技术领域
[0001] 本
发明属于机场道面分析技术领域，尤其涉及一种机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法。
背景技术
[0002] 目前，业内常用的
现有技术是这样的：飞机大型化和航空交通量的快速增长，导致机场道面结构的破损更加明显的呈现在我们面前。从目前国内外的机场营运状况来看，相当多的机场道面在未达到设计使用年限前，路面结构就过早的出现裂缝、形变而失去使用价值，常常会带来巨大的维修压
力和经济负担。1992年波音公司开始致力于开发大飞机，而当时的机场道面状况面临着能否承受大飞机荷载等技术难题，在此背景下，美国FAA和波音公司建立了一个合作研究和开发的协议，成立了美国机场道面试验中心NAPTF，主要进行不同路面结构的足尺试验研究。
[0003] 综上所述，现有技术存在的问题是：
[0004] 飞机大型化和航空交通量的快速增长，导致机场道面结构的破损更加明显的呈现在面前，现有的机场道面在未达到设计使用年限前，路面结构会出现裂缝、形变而失去使用价值，而现有技术不能进行提前预测，会带来巨大的维修压力和经济负担。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法。
[0006] 本发明是这样实现的，一种机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法，所述机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法为：
[0007] 运用元胞自动机模型分析机场道面破坏模式的边界传递效应、尺寸效应及变异效应和道面厚度对机场道面破坏模式的影响；
[0008] 通过
机器学习方法构建机场跑道横断面不可见部分变形的动态演变过程模型，同时进行变厚度、幅值参数分析；
[0009] 通过
有限元分析对机场道面破坏模式进行检验。
[0010] 进一步，所述元胞自动机模型由若干小单元构成的动态阵列，其中每一个单元具有有限个状态，在离散步序中，每一小单元按一致的法则，由原状态及邻域单元的状态决定新的状态。
[0011] 进一步，通过机器学习方法构建机场跑道横断面不可见部分变形的动态演变过程模型，同时进行变厚度、幅值参数分析包括：
[0012] 步骤一、建立物理模型及控制方程：根据机场跑道横断面建立三层板物理模型，之后根据Lamb波
波动方程与边界条件得到关于上下机场跑道横断
面层厚、
频率和
波速的控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，利用Matlab数值计算
软件分析控制方程；
[0013] 步骤二、计算得出A0模态相速度只与机场跑道横断面厚层的层厚值有关的区间:利用控制方程和Matlab求出在固定max(h1，h2)时，每一个频率f下，min(h1，h2)变化时所得到的A0模态相速度值c，找出使得c的最大值与最小值之差小于等于ε0时对应的频率值；再连续改变max(h1，h2)，找出每个max(h1，h2)值时满足上述条件的频率值与对应的c；所有找到的点的集合即为所求区间；
[0014] 步骤三、利用处于上述区间内的Lamb波频率与相应的A0模态相速度值，代入控制方程确定机场跑道横断面厚层的层厚值；
[0015] 步骤四、根据上下机场跑道横断面表面关于对称处点的A0模态纵向位移幅值大小关系确定机场跑道横断面厚层与机场跑道横断面薄层在上下表面的分布情况；
[0016] 步骤五、在已知机场跑道横断面厚层的层厚值的条件下，根据Lamb波频率与探测得到的S0模态相速度值,利用控制方程确定机场跑道横断面薄层的层厚值。
[0017] 进一步，所述步骤一建立物理模型及控制方程的具体方法为：
[0018] 建立物理模型为三层板结构，其中
中间层为旋翼，上下层为机场跑道横断面；
[0019] Lamb波波动方程为 其中Cli，Cti(i＝1,2,3)为层中的纵波和横波波速； 为拉普拉斯算子，λi，μi为
拉梅常数；由Lamb
波波动方程可知，各层中沿x方向传播的行波解可以表示为：
其中 k＝
ω/C,C为沿x方向行波速度，ω为
声波角频率；
[0020] 利用行波解与位移和
应力的关系，代入边界条件，得到最后只与上下表面机场跑道横断面层厚h1、h2，频率f，和波速c有关的控制方程，即f(h1，h2，f，c)＝0。
[0021] 进一步，所述步骤一中利用Matlab数值计算软件分析控制方程的具体方法为：
[0022] 控制方程f(h1，h2，f，c)＝0的分析可以通过固定其中任意2个变量，利用Matlab得到另外2个变量的关系曲线，通过分析该关系曲线来判断变量之间的关系。
[0023] 本发明的另一目的在于提供一种实现所述机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法的
计算机程序。
[0024] 本发明的另一目的在于提供一种实现所述机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法的信息
