为18.3米，共274.3米长的九个仪表测试路面（六组弹性和三个刚性）组成。这九个测试路面是建立在三种不同的路基材料上：低强度（指标为加州承载比，CBR， 4），中等强度（指标CBR为8）和高强度（指标CBR为20）。NAPTF为生成全面的测试数据而构建，特别是支持受到新一代飞机（NGA）复杂的齿轮载荷配置的机

36、场路面性能调查，例如波音777。在NAPTF第一组的交通量测试期间，在一条跑道模拟六轮架波音777（B777）起落架降落，并在另一条车道模拟四轮波音747（B747）起落架降落，并且同时营运，直到测试路面被视为破坏。无损检测（NDTS）同时使用落锤式弯沉仪（FWDs）和重型落锤式弯沉仪（HWDs）进行路面和路基施工的均匀性记录，以及监测全面营运对路面响应和性能随时间的影响。McQueen等人（2001）分析了在NAPTF取得的柔性路面无损检测数据，并通过无损检测的数据来评估力振幅下的无损检测响应和反算路基模量（使用弹性分层方案为基础的反算软件）。为测试无损检测响应是否与增加的力是非线性的关系，

37、在相同的位置评价4个负载（40kN，60kN，82kN和115kN）下的FWD数据以及在三个负载（53kN，107kN和160kN）下的HWD数据。我们发现，无论是脉冲刚度模量（ISM=负载板作用力的最大挠度比）还是反算的路基模量都与FWD和HWD的力振幅保持相对恒定。在丹佛国际机场（DIA）（Lee等，1998）进行的中心板仪表刚性路面HWD测试也得到了类似的结果。基于这些观察（线性负载响应行为），对柔性和刚性机场路面，McQueen等人（2001）提出，在原型飞机装卸时使用无损检测力振幅来评估机场路面可能不是必要的。有人还建议，机场路面能通过更轻的负载设备达到令人满意的评价，如FWD，提供

38、了可靠的传感器记录中获得的足够的响应。因此，在NAPTF和DIA感性上的研究结果的基础上，只要所产生的挠度都在挠度传感器的范围之内，脉冲负载的振幅似乎不是关键。路面层的厚度和材料类型是决定脉冲负载允许范围的主要因素。因此，除非路面是很厚的硅酸盐水泥混凝土（PCC）或是沥青混凝土（AC）覆盖着PCC构架， FWD设备是最能被接受的，因为它们能够为采集可靠的数据产生足够的挠度（2004 FAA）。为了验证这一点，研究使用基于人工神经网络（ANN）的方法，根据NAPTF全面交通测试中获得的FWD数据来反算沥青混凝土和路基模量。结果可用于检查波音777和波音B747的营运对NAPTF柔性路面段中结构状

39、况（反算模量）的破坏性影响。2、基于人工神经网络的反算模型在柔性路面的分析和设计中使用的弹性层状方案（ELPs）将路面作为弹性多层介质，并假设路面材料是线弹性，均匀和各向同性的。然而，未结合的颗粒材料和细粒路基土，简称路面岩土材料，不遵循线性应力 - 重复交通荷载下的应变特性。未结合颗粒材料和粘性细粒土基回弹模量的非线性或应力相关性说法一直是很完善的（Brown和Pappin 1981年，Thompson和Elliot 1985年，GARG等，1998）。未结合的骨料表现出应力硬化型行为，而细粒路基土表现出应力软化型的行为。以前的研究已经表明在NAPTF中的底层铺装层是非线性。Gomez-Ra

40、mirez和 Thompson (2002)通过单独分析个别层压缩的多深弯沉仪（MDD）读数，提出NAPTF中存在材料的非线性。Garg 和 Marsey (2002) 在NAPTF的柔性测试部分中，也观察到类似的颗粒和路基层的应力相关的性质。因此，路面结构模型可以考虑用非线性岩土材料来表征，如ILLI-PAVE有限元程序（Raad 和 Figueroa 1980），需要可被用来实行NAPTF路面结构分析，以及需要更实际的路面响应预测来做以机械为基础的路面设计。有人用人工神经网络对来自于NAPTF柔性路面的FWD数据进行反算非线性路面结构层模量做了一项研究。人工神经网络越来越多地被用来解决资源

