机场规划设计课程作业

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。

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、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①风力负荷（保证跑道使用率的重要因素）②净空条件（保证飞机安全和跑道正常使

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：①在飞机着陆、滑行和起飞的过程中受到的干扰和延误最小；②从航站区（门位）到

跑道端部的滑行距离最小；③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；④保证着陆飞机不与起飞飞机相互干扰；⑤繁忙机场，应设置单向平行滑行道；⑥

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：

①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）；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；

②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；

③根据统计表，绘制风力负荷计算图或者风徽图；

④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

①机型：发动机推力（油门）飞机襟翼偏度

②飞机起飞质量

③起飞爬升面上有障碍物：障碍物限制重

（二）机场

①停止道及净空道

②跑道特性（1）跑道纵坡（2）跑道表面特性

③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

①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%；

②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:TC,长度需

增加l%o

跑道长度计算气温：高温使航班延误起飞及减载起飞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。

③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lh,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。

影响因素：

①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。

②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、着陆一离地、起飞各

占的比例。

③跑道布置及使用方案

④环境因素：机场最低天气标准一云层和能见度指标；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，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

①提供远程服务设施②发展超级枢纽机场③简化国际到达旅客手续④某些航空运行的调整⑤短距航空

运输的其他方式化

（4）高峰时间管理①经济手段：高峰时间的价格措施；高峰时间使用权拍卖。

②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：

P2W

声压，声强I——7；声功率1=-----Q

pc2H

IW

声压级;ZJ包魏地自n01g—；声功率级Lw=101g——

W

「Po1°o

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构设计；消音壁和树林；研究表明，声音

穿越100m的树林，衰减25〜30dBA；

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，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：①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。②弯道曲线半径应同飞机的滑行速度相适应。③增补面的设计方法有：模型模拟法、数学计算

法、图解法（圆弧一曲线法），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

小（发动机吹袭、噪声、空气污染）

航站楼一航站楼的布置：

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。①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？②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，应该怎样改善？③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。④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B737—300和B757—200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B747V00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B757—200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/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°C=90F,最热月平均气压P=87543。跑道端不

设停止道，设净空道。

解：

①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.

②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=102.95t^2270001b

2.第二阶段爬升梯度限制的最大起飞质量.

取6=5°,由图一种箭头所示计算程序Tp-Hp-m,可得NL*=2320001bNL*〉2270001b

取6=15°,由图二中箭头所示计算程序Tp-Hp-m,可得Mmax=2210001bM3〈2270001b

由上可得，Mmax=2320001b,8取5°.

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Tp-Hp-m-i-Vw-VMBE（其中飞行速度VW=0）

得到VMBE=180.Ikn（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225mile/h,风速为Vw=0.由四中箭头所示计算程序Tf-Hp-Vw-m,得到

M„=2710001b.

5.初步确定飞机的最大起飞质量NU

取最小值，得到取”=2270001b,以后检验是否满足VI<180.Ikn

③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Lao

Lao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6为5°,TF=90F,Hp=4000ft,M„x=2270001b

由图五中的箭头所示计算程序Tf--HpfLa0*-M1Tm得到Lao=9550ft^2911m.

2.起飞发生一故障所需修正场地长度Lb°

(1)起飞一发故障所需修正场地长度Lm。

Lbco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8=5°,空调关，Tf=90F,Hp=4000ft,Mmax=2270001b,由图七种箭头所示计算程序Tf

-*Hp-*Lb。。-Mmax得至【JLbeo=10200ft=3109m

(2)起飞一发故障所需跑道长度.

皿计算图分区，根据Tf=90。，Hp=4000ft,由图可查得应采用A区的计算图

目修正继续起飞距离S'T。

修正中断起飞距离S飞及决断速度VI,S'T0,S'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，6=5U,Lbco=10200ft,由图八中箭头所小的计算程序STO-Lb。。一Sso及Lb。。-*VI,

初步得到S',S'及VI值.由于设置净空道不设置停止道，S'T。应该稍大于S'S。，使下一步

得出Lb=Lc,得到S、T°=10200ft,S'so=10000ft,Vl=0.982VR

团继续起飞所需跑道的长度Lb.

