機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)課程作業(yè)

問答題：1、簡述航空運(yùn)輸系統(tǒng)的組成。航空運(yùn)輸系統(tǒng)包括：飛機(jī)系統(tǒng)、機(jī)場〔空中港〕系統(tǒng)、空中交通管理系統(tǒng)和飛行航線四個(gè)局部。這四個(gè)局部有機(jī)結(jié)合，分工協(xié)作，共同完成航空運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)。飛機(jī)是航空運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)載工具。按運(yùn)輸類型的不同，民用飛機(jī)可分為航線飛機(jī)〔運(yùn)送旅客和貨物的各種運(yùn)輸機(jī)，分客機(jī)和貨機(jī)及客機(jī)改裝成的客貨混裝的運(yùn)輸機(jī)〕和通用航空飛機(jī)〔用于除了進(jìn)行運(yùn)輸運(yùn)營的所有非軍事用途的航空活動(dòng)，比方工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)飛行、搶險(xiǎn)救災(zāi)、教學(xué)訓(xùn)練等效勞〕。機(jī)場〔空中港〕是提供飛機(jī)起飛、著陸、停駐、維護(hù)、補(bǔ)充給養(yǎng)及組織飛行保障活動(dòng)的場所，也是旅客和貨物的起點(diǎn)、終點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)。機(jī)場由飛行區(qū)、旅客航站區(qū)等組成?？罩薪煌ü芾硐到y(tǒng)是為了保證航空器飛行平安及提高空域和機(jī)場飛行區(qū)的利用效率而設(shè)置的各種助航設(shè)備和空中交通管制機(jī)構(gòu)及規(guī)那么?？罩薪煌ü苤茩C(jī)構(gòu)通常按區(qū)域、進(jìn)近、塔臺(tái)設(shè)置?？罩薪煌ü苤茩C(jī)構(gòu)及規(guī)那么包括飛行層的配備，垂直間隔和水平間隔的控制等。管制方式分程序管制和雷達(dá)管制。2、簡述機(jī)場系統(tǒng)的組成。機(jī)場，亦稱飛機(jī)場、空港，較正式的名稱是航空站。它是航空運(yùn)輸系統(tǒng)中運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)〔航線交匯點(diǎn)〕，是地面交通轉(zhuǎn)向空中交通〔反之亦然〕的接口，是航空運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響的接觸點(diǎn)〔空氣、噪聲、生態(tài)、水污染、土地等〕。機(jī)場系統(tǒng)的主要組成局部有飛行區(qū)和旅客航站區(qū)，其他的一些設(shè)施還包括貨運(yùn)區(qū)、機(jī)務(wù)維修設(shè)施、供油設(shè)施、空中交通管制設(shè)施、平安保衛(wèi)設(shè)施、救援和消防設(shè)施、行政辦公區(qū)、生活區(qū)、生產(chǎn)輔助設(shè)施、后勤保障設(shè)施、地面交通設(shè)施。1.飛行區(qū)分空中局部和地面局部。空中局部指機(jī)場的空域：包括進(jìn)場和離場的航路；地面局部包括跑道，滑行道，停機(jī)坪和登機(jī)門，各種保障飛行平安的設(shè)施、無線電同行導(dǎo)航系統(tǒng)和目視助航系統(tǒng)，以及一些為維修和空中交通管制效勞的設(shè)施和廠地，如機(jī)庫，塔臺(tái)，救援中心等。2.