41、密集型的复杂问题，以替代使用诸如回归法等较传统的方法。多年来，人工神经网络已经成为成功的计算工具，用于研究大部分的路面工程问题（Meier 和 Rix 1995, Gucunski 和 Krstic 1996, Khazanovich 和 Roesler 1997, Meier 等人 1997, Kim 和 Kim 1998, Ceylan 2002, Ceylan 等人 2004）。在这项为指导国家公路和运输官员协会（AASHTO）的新项机械经验路面设计的发展中，人工神经网络已被公认为是非传统的，但非常强大的计算方法，并用于编制混凝土路面分析软件包。在爱荷华州立大学和伊利诺伊大学，最近的研究

42、都集中与发展基于人工神经网络的正向和反算公路柔性路面分析模型，用于预测临界路面响应和个别路层的模量（Ceylan等人，2005 ）。Gopalakrishnan和Thompson（2006）和Gopalakrishnan等人（2006）成功地展示了用基于ANN的方法反算来自HWD测试数据的机场柔性路面结构层模量，并朝着NAPTF柔性路面的部分进行针对性的研究。在目前的研究中，ANN模型最初开发和验证是用于预测公路柔性路面在40kN的FWD弯沉盆下的路面结构层模量，用在NAPTF全面交通测试中获得的40kN的FWD数据，来反算柔性路面结构层模量。这些ANN模型已经得到了综合的培训，并在大范围内对

43、铺装层的性能进行了测试，因此，预计能在NAPTF试验段产生切实的反算结果。FWD / HWD的测试是对结构完整性和现有路面的承载能力进行评估。从FWD/ HWD测量中获得的路面弯沉轮廓，可用于反算路面结构层刚度，同样可以用来估计路面的剩余寿命。目前，没有封闭形式的解决方案以实现反算。现在，弹性分层分析常用于大多数反算软件，通常采用弯沉盆相配的方法来预测层模量。在这种方法中，结构层模量最初是假设的，理论表面挠曲由计算得来。通过一系列的迭代，结构层的模量有所改变，并且将所计算的挠度与测得的挠度进行比较，直到在允许范围内得到一个接近的值。这种方法有几个缺点，并且不会得到单独的结构层模量值，因为可以有

44、一个以上的组合层模量，使理论值和测量的表面挠度变的接近。虽然，基于ANN模型已经成功地在过去应用于由FWD数据反算路面模量（Meier等人，1997），但是他们没有考虑到，实际岩土材料对应力敏感的性质作为ELP生成的合成数据库，被用来培训ANN。因此，可以考虑到岩土材料非线性和应力相关特性的ILLI-PAVE有限元程序，被用来生成人工神经网络的训练数据集，以准确地从实际的FWD弯沉轮廓来预测路面结构层模量。3、人工神经网络培训和测试数据集的生成ILLI-PAVE是在伊利诺伊大学（Raad 和 Figueroa1980）开发的，是一种在柔性路面结构分析中常用的轴对称有限元（FE）程序。它将路面作

45、为一个二维轴对称的回转体模型，并对粒状材料和细粒土采用非线性应力相关的模型和破坏准则。许多研究已经验证了，轴对称ILLI-PAVE模型为圆形轮装载下的公路和机场路面提供了一个切实的路面结构响应预测（Thompson和Elliot 1985，Thompson 1992，Garg等人，1998）。因此在本研究中，ILLI-PAVE有限元模型被用作解决柔性路面弯沉，其他临界路面应力以及一个车轮施加载荷下的应变的先进结构模型。我们的目标是建立一个ILLI-PAVE响应解决方案的数据库，并能最终构成训练和测试的数据集，用于开发基于ANN的结构模型快速反算分析。一个普通的三层柔性路面结构，由一个AC面层，

46、级配碎石基层和由ILLI-PAVE建模的路基层组成。顶面的AC层使用杨氏模量EAC和泊松比n表征的线性弹性材料。该K-y模型（希Hicks和Monismith 1971）用来表征未结合碎石层的非线性模型： ER=K(p0)n (1) 其中ER是弹性模量，=1+2+3=1+23=体力，p0为单位压力（1 kPa），用来使模型中的应力无量纲化，K和n是从粒状材料的重复荷载三轴测试数据中获得的多元回归常数。 根据Rada和Witczak（1981）的工作提供的综合颗粒材料数据库， 使用下面的公式，K和n的模型参数可以关联到只有一个模型参数表征的非线性应力相关的行为 （Rada和Witczak 198

