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我国民航机场十年科技创新综述

时间:2020年01月08日   来源:

民航是战略性产业,在国家开启全面建设社会主义现代化强国的新征程中发挥着基础性、先导性作用。建设民航强国,既是更好地服务国家发展战略,满足人民美好生活需求的客观需要,也是深化民航供给侧结构性改革,提升运行效率和服务品质,支撑交通强国建设的内在要求。

在过去十年来,在民航局的领导和大力支撑下,以中国民航机场建设集团(有限)企业为主力军的机场科技创新者们,积极进取,在机场建设和科技创新方面取得了巨大的成果。

如今,我国民航机场科技创新正由量的积累转向质的飞跃,从点的突破转向系统能力的提升,一系列的新理念、新技术、新方法、新标准、新产品正在深刻影响着行业发展的方方面面。盘点回顾过去十年来的成就与不足,以使大家更好地创新研究,做出更大的成绩。

1、十年来所取得的重要科技成果

十年来,民航机场科研工编辑,围绕民航机场建设与运行管理中的难点与重点,结合紧密结合工程实际,依托重大工程项目,开展了关键技术、集成技术和创新性技术的研究,如机场规划与运行的计算机仿真技术、规划辅助决策支撑系统、场道沥青关键技术、道面检测技术、复杂岩土工程技术、工程材料技术、绿色机场等,取得了可喜的成果:

——形成了以系统检测为手段、综合评价与实验为基础、综合研究为核心的机场沥青道面关键技术研究体系;

——围绕大型复杂机场的安全、高效运行,研究机场选址决策、规划设计验证和运行管理关键技术,形成了机场运行的系统建模、仿真分析和辅助决策支撑为核心的研究体系;

——形成了以试验检测为基础、稳定计算为手段、综合分析为核心的机场复杂岩土工程研究特色;

——形成了以绿色理论为基础、系统分析为核心的绿色机场研究特色;

——形成了以实验为基础、以强度质量稳定与耐久性为核心的机场工程新材料与新技术研究特色。

机场规划仿真技术、场道工程新技术、复杂环境下的机场岩土工程技术、机场数字化技术、工程检测技术、新型环保工程材料、绿色机场等方面取得了可喜的成果,其中部分成果达到了国际先进水平,部分成果实现了转化和工程化,并逐步向产业化推进。

机场规划仿真技术 采用以系统建模、仿真模拟、辅助决策为核心的机场规划方法,科学、精准评估复杂机场规划方案的可行性,评估方案所能产生的运行效率和环境效益,确定机场运行中可能存在的技术瓶颈,规避潜在冲突和风险,为方案优化提供有效数据支撑。

机场障碍物评估系统 自主开发了机场多跑道障碍物评估系统,并运用于场四、五跑道构型研究、新机场选址、新机场战略规划等项目的跑道构型研究和净空分析中,显著提高了机场规划效率。

沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)技术 机场建设集团是我国民航机场最先开展沥青道面技术研究和应用的单位,首次在国内机场开展了沥青道面SMA技术研究,由此引领该技术在全国机场建设中的广泛应用,已成为机场道面加盖技术的标准化方案之一。迄今为止,中国民航是国际上第一个建设改性沥青SMA道面的国家,也是目前在国际上拥有SMA跑道数量最多的国家,总数占全球总量的60%以上。美国国家沥青技术协会在其研究报告中称“China is the leader of SMA used in airfield”(中国是SMA技术在机场应用的领先者)。

机场滑模摊铺技术 民航科技创新引导资金重大专项“基于长寿命运行的机场水泥道面现代化建设成套技术研究”(MHRD20130109)的研究成果使滑模摊铺技术在中国机场工程建设中首次获得成功应用,已逐渐为机场道面工程界所接受,并将推进我国机场道面建造技术的升级。

机场岩土工程技术 多项机场高填方,以及软土、永冻土、湿陷性黄土、红粘土和膨胀土等特殊土地基处理研究课题的多项科研成果,解决了机场建设中的岩土工程关键技术问题。其中,大面积软土地基处理研究的成果在浦东、虹桥、杭州、福州等机场建设中获得运用;在机场建设中提出了高填方“三面一体”理论及其配套技术体系,其研究成果在贵阳、九寨、重庆、成都、吕梁、承德等机场工程建设中获得运用。