数据处理终端。
[0025] 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法。
[0026] 本发明的另一目的在于提供一种实现所述机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法的机场道面变形与开裂模式人工智能分析系统。
[0027] 综上所述，本发明的优点及积极效果为：
[0028] 本发明提高了机场道面使用
质量，为道面养护和维修提供必要的参考，为机场安全、顺畅、快捷运行提供保证，提高航空运输能力，促进经济的快速发展；延长机场跑道使用寿命，节省大量维修、养护
费用。
[0029] 本发明通过机器学习方法构建机场跑道横断面不可见部分变形的动态演变过程模型，同时进行变厚度、幅值参数分析包括：
[0030] 步骤一、建立物理模型及控制方程：根据机场跑道横断面建立三层板物理模型，之后根据Lamb波波动方程与边界条件得到关于上下机场跑道横断面层厚、频率和波速的控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，利用Matlab数值计算软件分析控制方程；
[0031] 步骤二、计算得出A0模态相速度只与机场跑道横断面厚层的层厚值有关的区间:利用控制方程和Matlab求出在固定max(h1，h2)时，每一个频率f下，min(h1，h2)变化时所得到的A0模态相速度值c，找出使得c的最大值与最小值之差小于等于ε0时对应的频率值；再连续改变max(h1，h2)，找出每个max(h1，h2)值时满足上述条件的频率值与对应的c；所有找到的点的集合即为所求区间；
[0032] 步骤三、利用处于上述区间内的Lamb波频率与相应的A0模态相速度值，代入控制方程确定机场跑道横断面厚层的层厚值；
[0033] 步骤四、根据上下机场跑道横断面表面关于对称处点的A0模态纵向位移幅值大小关系确定机场跑道横断面厚层与机场跑道横断面薄层在上下表面的分布情况；
[0034] 步骤五、在已知机场跑道横断面厚层的层厚值的条件下，根据Lamb波频率与探测得到的S0模态相速度值,利用控制方程确定机场跑道横断面薄层的层厚值。可获得机场跑道横断面不可见部分变形的厚度、幅值参数。
附图说明
[0035] 图1是本发明
实施例提供的机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法
流程图；
[0036] 图2是本发明实施例提供的机场
混凝土道面试验道面厚度示意图；
[0037] 图3是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验设计曲线图；
[0038] 图4是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验施工曲线图；
[0039] 图5是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验效果图；
[0040] 图6是本发明实施例提供的
沥青跑道塑性变形累积试验对比图。
具体实施方式
[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042] 下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。
[0043] 如图1所述，本发明实施例提供的机场道面变形与开裂模式人工智能分析方法为：
[0044] S101：运用元胞自动机模型考察机场道面破坏模式的边界传递效应、尺寸效应及变异效应和道面厚度对机场道面破坏模式的影响；
[0045] S102：通过机器学习方法构建机场跑道横断面不可见部分变形的动态演变过程，同时做变厚度、幅值参数分析；
[0046] S103：通过有限元分析对机场道面两种典型破坏模式的预测进行检验分析。
[0047] 本发明实施例提供的元胞自动机是时间和空间都离散的数学模型，可看作由若干小单元构成的动态阵列，其中每一个单元具有有限个状态，在离散步序中，每一小单元按一致的法则，由其原状态及其邻域单元的状态决定新的状态；主要功能在于：可由局部特性及简单的一致性法则模拟、处理总体上具有高复杂性的离散过程和现象。
[0048] 图2是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验道面厚度；
[0049] 图3是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验设计曲线；
[0050] 图4是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验施工曲线；
[0051] 图5是本发明实施例提供的机场混凝土道面试验效果；
[0052] 图6是本发明实施例提供的沥青跑道塑性变形累积试验对比。
[0053] (a)本发明实施例提供的沥青跑道塑性变形累积试验对比曲线一；(b)本发明实施例提供的沥青跑道塑性变形累积试验对比曲线二。