47、1）（测定系数）R2 =0.68，估计值的标准误差（SEE）=0.22）： Log10(K)=4,.657-1.807n (2) 因此，良好质量的颗粒材料，如碎石，表现出较高的K值和低的n值，而相对适用于较低质量的集料。根据Rada和Witczak后来的研究（1981），K值常用的范围为20.7至82.7MPa，相应的n值由公式（2）获得。细粒土被认为是“无摩擦”的，但只有凝聚力的材料常用双线性模型（Thompson和Elliot 1985）为弹性模量建模：其中是ERi是断点弹性模量，D是断点偏应力（d=1-3），di是断点偏应力， K1和K2是统计学中从实验室试验确定的系数。如由Thomps

48、on 和Elliot （1985）表示的，在双线性曲线中断点的弹性模量ERi可用于细粒土软，中，硬的分类。ERi是在路基土的ILLI-PAVE模型中主要输入的值。双线性模型的参数设置为缺省值。因此，沥青混凝土弹性模量EAC，颗粒基层K-y模型的参数K和路基土的断点偏应力ERi，在所有不同的柔性路面ILLI-PAVE运作中，作为双线性模型中结构层刚度的输入值。40kN的车轮施加的荷载作为在半径为152毫米圆形区域552 kPa的均匀压力，模拟FWD的负载。倒传递类神经网络模型（Haykin 1999）在此研究中接受了ILLI-PAVE合成数据库解决方案的培训，并作为预测柔性路面结构层模量的快速分

49、析工具。倒传递类神经网络被用来开发两种不同的网络架构的ANN结构模型，利用FWD挠曲数据和路面结构层厚度来预测路面结构层的模量（EAC和ERi）。有两个隐含层的神经网络结构是根据这些网络之前取得的令人满意的结果而专门选择的，考虑到他们的能力可以更好地促进非线性函数的映射（Ceylan 2002）。我们对几个有两个隐含层的网络架构进行了培训。总体而言，培训和测试的均方误差（MSEs）随着网络结构大小的增长和隐藏层越来越多的神经元而降低。测试的均方误差在一般情况下比培训过的略低。当隐藏节点的数目接近60，培训集和测试集的误差水平十分接近。在这项研究中，8-60-60-1（八个输入，两个隐含层，每层

50、有60个隐藏神经元和一个输出）被选中作为ANN模型的最佳体系结构，这基于其最低的培训和测试的均方误差，只有1×10-4次（对应于一个均方根误差，值为0.3），且对于EAC和ERi这两个输出变量都是这样。由于目标是由现场测量的FWD挠曲数据来反算EAC和ERi，在最佳性能ANN结构中的八个输入值中，包括在降落位置（0）收集的6个 FWD表面挠度值（D0，D12，D24，D36，D48，D60，），和305毫米，610毫米，914毫米1219毫米，1524毫米的径向偏移，以及两个已知的路面层的厚度，AC层（hAC）和粒状层（hGB）。同样的ANN结构被用来预测EAC和ERi图1描绘了8-

51、60-60-1网络结构在第10000次培训时的预测能力。平均绝对误差（AAEs）被算作通过1500次独立测试模式的个体绝对误差的总和。AC层模量的AAE较低，为1.25，路基断点模量ERi的AAE为3.46。需要注意的是AC模量与最大的FWD表面挠度值D0是密切相关的，而路基模量在很大程度上与在偏移超过914毫米情况下的FWD表面挠度值有关。需要注意的是FWD表面挠度的幅度随径向偏移的增加而减小，对于测量的相对精度也是一样的。最终结果， 对AC模量预测的精度一般比路基模量更高。正如图1所示，对于两种路面结构层模量，几乎所有的1500次ANN预测的数据都集中在相同的一条线上，从而表明了ANN培训