根据S'TO=10200ft,防水系统关，Vw=0,i=0.005,根据图六中箭头所示计算程序

S、T°fVw—ifLc—Lb,得到lc=650ft=200m,得到Lb=10200ft

日中断起飞所需的跑道长度

S'so=lOOOOft,Vw=0,i=0.005由图H—'中箭头所示计算程序S-fVwfi—S's

得到S's=10200ft,由于本机场没有停止道，所以Lc=S's=10200ft

—初步确定起飞一发故障所需跑道长度Lbc及决断速度VI,由于Lb=Lc=10200ft,取

Lbc=10200ft,Vl=0.982

国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速度”

由于Vl=0.982%,所以VI〈VR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V帧

8=5°,Tf=90F,Hp=4000ft,NU=22700由图十二所示计算程序Tf-Hp-M喇一VR得到VR=148kn

Vl=0.982*VR=145.336kn<180,Ikn

因此，Mmax=2270001b未超过刹车能量限制的最大起飞质量

C.决断速度VI是否大于最小地面操纵速度VMCG

根据Tf=90F,Hp=3000ft,MTC=2270001b,由图十三箭头所示计算程序Tf-Hp-M皿-V.

得到VHCC=92.5kn因此VDVMCG,符合要求

目确定起飞一发故障所需跑道长度L

由于决断速度VI符合要求，所以取Lb°=10200ft

3.确定跑道长度L

La=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301n.

（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%、B757—200占20%、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B737—300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

1800

n=--------------------------=15.4架次

（140*80%+220*20%）*75%

0.65*（15.4*0.75）

根据题意，站坪停机位数量B737-30012个

B757-2004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7.5m

L=28.28*12+38.06*4+7.5*15+7.5*2=619.9m取为620m

4.站坪宽度

口能停放伊尔-86（较大的4D飞机），机身长56.1m

2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

士机坪滑行道宽度23m

司机坪滑行道中线距离车道边缘40.5m

5+40.5+56.1-11.5=90.1m

90.1+23=113.1m取为120m

5.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

［题可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1850m

2.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182.5m

3.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.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(WTa11.5,WTb15)

Ri41.5

R241.5

弯道半径53

「125

「225

防吹坪

用应力相关的神经网络模型评估机场道面恶化

KasthuriranganGopalakrishnan*,HalilCeylanandAlperGuclu

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

1、介绍和高强度(指标CBR为20)。

全国机场道面试验设施(NAPTF)位于美国联邦NAPTF为生成全面的测试数据而构建，特别是

航空管理局(FAA)的威廉J・休斯技术中心，在美国支持受到新一代飞机(NGA)复杂的齿轮载荷配置

新泽西州大西洋城国际机场附近。它以支持开发先的机场路面性能调查，例如波音777o在NAPTF第

进机械为基础的机场路面设计程序而修建，基于健一组的交通量测试期间，在一条跑道模拟六轮架波

全的理论原则和由相应的全面试验数据验证的模型。音777(B777)起落架降落，并在另一条车道模拟

第一组试验路面，被称为建设周期1(CC-1),四轮波音747(B747)起落架降落，并且同时营运，

由宽为18.3米，共274.3米长的九个仪表测试路面直到测试路面被视为破坏。无损检测(NDTS)同时

(六组弹性和三个刚性)组成。这九个测试路面是使用落锤式弯沉仪(FWDs)和重型落锤式弯沉仪

建立在三种不同的路基材料上：低强度(指标为加(HWDs)进行路面和路基施工的均匀性记录，以及

州承载比，CBR,4),中等强度(指标CBR为8)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取得的用于检查波音777和波音B747的营运对NAPTF柔