[0054] 本发明实施例提供的通过机器学习方法构建机场跑道横断面不可见部分变形的动态演变过程模型，同时进行变厚度、幅值参数分析包括：
[0055] 步骤一、建立物理模型及控制方程：根据机场跑道横断面建立三层板物理模型，之后根据Lamb波波动方程与边界条件得到关于上下机场跑道横断面层厚、频率和波速的控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，利用Matlab数值计算软件分析控制方程；
[0056] 步骤二、计算得出A0模态相速度只与机场跑道横断面厚层的层厚值有关的区间:利用控制方程和Matlab求出在固定max(h1，h2)时，每一个频率f下，min(h1，h2)变化时所得到的A0模态相速度值c，找出使得c的最大值与最小值之差小于等于ε0时对应的频率值；再连续改变max(h1，h2)，找出每个max(h1，h2)值时满足上述条件的频率值与对应的c；所有找到的点的集合即为所求区间；
[0057] 步骤三、利用处于上述区间内的Lamb波频率与相应的A0模态相速度值，代入控制方程确定机场跑道横断面厚层的层厚值；
[0058] 步骤四、根据上下机场跑道横断面表面关于对称处点的A0模态纵向位移幅值大小关系确定机场跑道横断面厚层与机场跑道横断面薄层在上下表面的分布情况；
[0059] 步骤五、在已知机场跑道横断面厚层的层厚值的条件下，根据Lamb波频率与探测得到的S0模态相速度值,利用控制方程确定机场跑道横断面薄层的层厚值。
[0060] 所述步骤一建立物理模型及控制方程的具体方法为：
[0061] 建立物理模型为三层板结构，其中中间层为旋翼，上下层为机场跑道横断面；
[0062] Lamb波波动方程为 其中Cli，Cti(i＝1,2,3)为层中的纵波和横波波速； 为拉普拉斯算子，λi，μi为拉梅常数；由Lamb
波波动方程可知，各层中沿x方向传播的行波解可以表示为：
其中 k＝
ω/C,C为沿x方向行波速度，ω为声波角频率；
[0063] 利用行波解与位移和应力的关系，代入边界条件，得到最后只与上下表面机场跑道横断面层厚h1、h2，频率f，和波速c有关的控制方程，即f(h1，h2，f，c)＝0。
[0064] 所述步骤一中利用Matlab数值计算软件分析控制方程的具体方法为：
[0065] 控制方程f(h1，h2，f，c)＝0的分析可以通过固定其中任意2个变量，利用Matlab得到另外2个变量的关系曲线，通过分析该关系曲线来判断变量之间的关系。
[0066] 所述步骤二中计算得出A0模态相速度只与机场跑道横断面厚层的层厚值有关的区间的方法为：
[0067] 首先根据控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，利用Matlab求出不同h1，h2值下A0模态频散关系曲线；从频散关系曲线中得出，当Lamb波半
波长大于旋翼厚度时，A0模态相速度受到上下层机场跑道横断面共同的影响或者出现上下层机场跑道横断面厚度变化不影响A0模态相速度的情况，对于这2种情况都无法用来准确判断
覆盖层层厚，因此探测用Lamb波半波长应小于旋翼厚度；
[0068] 当Lamb波半波长小于旋翼厚度时，根据控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，固定频率f，可以得到h1取不同值时，h2与A0模态相速度的关系曲线；从h1，h2对A0模态相速度值c的影响可以得出，max(h1，h2)值对A0模态相速度值的影响明显占优，而min(h1，h2)值对A0模态相速度值影响微弱，并且在max(h1，h2)值固定时，随着频率的增加，min(h1，h2)值对A0模态相速度值影响减小；
[0069] 对于控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，若max(h1，h2)值固定，由于对称性，不妨认为h1固定，每一个频率f下，都能求出h2与A0模态相速度的关系曲线，即f(h2，c)＝0；当频率值为f0时，A0模态相速度中最大值与最小值之差δ等于某一预设小值ε0时(ε0是这样确定的：理论中当ε0为0时，则代表机场跑道横断面薄层对A0模态相速度没有影响；而在实际中，由于误差的存在，以及仪器对于探测相速度的
精度限制，该值只要比实际测量中相速度的精度小即可)，此时可忽略机场跑道横断面薄层对A0模态相速度c的影响，并且由于频率越大，δ越小，使得在大于频率值f0时，AO模态相速度可认为只受到机场跑道横断面厚层的层厚值影响；当机场跑道横断面厚层的层厚值连续取值时，可以绘制出一条曲线L0，其横坐标为上述频率值f0，纵坐标为机场跑道横断面薄层对A0模态相速度影响可忽略时的A0模态相速度c；并且处于该曲线下方的频率与A0模态相速度点只与机场跑道横断面厚层的层厚度对应，而与机场跑道横断面薄层的层厚无关；
[0070] 根据f(h1，h2，f，c)＝0，得出c＝g(h1，h2，f)，已知当f≥f0时，覆盖机场跑道横断面薄层的层厚值对A0模态相速度影响可忽略，则(由于对称性，不妨设机场跑道横断面薄层的层厚值为h2)c＝g(h1，f)，该函数即A0模态相速度只与机场跑道横断面厚层的层厚值有关的区间。