机场工程数字化技术 自主建立了机场工程建设质量数字化监控技术系统,自主开发、推广应用了国产化仪器设备,打破了国外技术垄断,并取得多项自主常识产权。其成果在成都、桂林、海口、达州等机场工程建设中获得了运用。尤其是在成都新机场建立了基于云GIS技术架构的数字化施工监控系统,在国内首次实现了对全场500多台多类型施工机械的全方位、立体化监控,对保证工程质量和工程进度、节约工程造价具有重要的推动作用。

机场道面检测技术 已建立了成套技术检测与评价体系,完成了行业技术规范的研究、编制。完成了国内(含港澳台地区)外100余个机场共计200余项道面检测与评价,积累大量的检测数据。

机场工程新材料 自主开发了绿色高性能聚羧酸、抗车撤剂和融雪除冰等工程材料。自主研发的世界上首个适合机场道面干硬性混凝土的聚羧酸类减水剂高分子材料,整体提高了机场混凝土道面质量稳定与耐久性,研究成果已在吕梁、天津、承德、郑州、重庆等国内十余个机场工程中应用;自主开发的沥青道面抗车撤剂材料,其研究成果在安哥拉机场等国内外机场工程中得到应用,初步实现了民飞行业“走出去”战略,取得良好的技术经济效果;自主研发的高耐久高抗裂新材料技术,在哈尔滨机场站坪和高架桥工程中获得运用;自主研发的碳纤维格栅道面自融雪材料,在北京新机场和哈尔滨机场等机场工程中获得应用。

绿色机场 首次在世界上提出了绿色机场理念,积极引入先进国家的绿色机场建设技术与经验,初步在行业构建了绿色机场建设标准体系框架,形成了行业首批绿色机场标准。相关成果已应用于昆明新机场、北京新机场、成都新机场、青岛新机场等,并将为我国“十三五”绿色机场建设提供标准引导和技术支撑。

同时,深入研究了“四型机场(平安机场、绿色机场、智慧机场、人文机场)”的内涵、外延、关键指标(体系)、落地举措等,已应用于北京新机场的工程实践中。

机场航油工程技术 成功研发的机坪管线和油罐罐底感应电缆测漏系统、大口径DN700浮动出油装置、三点取样橇装设备研发、视窗式质量检查罐以及先进的自控系统,已在青岛新机场、成都新机场工程建设中获得应用。研发的通用机场橇装式加油设备在永州机场投入使用,得到一致好评,填补了国内相关产品的空白。

2、服务国家与解决民航安全与发展重大关键问题等方面的贡献

在多年的发展历程中,通过技术创新和工程实践,创造了一批优秀工程设计项目,获得了多项国家及省部级科技进步奖,为民航机场工程建设解决重大或关键技术问题做出了卓越的贡献。

(1)标准编制

中国民航机场建设集团有限企业,率先引进了国际民航组织的相关技术标准,承担了80%的国家、行业机场工程技术标准的研究和编制,引领了中国机场建设和发展。

(2)机场规划设计

在国内北京新机场、成都新机场、深圳机场等机场自主开展了大型枢纽机场运行仿真模拟研究。通过仿真,提供可行的优化方案,可在保证安全的前提下,大大节约建设投资或运行成本,同时会提高旅客的舒适性感受。

(3)机场飞行区道面建造技术

完成了机场道面石灰稳定土壤、耐高温沥青混凝土道面、无胀缝跑道等研究,并在国内机场工程建设中获得了广泛应用。

首次在国际上研究机场SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)道面的设计与施工工艺,并在北京首都机场东跑道获得应用,建成国际上第一条改性沥青SMA跑道,意义重大,影响深远。已成为中国民航机场沥青道面技术的标准化面层,国际民航组织已将其纳入标准体系。在此基础上,研究并实施了严寒地区抗开裂技术、炎热地区抗高温技术、高原机场防紫外线老化技术,解决中国不同气候条件、不同地理位置下沥青道面建设技术,形成了“检测-实验-研究-设计-监测”不停航施工一条龙加盖技术体系,有力地支撑亚虎777网页版运输业的快速发展,形成了国际领先优势并推广至新加坡、港澳台等国家和地区。