柔性路面无损检测数据，并通过无损检测的数据来性路面段中结构状况(反算模量)的破坏性影响。

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2、基于人工神经网络的反算模型

测响应是否与增加的力是非线性的关系，在相同的在柔性路面的分析和设计中使用的弹性层状方

位置评价4个负载(40kN,60kN,82kN和115kN)案(ELPs)将路面作为弹性多层介质，并假设路面

下的FWD数据以及在三个负载(53kN,107kN和材料是线弹性，均匀和各向同性的。然而，未结合

160kN)下的HWD数据。我们发现，无论是脉冲刚的颗粒材料和细粒路基土，简称路面岩土材料，不

度模量(8乂=负载板作用力的最大挠度比)还是反遵循线性应力-重复交通荷载下的应变特性。未结

算的路基模量都与FWD和HWD的力振幅保持相对合颗粒材料和粘性细粒土基回弹模量的非线性或应

恒定。在丹佛国际机场(DIA)(Lee等，1998)进行力相关性说法一直是很完善的(Brown和Pappin

的中心板仪表刚性路面HWD测试也得到了类似的1981年,Thompson和Elliot1985年,GARG等,1998)。

结果。未结合的骨料表现出应力硬化型行为，而细粒路基

基于这些观察(线性负载响应行为)，对柔性和土表现出应力软化型的行为。

刚性机场路面，McQueen等人(2001)提出，在原以前的研究已经表明在NAPTF中的底层铺装层

型飞机装卸时使用无损检测力振幅来评估机场路面是非线性。Gomez-Ramirez和Thompson(2002)通过

可能不是必要的。有人还建议，机场路面能通过更单独分析个别层压缩的多深弯沉仪(MDD)读数，

轻的负载设备达到令人满意的评价，如FWD,提供提出NAPTF中存在材料的非线性。Garg和Marsey

了可靠的传感器记录中获得的足够的响应。(2002)在NAPTF的柔性测试部分中，也观察到类似

因此，在NAPTF和DIA感性上的研究结果的基的颗粒和路基层的应力相关的性质。因此，路面结

础上，只要所产生的挠度都在挠度传感器的范围之构模型可以考虑用非线性岩土材料来表征，如

内，脉冲负载的振幅似乎不是关键。路面层的厚度I山-PAVE有限元程序(Raad和Figueroa1980),需

和材料类型是决定脉冲负载允许范围的主要因素。要可被用来实行NAPTF路面结构分析，以及需要更

因此，除非路面是很厚的硅酸盐水泥混凝土(PCC)实际的路面响应预测来做以机械为基础的路面设计。

或是沥青混凝土(AC)覆盖着PCC构架，FWD设有人用人工神经网络对来自于NAPTF柔性路面

备是最能被接受的，因为它们能够为采集可靠的数的FWD数据进行反算非线性路面结构层模量做了

据产生足够的挠度(2004FAA)。一项研究。人工神经网络越来越多地被用来解决资

为了验证这一点，研究使用基于人工神经网络源密集型的复杂问题，以替代使用诸如回归法等较

(ANN)的方法，根据NAPTF全面交通测试中获得传统的方法。多年来，人工神经网络已经成为成功

的FWD数据来反算沥青混凝土和路基模量。结果可的计算工具，用于研究大部分的路面工程问题

(Meier和Rix1995,Gucunski和Krstic1996,迭代，结构层的模量有所改变，并且将所计算的挠

Khazanovich和Roesler1997,Meier等人1997,度与测得的挠度进行比较，直到在允许范围内得到

Kim和Kim1998,Ceylan2002,Ceylan等人2004)。一个接近的值。这种方法有几个缺点，并且不会得

在这项为指导国家公路和运输官员协会(AASHTO)到单独的结构层模量值，因为可以有一个以上的组

的新项机械经验路面设计的发展中，人工神经网络合层模量，使理论值和测量的表面挠度变的接近。

已被公认为是非传统的，但非常强大的计算方法，虽然，基于ANN模型已经成功地在过去应用于

并用于编制混凝土路面分析软件包。由FWD数据反算路面模量(Meier等人，1997),但

在爱荷华州立大学和伊利诺伊大学，最近的研是他们没有考虑到，实际岩土材料对应力敏感的性

究都集中与发展基于人工神经网络的正向和反算公质作为ELP生成的合成数据库，被用来培训ANN。

路柔性路面分析模型，用于预测临界路面响应和个因此，可以考虑到岩土材料非线性和应力相关特性

别路层的模量(Ceylan等人，2005)»Gopalakrishnan的IUJ-PAVE有限元程序，被用来生成人工神经网络

和Thompson(2006)和Gopalakrishnan等人(2006)的训练数据集，以准确地从实际的FWD弯沉轮廓来

成功地展示了用基于ANN的方法反算来自HWD测预测路面结构层模量。

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。3、人工神经网络培训和测试数据集的生成

在目前的研究中，ANN模型最初开发和验证是ILLI-PAVE是在伊利诺伊大学(Raad和

用于预测公路柔性路面在40kN的FWD弯沉盆下的Figueroal980)开发的，是一种在柔性路面结构分析

路面结构层模量，用在NAPTF全面交通测试中获得中常用的轴对称有限元(FE)程序。它将路面作为

的40kN的FWD数据，来反算柔性路面结构层模量。一个二维轴对称的回转体模型，并对粒状材料和细

这些ANN模型已经得到了综合的培训，并在大范围粒土采用非线性应力相关的模型和破坏准则。许多

内对铺装层的性能进行了测试，因此，预计能在研究已经验证了，轴对称I山-PAVE模型为圆形轮装

NAPTF试验段产生切实的反算结果。载下的公路和机场路面提供了一个切实的路面结构

FWD/HWD的测试是对结构完整性和现有路面响应预测(Thompson和Elliot1985,Thompson1992,

的承载能力进行评估。从FWD/HWD测量中获得的Garg等人，1998)o

路面弯沉轮廓，可用于反算路面结构层刚度，同样因此在本研究中，ILLI-PAVE有限元模型被用作

可以用来估计路面的剩余寿命。目前，没有封闭形解决柔性路面弯沉，其他临界路面应力以及一个车

式的解决方案以实现反算。现在，弹性分层分析常轮施加载荷下的应变的先进结构模型。我们的目标

用于大多数反算软件，通常采用弯沉盆相配的方法是建立一个ILLI-PAVE响应解决方案的数据库，并能

来预测层模量。在这种方法中，结构层模量最初是最终构成训练和测试的数据集，用于开发基于ANN

假设的，理论表面挠曲由计算得来。通过一系列的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,

级配碎石基层和由I山-PAVE建模的路基层组成。顶ER=%+Ki(°d-%)for%<bdi,(3

ER=ERi+K2((7d—Gdi)forffd>Cdi,

面的AC层使用杨氏模量和泊松比n表征的线性

弹性材料。该K-y模型(希Hicks和Monismith1971)