旅客航站區(qū)旅客航站去是旅客、貨物、郵件運(yùn)輸效勞設(shè)施所在的區(qū)域。包括航站樓〔聯(lián)接地面交通、辦理各種手續(xù)、聯(lián)接飛行的設(shè)施、營運(yùn)以及管理的場所〕，區(qū)內(nèi)設(shè)施還包括客機(jī)坪、候機(jī)樓、停車場等。還配備有旅館、銀行、公交車站、進(jìn)出港道路系統(tǒng)。3、機(jī)場跑道設(shè)計(jì)與城市、公路道路設(shè)計(jì)的異同。差異：跑道為滿足飛機(jī)的順利起降，根本都采用長距離的直線線路設(shè)計(jì)，而城市公路道路考慮到行車人員的駕駛體驗(yàn)與疲勞狀況，多為曲線設(shè)計(jì)，盡量防止長距離直線道路的設(shè)計(jì)；跑道方位在設(shè)計(jì)的時(shí)候主要受風(fēng)力負(fù)荷的影響；跑道構(gòu)型：有5種主要跑道構(gòu)型〔單條跑道、兩條平行跑道、兩條不平行或者交叉跑道、多條平行跑道以及多條平行及不平行或交叉跑道〕，跑道構(gòu)型的設(shè)計(jì)取決于：交通需求量。運(yùn)輸不很繁忙，且常年風(fēng)向相對(duì)集中的機(jī)場，只需單條跑道，運(yùn)輸非常繁忙的機(jī)場，那么需要兩條或多條跑道。跑道道面應(yīng)有適宜的粗糙度(抗滑性)和良好的平整度。跑道道面只有同時(shí)滿足強(qiáng)度、粗糙度和平整度三方面技術(shù)指標(biāo)的要求，才能保障現(xiàn)代飛機(jī)的起飛、降落時(shí)的平安、舒適，才能延長飛機(jī)和道面的使用壽命。共性：都受到周圍地形、工程開展規(guī)劃、可用面積大小以及周邊相應(yīng)根底設(shè)施狀況的影響。存在高速公路機(jī)場建設(shè)的情況，將跑道與高速公路緊密聯(lián)系在一起。以高速公路為根底,借用平直、寬闊的高速公路作為飛機(jī)起降跑道的“準(zhǔn)機(jī)場”。,使地面公路交通的功能實(shí)現(xiàn)了立體化。高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與飛機(jī)跑道的技術(shù)要求接近,高速公路建設(shè)無需做大的、質(zhì)的改動(dòng)。高速公路飛機(jī)跑道只需在寬度、縱橫坡度、路基高度、路面厚度〔強(qiáng)度〕等方面滿足飛機(jī)起降的要求即可。4、跑道方位最主要受哪些條件影響？最正確方位如何確定？跑道方位主要受①風(fēng)力負(fù)荷〔保證跑道使用率的重要因素〕②凈空條件〔保證飛機(jī)平安和跑道正常使用的主要因素〕的因素影響，同時(shí)還受到周圍地形、機(jī)場開展規(guī)劃、可用面積大小以及相鄰機(jī)場狀況的影響。跑道布置原那么：①在飛機(jī)著陸、滑行和起飛的過程中受到的干擾和延誤最?。虎趶暮秸緟^(qū)〔門位〕到跑道端部的滑行距離最??；③提供充分適當(dāng)?shù)某隹诨械?，使得著陸飛機(jī)占用跑道的時(shí)間最少，并沿盡可能短的路線到達(dá)門位；④保證著陸飛機(jī)不與起飛飛機(jī)相互干擾；⑤繁忙機(jī)場，應(yīng)設(shè)置單向平行滑行道；⑥滑行道路線盡可能防止穿過跑道最正確方位確定方法：風(fēng)向分析風(fēng)力負(fù)荷的要求：機(jī)場跑道應(yīng)保證風(fēng)力負(fù)荷不小于95%具體方法：①向機(jī)場或附近所在地〔新建機(jī)場〕氣象站收集不少于5年的風(fēng)向和風(fēng)速資料〔每天8次等時(shí)間間隔觀測的16個(gè)方向的風(fēng)速記錄〕；同時(shí)對(duì)云層高不高于152m和能見度小于等于1.61km的壞天氣予以注明；②將收集到的數(shù)據(jù)按不同方位和風(fēng)速編成統(tǒng)計(jì)表，分為全部天氣和壞天氣兩張，統(tǒng)計(jì)各不同方向和速度的風(fēng)出現(xiàn)的頻率；③根據(jù)統(tǒng)計(jì)表，繪制風(fēng)力負(fù)荷計(jì)算圖或者風(fēng)徽?qǐng)D；④找出風(fēng)力負(fù)荷最大的方向，即跑道的方向；5、跑道長度有哪些影響因素？