多年来,以其研究成果与实践经验为基础,结合工程继续开展了多项沥青道面研究,有效解决了沥青道面工程中的关键技术难题,已形成“检测-实验-研究-设计”成套技术研究与服务体系。

研发了具有中国特色的机场水泥道面现代化建造技术——滑模摊铺技术,彻底改变了我国机场道面建设生产方式已落后国际先进水平数十年的技术现状,促进了机场建设模式升级,提高机场道面设计、施工的整体技术水平,形成新的产业格局,实现我国机场建设的现代化飞跃,并在北京新机场、郑州等机场建设中得到初步应用。

在世界范围内首次攻克了天津机场第二跑道80万平米超大面积道面全冬期施工的重大技术难题,其成果填补了我国机场大面积冬季施工领域的技术空白,达到国际先进水平。为兑现中国政府如期竣工的承诺及在我国组装的首架空客A320飞机按期交付做出了贡献,为我国冰冷地区及高寒高海拔地区机场建设提供了借鉴。

在国际上首创自融雪道面技术,采用具有自主常识产权的热导管技术将土壤温度自动传递至道面用于融化冰雪,在北京新机场建成国际上第一个自融雪道面工程,实现零污染、零排放,可以大幅提高冰雪条件下机场安全运行能力,减少航班延误。

(4)机场岩土工程技术

开展了机场大面积软土地基处理、高填方工程技术的研究和实践,获得了多项国家、行业重大科研项目的支撑,取得了多项民航科技进步奖,并建立了系列行业技术标准。

首次在康定、稻城机场开展了高高原、冰碛土工程地质环境下的机场建设技术研究和工程实践,为我国类似环境条件下的机场建设提供了借鉴。

首次在漠河机场开展了永冻土机场建设技术研究和工程实践,攻克了高纬度连续多年冻土区域建设机场的世界性难题,为我国类似环境条件下的机场建设开辟了先河。

(5)机场工程新材料

自主研发了世界上首个适合机场道面干硬性混凝土的聚羧酸类减水剂高分子材料,整体提高了机场混凝土道面质量稳定与耐久性,填补了高性能减水剂材料在我国机场工程材料领域的技术空白,达到国际先进水平,获得民航科技进步二等奖,研究成果已在吕梁、天津、承德、郑州、重庆等国内十余个机场工程中应用,全面实现了产业化。

(6)机场道面检测技术

建立了中国机场道面检测与综合评价体系,为机场道面结构安全与运行评价提供了技术支撑,已完成国内100多个机场、200多项道面检测项目。

(7)绿色机场研究与实践

结合昆明新机场建设开展了绿色机场研究和实践,在世界上首次提出了绿色机场理念及基本内涵,建立了绿色机场建设指标体系和评价方法,研究编制了首批绿色机场标准,为中国乃至全球绿色机场建设提供了示范,并在北京新机场、成都新机场、青岛新机场等获得了推广。

(8)机场工程数字化技术

在北京大兴机场飞行区工程首次试用后,首次在成都新机场全面开展机场数字化技术的研究和应用,为机场工程建设质量的全过程监控提供了最佳解决方案,促进了传统、平面管理模式向先进、立体管理模式的跨越,推动了机场建设管理的精细化和智能化。

(9)技术与学术贡献

通过大量研究总结凝练了多项具有中国特色的机场工程技术方法和创新理念,或提供了系统的技术方法,或突破传统理念提出新的理论并通过实践验证,或提出新的技术标准,为中国民航机场建设以及建立新的技术标准规范奠定了基础。

机场空-地一体化规划设计方法

在机场规划设计中,统筹考虑空中及地面影响因素,实现空-地运行衔接顺畅、空-地容量匹配、空域规划与飞行区地面布局协调。在机场规划中,借助计算机仿真模拟技术对机场空、地运行实施仿真模拟验证评估,进而优化调整设计方案,最终实现机场设计方案的高效运行,满足规划需求。