用来表征未结合碎石层的非线性模型：

其中是ER»是断点弹性模量，与是断点偏应力

((Td=q3)，。心是断点偏应力，Ki和K?是统计

e

ER=K(-y(1)学中从实验室试验确定的系数。如由Thompson和

Po

Elliot(1985)表示的，在双线性曲线中断点的弹性

模量ER»可用于细粒土软，中，硬的分类。琢》是在

其中ER是弹性模量，9=q+%+方=<11+2<13=体

路基土的模型中主要输入的值。双线性模

力，Po为单位压力(lkPa),用来使模型中的应力无ILLI-PAVE

型的参数设置为缺省值。

量纲化，K和n是从粒状材料的重复荷载三轴测试数

因此，沥青混凝土弹性模量%「颗粒基层

据中获得的多元回归常数。根据Rada和WitczakK-y

模型的参数和路基土的断点偏应力在所有不

(1981)的工作提供的综合颗粒材料数据库，使用KER»,

同的柔性路面山运作中，作为双线性模型中

下面的公式，K和n的模型参数可以关联到只有一I-PAVE

结构层刚度的输入值。的车轮施加的荷载作为

个模型参数表征的非线性应力相关的行为(Rada和40kN

在半径为毫米圆形区域的均匀压力，

Witczak1981)((测定系数)R2=0.68,估计值的标152552kPa

模拟的负载。

准误差(SEE)=0.22)：FWD

倒传递类神经网络模型(Haykin1999)在此研

Logio(K)=4,.657-1.807n(2)究中接受了I山-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析工具。

因此，良好质量的颗粒材料，如碎石，表现出倒传递类神经网络被用来开发两种不同的网络架构

的结构模型，利用挠曲数据和路面结构

较高的K值和低的n值，而相对适用于较低质量的ANNFWD

集料。层厚度来预测路面结构层的模量(&c和琮1。有两

个隐含层的神经网络结构是根据这些网络之前取得

根据Rada和Witczak后来的研究(1981),K值

的令人满意的结果而专门选择的，考虑到他们的能

常用的范围为20.7至82.7MPa,相应的n值由公式

力可以更好地促进非线性函数的映射

(2)获得。(Ceylan2002)0

细粒土被认为是"无摩擦”的，但只有凝聚力的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(随

材料常用双线性模型(Thompson和Elliot1985)为IMSEs)

弹性模量建模：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45

略低。当隐藏节点的数目接近60,培训集和测试集40

(

的误差水平十分接近。e35

od

)30

在这项研究中，（八个输入，两个隐=

8-60-60-1n

p

o25

含层，每层有60个隐藏神经元和一个输出）被选中w

0

<20

作为ANN模型的最佳体系结构，这基于其最低的培z

z15

<

训和测试的均方误差，只有IXIO"次（对应于一

10

个均方根误差，值为0.3%）,且对于和ER»这两5

个输出变量都是这样。由于目标是由现场测量的0

051015202530354045

FWD挠曲数据来反算和琢“在最佳性能ANN结

ILLI-PAVEACModuli(GPa)

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（DQ,D]2,D24>D36，D48>

120

）,和毫米，毫米，毫米毫米，AAE=3.46%

D60,3056109141219(

eNoofTestingData=1,500

wd100

1524毫米的径向偏移，以及两个已知的路面层的厚:

3

度,AC层（hAC）和粒状层（hGB）。同样的ANN结P80

WO

构被用来预测和ER

p0>60

图1描绘了8-60-60-1网络结构在第10000次培-e

q640

训时的预测能力。平均绝对误差（AAEs）被算作通sn

z

z20

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ER»的0

020406080100120

AAE为3.46%。需要注意的是AC模量与最大的FWD

ILLI-PAVESubgradeModuli(MPa)

表面挠度值Do是密切相关的，而路基模量在很大程(b)

度上与在偏移超过914毫米情况下的FWD表面挠度Figure1.PredictionperformanceoftheANN

backcalculalionmodels:(a)ACmoduli,and(b)subgrade

moduli.

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正如图1所示，对于两种路面结构层模量，几

量更高。乎所有的