52、适当和优异的性能。Ceylan等人（2004）对这项研究中采用的ANN反算模型的开发进行了详细地探讨。在常规的FWD评价中应用开发基于ANN的反算技术的一个主要好处就是, 即使在现场也可以进行高速的数据处理和分析。在本研究中，ANN模型开发的速度是ILLI-PAVE有限元模型解决方案的两倍左右，并且它们不需要冗长而详细的有限元前后的处理任务。ANN反算模型的快速预测能力（50000个 FWD弯沉盆可以在不到1秒内分析完），使它们成为在实时现场测试时分析FWD挠曲数据，从而评估该路段路面的状况的完美工具。为了满足这一研究的目的，开发这种ANN模型以适用于现场FWD数据，这些数据由在NAPTF中采

53、用六轮和四轮重型飞机齿轮负荷的柔性路面全面交通测试中所获得。该NAPTF路面测试程序的说明如下。4、NAPTF柔性路面路段第一组的NAPTF测试路面，被称为建设周期1（CC-1），由九个仪表测试路面（六组弹性和三个刚性）组成，宽为18.3米，共274.3米长。在这项研究中，以下中等强度的路基柔性路面试验段被认为是：（a）MFC，传统的碎石基层柔性路面，以及（b）MFS，沥青稳定基层柔性路面。在这个研究中所考虑的两个测试件构造的剖视图示于图2。P-209（碎石），P-154（灰石混合粉矿）和P-401（厂拌沥青路面）等条目都符合美国联邦航空局（2004）详细的标准规格。P-401同时用于AC表面

54、层，以及MFS部分的稳定层中。一种在CLCH（液塑限）土壤分类（ASTM统一的土壤分类系统）中被称为杜邦粘土（DPC）的材料被用于中等强度的路基。天然存在的砂质土壤物质（SW - SM土壤分类）存在NAPTF基础下路基的每一层里。路基土P-209和P-154岩土材料的层次信息，实验室压实性能和材料特性的测试结果都包含在FAA的材料数据库里（可以在FAA机场科技网站：www.airporttech 下载）（Hayhoe 和 Garg 2001）。5、NAPTF交通测试在十个月的验证，试航以及路面响应测试后，NAPTF在1999年4月成型。第一个组的交通测试，简称CC-1交通测

55、试，开始于2000年2月，并在2001年9月竣工。在CC-1交通测试中，一种带有1372毫米的双重间距和1448毫米的串联间距的双重三叉型（B777）的六轮起落架，装载在北部轮距（LANE2），而南侧（LANE5）装载有具有1118毫米双重间距和1473毫米串联间距的双串联型四轮（B747）起落架。该试验机与在第一轮的交通测试中所用的齿轮配置示于图3。车轮的负荷设定为20412kg，每个轮胎的压力为1295kPa。在整个交通测试程序中，行驶速度是8km/h。为了真实地模拟飞机的横向运动的漂移模式，一种由66辆车辆行驶（33行驶在东部方向，行驶33在西部方向）组成的一个固定顺序，安排在有260毫

56、米间隔的9个等距漂移位置（或轨道），以便在交通测试过程中使用。NAPTF的破坏准则是在美国陆军工程兵部队（US COE）的多轮重型齿轮负荷（MWHGL）测试（Ahlvin等人，1971）下建立的。破坏被定义为相邻的跑道至少存在25.4毫米的表面隆起。这是与路基的结构或剪切破坏相联系的。NAPTF试验路段可以营运直到试验路段被破坏。6、无损检测硬件和软件技术的最新进展已经显著改善了无损检测的设备，数据采集和分析软件。用无损检测代替（或补充）机场路面传统的破坏性试验是有优势的。最重要的是，在这2-3分钟的测试中，它可以在同时保持一个跑道、滑行道或停机坪可操作的情况下，能在不同的位置迅速收集数据，使

57、测试与空中的交通管制密切接触。无损检测的实施是经济的，每天可在多达250个位置收集数据。FWD/ HWD设备应用动荷载的模拟移动轮来衡量路面响应（即变形）（FAA 2004）。用FWD / HWD设备所收集的挠曲数据，可以对路面测试时的强度提供定性和定量的数据。在负载板传感器下方的原始挠曲数据直接地提供了整个路面结构的强度指标。同样地，从最外层传感器得到的原始挠曲数据可提供路基的强度指示（FAA 2004）。许多研究已经解释了为什么FWD/ HWD路面弯沉测量可以作为表征路面路基系统的一种工具（Bush 和 Baladi1989年，Tayabji和Lukanen2000）。无损检测在不同时段使用NAPTF柔性路面试验段下进行的FWD和HWD。