高原与高高原机场工程技术

高原机场(海拔高度在1500m以上)与高高原机场(海拔高度在2438m以上)建设关系社会经济发展与国防安全建设大局。由于我国地理特征与民航发展布局需要,我国的高原与高高原机场普遍坐落在风景优美的旅游景区,伴随十分复杂的高寒气候条件,地形条件环境复杂,生态脆弱,多为高填方工程,机场周边基本没有成熟完善的市政配套,规划设计与建设在国际上可参照借鉴的经验相对较少。针对高原与高高原机场工程建设与运行中的问题开展了大量研究,攻克了多项关键技术课题,包括基于飞机起飞性能适航性的高原机场设计,高寒高填方工程设计,高海拔、低气温与低气压条件下的污水处理技术,以及高原机场可再生能源利用等,为我国民航高原与高高原机场建设与运行提供了技术保障。

机场高填方“三面一体控制论”

为了解决机场高填方工程中的一系列工程技术问题,结合大量的工程实践,在分析归纳高填方机场基本环境、高填方变形机理和基本工程问题的基础上,提出并建立机场高填方工程的“三面一体控制论”。“三面一体控制论”的核心是:机场高填方工程是一个系统工程,是一个由土石方混合体共同构成的、不同部位承载不同工程功能的复合系统,其工程形态主要由“基底面”、“临空面”、“顶面”和“填筑体”(如下图)四个要素构成的“三面一体”。其中“基底面”包含有软弱层的原地基、填挖交界过渡段及道基顶面等范畴的抽象面,“体”包含不同部位承载不同功能的填筑体。机场高填方系统的沉降变形特征、安全稳定性、工程满足功能需要的程度受“三面一体”的控制。机场高填方工程的“三面一体控制论”在引导国内机场高填方工程建设、制定行业技术标准等方面发挥了积极作用。该行业标准被国家列为向“一带一路”区域推荐的标准。

机场大面积软土地基沉降控制论

建筑在软弱不均匀地基上的机场道面,地基的沉降与不均匀沉降是造成其不平坦或开裂的关键因素之一。结合实际工程开展了深入研究,在综合考虑工程质量和工程经济学的前提下,提出了“软土浅层加固+深部沉降控制”的机场大面积软土地基沉降控制论,其核心要点是:在满足机场安全、正常运行和使用的前提下,允许地基产生一定量的沉降变形,合理地控制软土地基的差异沉降,其主要措施有:

通过有效的浅层地基加固使上部一定范围内的土层形成一定厚度的硬壳层,确保不出现超过设计要求的工后差异沉降。

合理控制软弱土层后期的沉降量,使其发展历程与道面结构的使用寿命相匹配。

在高程、纵横坡设计中充分考虑地基工后沉降的影响,采取补偿设计,以保证道面使用功能的正常发挥。

机场大面积软土地基沉降控制论,对于引导软土地基机场的地基处理设计起到了积极作用,在确保机场安全运行的前提下,极大地节约了工程造价,并为行业标准的制定提供了依据。

机场道面“锅盖效应”

当机场道面完成后,道面下土中的水分、水气会由毛细作用和温度、蒸发等作用而向上迁移,遇到不透气的道面时,水分蒸发效应受阻而在道面下聚集,即为“锅盖效应”。在冰冷地区,“锅盖效应”将造成道面下的水分结冰和体积膨胀,当温度升高时出现冻融循环,由此引起造成地基的不均匀沉降和道面结构开裂,影响机场的安全运行。“锅盖效应”是在长期的工程实践中总结提出的,对于完善冰冷地区机场工程设计与施工组织具有重要的引导作用。

绿色机场理论框架与标准体系

开展了绿色机场研究,并积极推进绿色机场理论框架与标准体系的建立。通过明确绿色机场内涵,分析调研国内外绿色建筑、生态城市的相关标准与指标体系以及国内外机场绿色机场建设管理实践,结合我国民航发展的要求,构建符合我国国情的绿色机场理论框架。绿色机场标准体系是在充分考虑地域特点的基础上,按照机场全寿命期建设、运行要求,充分体现机场功能特征,为机场绿色建设提供不同深度、不同类别的绿色机场建设标准,将绿色机场理念全面贯彻到机场选址、规划、设计、施工、验收及运行管理的各个环节中。

目前,已经形成行业首批绿色机场行业标准,包括《绿色航站楼标准》(MH/T 5033-2017)、咨询通告《民用机场绿色施工指南》(AC-158-CA-2017-02)以及咨询通告《绿色机场规划导则》(在编)等。绿色机场标准体系的建立,将为中国绿色机场标准建设提供依据,为绿色机场评价、认证体系的建立奠定基础,促进机场可持续发展与技术进步。