[0071] 所述步骤三、利用处于上述区间内的Lamb波频率与相应的A0模态相速度值，代入控制方程确定机场跑道横断面厚层的层厚值的方法为：
[0072] 根据探测时Lamb波的中心频率与所得到的AO模态相速度值，若属于上述区间，则具有机场跑道横断面薄层对A0模态相速度影响可忽略的性质，即此时A0模态相速度与机场跑道横断面厚层的层厚有对应关系，即 若不属于上述区间，则此时A0模态相速度受到较厚层层厚与较薄层层厚共同影响，无法准确判断覆盖机场跑道横断面层厚，应当增加中心频率，使得频率与A0模态相速度值处于上述区间内；若所得到的A0模态相速度等于机场跑道横断面中Rayleigh波波速时，根据Rayleigh波的特性，可知此时频率过高，应降低探测时Lamb波的中心频率。
[0073] 所述步骤四确定机场跑道横断面厚层与机场跑道横断面薄层在旋翼上下表面的分布情况的方法为：
[0074] 由控制方程f(h1，h2，f，c)＝0可以得到的位移的表达式u＝f1(h1，h2，f)；利用Matlab可以求出在每一个频率下两个厚度值h1，h2取任意值时的位移情况；
[0075] 根据u＝f1(h1，h2，f)，通过对h1，h2在各频率下大量随机取值，可以得到不同h1，h2取值时上下机场跑道横断面表面同一x坐标处点的A0模态纵向位移幅值的大小关系；从所得关系可知，当Lamb波半波长小于旋翼厚度时，该幅值大小关系对应于层厚关系，即该位移幅值较大的那层覆盖机场跑道横断面层厚也较大，而位移幅值较小的那层覆盖机场跑道横断面层厚也较小，若位移幅值相等，则上下表面覆盖机场跑道横断面层厚也相等。
[0076] 所述步骤五利用控制方程确定机场跑道横断面薄层的层厚的方法为：
[0077] 根据控制方程f(h1，h2，f，c)＝0，由
权利要求5可知旋翼结
冰覆盖机场跑道横断面厚层的层厚值能够确定，不妨认为h1已经确定，即控制方程变为f(h2，f，c)＝0。若给定一个h2值，可以得出S0模态频散关系，即f(f，c)＝0；当h2连续取值时，可以得出薄层取不同层厚时的S0模态频散曲线，根据所得到的这些S0模态频散曲线可以找出S0模态相速度与覆盖机场跑道横断面层厚h2存在一一对应关系的频率段；利用处于该频率段的Lamb波探测覆盖机场跑道横断面的旋翼，根据f(h2，f，c)＝0，此时频率为已知量，则可以根据f(h2，c)＝0关系，通过得到的S0模态相速度来确定机场跑道横断面薄层的层厚值。
[0078] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
[0079] 实施例1
[0080] 机场混凝土道面试验
[0081] 1992年波音公司开始致力于开发大飞机，而当时的机场道面状况面临着能否承受大飞机荷载等技术难题，在此背景下，美国FAA和波音公司建立了一个合作研究和开发的协议，成立了美国机场道面试验中心NAPTF(National Airport Pavement Testing Facility)，主要进行不同路面结构的足尺试验分析。
[0082] NAPTF位于大西洋城市国际机场的威廉休斯技术中心，NAPTF设计为一个室内直线式加载试验中心。
[0083] 实施例2
[0084] 机场混凝土道面试验
[0085] 直线试槽长为274m，加载方式为往返重复加载，试槽宽度设置为18.3m，试槽深设置为2.7m至3.7m，试槽内铺筑了三种不同CBR值的路基，由3％-40％。
[0086] 通过足尺试验来以分析大飞机对机场道面的影响，主要有三个目标：
[0087] 1)为新的机场路面厚度设计程序提供更多的数据；
[0088] 2)为飞机
起落架的设计和配置研究提供充分的足尺试验数据，以检查路面响应和破坏的信息；
[0089] 3)提供技术资料，重新审视CBR的设计方法在机场柔性道面上的应用。
[0090] 在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、
硬件、
固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、
计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个
网站站点、计算机、
服务器或
数据中心通过有线(例如同轴
电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、
微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是
磁性介质，(例如，
软盘、
硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者
半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
[0091] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