對(duì)跑道長度起什么影響？影響跑道長度的因素大致可以從飛機(jī)、機(jī)場、大氣這三個(gè)方面來討論：〔一〕飛機(jī)①機(jī)型：發(fā)動(dòng)機(jī)推力〔油門〕飛機(jī)襟翼偏度②飛機(jī)起飛質(zhì)量③起飛爬升面上有障礙物：障礙物限制重〔二〕機(jī)場①停止道及凈空道②跑道特性〔1〕跑道縱坡〔2〕跑道外表特性③飛行區(qū)等級(jí)飛行區(qū)等級(jí)用兩個(gè)局部組成的編碼來表示，第一局部是數(shù)字，表示飛機(jī)性能所相應(yīng)的跑道性能和障礙物的限制。第二局部是字母，表示飛機(jī)的尺寸所要求的跑道和滑行道的寬度。對(duì)于跑道來說飛行區(qū)等級(jí)的第一個(gè)數(shù)字表示所需要的飛行場地長度，第二位的字母表示相應(yīng)飛機(jī)的最大翼展和最大輪距寬度?！踩炒髿猗亠L(fēng)順風(fēng)起降，跑道長度增加，風(fēng)速每增加9.26Km/h，長度增加7％；逆風(fēng)起降，跑道長度減少，風(fēng)速每增加9.26Km/h，長度減小3％；②氣溫在氣溫較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力隨溫度增加可保持根本不變；當(dāng)氣溫增加到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力隨氣溫的增加而減小。在氣溫較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力隨氣溫增加而減小的比例很大。氣溫每升高1℃，長度需增加1％。跑道長度計(jì)算氣溫：高溫使航班延誤起飛及減載起飛所造成的總損失等于跑道長度減短獲得的總受益。我國跑道長度計(jì)算氣溫：每年最熱月的每天最高氣溫的平均值，近期多年均值。③氣壓空氣壓力下降，所需跑道長度增大。跑道長度計(jì)算時(shí)，必需采用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)的實(shí)測氣壓，即相當(dāng)于計(jì)算氣溫的實(shí)測氣壓。6、表達(dá)機(jī)場障礙物限制面的作用和組成。為了飛機(jī)的平安起降和機(jī)場的正常使用，根據(jù)機(jī)場使用的飛機(jī)特性和助航設(shè)備的性能，對(duì)機(jī)場及其附近一定范圍規(guī)定了幾種稱為凈空障礙物限制面的平面、斜面用以限制機(jī)場周圍及其附近的建構(gòu)筑物，對(duì)超過障礙物限制面的物體應(yīng)進(jìn)行處理，有些機(jī)場由于客觀條件不易改變，某些物體如大山等突破了凈空障礙物限制面控制要求，規(guī)劃應(yīng)如實(shí)反映出突破的情況，以使在飛行程序編制時(shí)采取相應(yīng)措施，確保飛行平安。障礙物限制面由八個(gè)假想的無障礙限制面組成，分別是：錐形面、內(nèi)水平面、內(nèi)進(jìn)近面、進(jìn)近面、過渡面、內(nèi)過渡面、復(fù)飛面和起飛爬升面。規(guī)定和公布機(jī)場障礙物限制面，限制機(jī)場及其周圍地區(qū)物體的高度，對(duì)保證飛機(jī)起飛降落的平安，有效利用機(jī)場，提高總體效益具有重要意義。