在民航局领导和组织下,突破了机场领域国家级科研项目的空白。实施了国家科技支撑计划重大项目“绿色机场规划设计、建造及评价关键技术研究”。2018年通过课题验收,超额完成技术攻关、设备研制、示范验证、常识产权、成果应用方面的任务指标,突破7项关键技术,研制了2个技术系统及平台、新材料8项、新工法11项,完成了5种类别的试验验证和应用示范,制定技术标准规范6项,专著3种,申请专利13项,获得App著作权10项,发表论文55篇,成果应用与转化2项。

实施了民航科技重大专项“绿色机场评价与健康标准体系研究”项目并等待验收,超额完成理论创新、App开发、示范应用、常识产权、成果应用方面的任务指标,研制了1个技术平台,完成了1项应用示范,制定技术标准规范1项,登记App著作权3项,发表论文6篇,成果应用与转化2项。

创立了绿色机场理论体系,研制了一批具有自主常识产权的重要新技术设备、新工法,打造了具有世界一流水平的节能、环保、科技、高效、人性化的绿色集成示范工程——北京新机场。测算表明,本项目成果可直接实现机场整体能耗减少至少30%,推广应用可使全国机场每年节电超过9亿千瓦时,节能成本超过10亿;每年节能折合15万吨标准煤,减少CO2排放39万吨,经济效益和环境效益巨大。对推动超大型、大型公共建筑的绿色建设具有引领作用,并带动相关绿色产品的产业化,有力推进了我国绿色机场未来发展。

2015年6月24-26日,参加中国民航发展论坛,主题为“互联互通:中国民航在‘一带一路’战略中的国际视野”。服务于国家,为“一带一路”贡献中国智慧。

同时,进行了民航节能减排规划、民航节能减排的投资成效评估、亚虎777网页版企业及机场节能减排战略规划等研究,参与制订了发展中国家排放责任分配方案,为国家的节能减排体系、为民航的绿色发展做出了重要贡献。

所制订的10个标准通过民航局被国家推荐给一带一路国家和地区,包括《绿色航站楼标准》、《民用机场高填方工程技术规范》等,向世界传播中国方案、中国智慧。

绿色机场研究及成果,为国际民航组织ICAO所关注和认可,已和首都机场集团企业一起,与ICAO签署了备忘录,正在研究一起制订相关技术规范或标准。

承担的民航节能减排领域科研项目30余项[3],其中包括国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家科技支撑计划等,研究成果服务于政府决策、行业企业咨询,并形成一系列谈判案文,直接支撑应对气候变化的国际亚虎777网页版谈判,参加了有关国家联合组织的反对欧盟排放交易体系的政府间会议,进行大量的面对面的亚虎777网页版节能减排谈判会议,为制定公平合理的国际亚虎777网页版运输全球减排市场化措施贡献了力量。

3、对未来创新发展的展望

尽管在过去十年里,民航机场科研取得了一些列可喜的成果,但仍然有不少技术问题需要研究。

进入新时代,我国经济发展由高速增长阶段向高质量发展阶段转换,新一轮科技革命和产业变革方兴未艾,大众出行对安全、便捷、品质等方面的关注不断增强,对成本、质量、效率和环境提出了更高要求。经过几代中国民航人的接续奋斗,我国已具备从民航大国向民航强国跨越的发展基础,同时也面临基础保障能力不足、资源环境约束增大、发展不平衡不充分现象突出等问题[1]。

未来,需要继续完善民航科技创新体系,开展机场工程领域工程化研究与开发、突破机场工程领域的共性技术与关键技术、加快科技成果转化与产业化、推进行业技术进步,促进民航早日建成创新型行业,为实现“一带一路”战略、“走出去”战略以及民航强国战略等发挥支撑作用。

希翼到2035年,以机场建设集团及其工程中心为龙头的机场整体科技实力达到世界先进水平,造就一流水准的机场工程领域科技人才团队;建成优势明显、特色突出的创新平台与交流平台;建设和发展机场工程技术创新与应用验证基地示范;打造机场工程领域的基础技术研究基地、应用技术开发基地、成果转化效益基地、核心技术产业基地、创新人才发展基地;成为民航和国家创新体系中的主力军,成为国际一流的工程中心。

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