原那么上，盡量不對(duì)障礙物進(jìn)行削減，能通過設(shè)計(jì)起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序避開障礙物的，最好不進(jìn)行處理，確實(shí)不能避開的，要通過仔細(xì)的性能分析后確定是否需要削減。7、簡述飛行區(qū)容量的影響因素及增容方法。機(jī)場系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)施在一定時(shí)段內(nèi)〔通常1h，或1年或1天〕通過不同運(yùn)輸對(duì)象〔飛機(jī)、旅客、貨物等〕的最大能力，稱為容量或極限容量。影響因素：①空中交通管制：相關(guān)管制原那么的限制，如跑道上不容許同時(shí)有兩架飛機(jī)運(yùn)行、著陸優(yōu)先于起飛、同一飛行路徑的兩架飛機(jī)之間應(yīng)有足夠的水平間隔。跑道占用時(shí)間、飛機(jī)間隔距離/時(shí)間是影響跑道容量最主要的因素。②機(jī)隊(duì)組成：各類飛機(jī)的組成比例〔大小飛機(jī)的運(yùn)行次數(shù)〕；總運(yùn)行次數(shù)中著陸、著陸—離地、起飛各占的比例。③跑道布置及使用方案④環(huán)境因素：機(jī)場最低天氣標(biāo)準(zhǔn)——云層和能見度指標(biāo)；風(fēng)、跑道外表狀況、噪聲減除要求機(jī)場增容措施：〔1〕增加機(jī)場系統(tǒng)容量：建設(shè)新機(jī)場?！?〕擴(kuò)建現(xiàn)有機(jī)場設(shè)施：擴(kuò)建現(xiàn)有機(jī)場設(shè)施是增加機(jī)場系統(tǒng)容量的另一重要措施，也是機(jī)場當(dāng)局為適應(yīng)航空需求的增長而普遍采用的一種方法。擴(kuò)建現(xiàn)有機(jī)場設(shè)施包括了眾多方面，如擴(kuò)建跑道系統(tǒng)、停機(jī)坪位、改良滑行道系統(tǒng)等飛行區(qū)的擴(kuò)建以及為適應(yīng)處理旅客設(shè)施的缺乏而擴(kuò)建航站樓或新建另一航站樓等等?！?〕航空需求科學(xué)管理①提供遠(yuǎn)程效勞設(shè)施②開展超級(jí)樞紐機(jī)場③簡化國際到達(dá)旅客手續(xù)④某些航空運(yùn)行的調(diào)整⑤短距航空運(yùn)輸?shù)钠渌绞交?〕頂峰時(shí)間管理①經(jīng)濟(jì)手段：頂峰時(shí)間的價(jià)格措施；頂峰時(shí)間使用權(quán)拍賣。②行政手段：頂峰時(shí)間交通配額；航空交通流量控制；限制通用航空飛機(jī)的運(yùn)行?！?〕改良相關(guān)技術(shù)措施及提高運(yùn)行效率包括改良飛機(jī)技術(shù)、航站樓設(shè)計(jì)、門位分配技術(shù)、航站處理系統(tǒng)技術(shù)。8、簡述機(jī)場噪聲的計(jì)量方法及降噪措施。噪聲計(jì)量主要按以下幾個(gè)指標(biāo)計(jì)量：聲壓,聲強(qiáng)I=P2ρC聲壓級(jí)；聲強(qiáng)級(jí)；聲功率級(jí)機(jī)場噪聲防治方法：〔1〕控制噪聲源：采用低噪聲襟翼；低噪聲起落架；采用吸聲和減震隔音設(shè)施；動(dòng)力消聲器等；啟用消音飛行程序和整體消音飛行程序；〔2〕控制跑道使用：交替使用各條跑道起降飛機(jī)，防止集中干擾一個(gè)地區(qū)；在起飛后和著陸前飛機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，避開居民密集區(qū)；〔3〕駕駛飛機(jī)采用必要措施：使用多級(jí)進(jìn)近飛行，盡可能晚些降低飛行高度；起飛后快速爬升高度；飛機(jī)離地并爬升到240m以上；減油門，但至少保持一臺(tái)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的最小爬升梯度；按規(guī)定收襟翼或縫翼；高于機(jī)場地面900m后，增速到航路爬升速度，過渡到正常航路爬升程序；〔4〕使用隔音措施隔離機(jī)場飛機(jī)維修實(shí)驗(yàn)場；建筑物本身的隔音材料和隔音結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；消音壁和樹林；研究說明，聲音穿越100m的樹林，衰減25～30dBA；9、結(jié)合課堂講解內(nèi)容，談?wù)剻C(jī)場平面布局的方法。機(jī)場的平面布局：為實(shí)現(xiàn)地面交通和空中交通的轉(zhuǎn)接，機(jī)場系統(tǒng)包括空域和陸域兩局部?？沼?yàn)楹秸緟^(qū)空域，供進(jìn)出機(jī)場的飛機(jī)起飛和降落，包括等待空域、進(jìn)近凈空。陸域包括飛行區(qū)、航站區(qū)和進(jìn)出機(jī)場的地面交通三局部。以下主要以跑道布局與航站樓布局加以討論；跑道布局：跑道方位確實(shí)定主要依據(jù)風(fēng)向的分析。要求機(jī)場跑道應(yīng)保證風(fēng)力負(fù)荷不小于95%跑道構(gòu)型取決于：交通需求量。運(yùn)輸不很繁忙，且常年風(fēng)向相對(duì)集中的機(jī)場，只需單條跑道，運(yùn)輸非常繁忙的機(jī)場，那么需要兩條或多條跑道。跑道長度設(shè)計(jì)：根據(jù)是否設(shè)置凈空道，停止道進(jìn)行計(jì)算，跑道長度應(yīng)該保證飛機(jī)在不利條件下平安起飛著陸。寬度要滿足飛機(jī)起飛著陸對(duì)跑道中心線的橫向偏移，橫斷面應(yīng)滿足排水要求，以及不危及飛行平安?；械涝O(shè)計(jì)：①道面寬度滿足最大主起落架外輪外側(cè)的間距加2倍主起落架外輪外側(cè)與滑行道道面邊緣的凈距。②彎道曲線半徑應(yīng)同飛機(jī)的滑行速度相適應(yīng)。③增補(bǔ)面的設(shè)計(jì)方法有：模型模擬法、數(shù)學(xué)計(jì)算法、圖解法〔圓弧—曲線法〕，主要確定兩個(gè)參數(shù)：圓弧半徑r和切線的起終點(diǎn)。機(jī)坪設(shè)計(jì)：〔1〕保證站坪和跑道間的滑行距離較短〔節(jié)省燃油、時(shí)間和維護(hù)〕；〔2〕容許飛機(jī)活動(dòng)自由以防止不必要的延誤；〔3〕為將來的擴(kuò)建和技術(shù)改變保存足夠面積；〔4〕使站坪對(duì)周圍環(huán)境的不良影響最小〔發(fā)動(dòng)機(jī)吹襲、噪聲、空氣污染〕航站樓——航站樓的布置:對(duì)于單條跑道，如果在每個(gè)方向的起飛和著陸次數(shù)大致相等，航站區(qū)設(shè)在跑道中部位置；對(duì)于兩條平行跑道，如果一條用于著陸，一條用于起飛，那么平行跑道宜錯(cuò)位布置；如果風(fēng)向要求多個(gè)方向的跑道，將航站樓設(shè)置在V型跑道或交叉跑道的中間；航站區(qū)不宜放在兩條跑道的外側(cè)，一方面增加了滑行距離，另一方面影響另一條跑道的正常使用。結(jié)合課堂學(xué)習(xí)，談?wù)勀銓?duì)機(jī)場規(guī)劃的認(rèn)識(shí)和疑惑?？傮w來說，機(jī)場規(guī)劃有以下一些根本的要求：飛行區(qū)設(shè)施和凈空應(yīng)符合平安運(yùn)行要求；航站區(qū)位置適中，并具備分期實(shí)施建設(shè)的方案；站坪機(jī)位與航站樓相協(xié)調(diào)，航空器地面運(yùn)行順暢；陸側(cè)交通便捷、有序；空域規(guī)劃可行，飛行程序設(shè)計(jì)合理，目視助航、通信、導(dǎo)航、航管、雷達(dá)和氣象設(shè)施配置適當(dāng)；航空器維修、貨運(yùn)、供油等輔助生產(chǎn)設(shè)施及消防、救援、平安保衛(wèi)設(shè)施布局合理，直接為航空器運(yùn)行、客貨效勞的設(shè)施靠近飛行區(qū)或站坪；供水、供電、供氣、供暖、制冷、排水、通信等公用設(shè)施與城市公用設(shè)施相銜接，各系統(tǒng)規(guī)模及路由能夠滿足機(jī)場開展需求；機(jī)場與城市間的交通連接順暢、便捷；機(jī)場內(nèi)供旅客、貨運(yùn)、航空器維修、供油等不同使用要求的道路設(shè)置合理，防止相互干擾；根據(jù)機(jī)場噪聲影響預(yù)測，做好機(jī)場內(nèi)及鄰近地區(qū)的土地使用規(guī)劃，保持機(jī)場與周邊地區(qū)協(xié)調(diào)開展；在滿足機(jī)場運(yùn)行和開展需要的前提下節(jié)約用地，盡可能少占耕地，減少拆遷；結(jié)合場地條件進(jìn)行規(guī)劃布局，豎向設(shè)計(jì)結(jié)合地形，公用設(shè)施管線布置合理；注意建筑群的相對(duì)集中和群體效果。機(jī)場規(guī)劃最重要的局部應(yīng)該是飛行區(qū)的設(shè)計(jì)，飛行區(qū)中就包括跑道，滑行道，機(jī)坪等。對(duì)于跑道的設(shè)計(jì)，可與我們的專業(yè)課公路設(shè)計(jì)進(jìn)行比照。首先跑道有5中主要的構(gòu)型，決定其構(gòu)型的主要因素是交通量的多少，這與公路設(shè)計(jì)的車道數(shù)有些類似，只是跑道的設(shè)計(jì)會(huì)有平行及不平行的方式。其中還有需要注意的是跑道方位的設(shè)計(jì)，這里比公路設(shè)計(jì)就多出一道程序，就是風(fēng)向分析。跑道長度應(yīng)該保證飛機(jī)在不利條件下平安起飛著陸。寬度要滿足飛機(jī)起飛著陸對(duì)跑道中心線的橫向偏移，橫斷面應(yīng)滿足排水要求，以及不危及飛行平安。機(jī)場的滑行道設(shè)計(jì)也是十分重要，其涉及一些需要嚴(yán)格控制的參數(shù)。同時(shí)，在道面材料方面，機(jī)場跑道設(shè)計(jì)與公路設(shè)計(jì)肯定也是有很大的區(qū)別，跑道的負(fù)荷要比車道大的多，所以其剛度和抗裂要求也會(huì)更高，其中也涉及到抗滑方面的要求。航站樓的設(shè)計(jì)更多的是要與乘客的需求以及容量分析相適應(yīng)，所以在進(jìn)行機(jī)場規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)機(jī)場未來的客運(yùn)量、貨郵運(yùn)量等航空業(yè)務(wù)量做出預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果確定機(jī)場所需各項(xiàng)設(shè)施，它們的規(guī)模和等級(jí)、合理的建設(shè)分期，這比擬適合與運(yùn)籌規(guī)劃的學(xué)科相結(jié)合考慮。課堂上還著重分析了航空業(yè)務(wù)量預(yù)測，機(jī)場容量分析延誤分析，這也是機(jī)場規(guī)劃很重要的一局部。根據(jù)航空業(yè)務(wù)量與影響它的各個(gè)主要因素之間相互關(guān)系，推測未來的航空業(yè)務(wù)量，將為規(guī)劃員以及決策者提供在各種影響因素的不同變化條件下預(yù)測量可能變動(dòng)的范圍，同時(shí)能夠?qū)τ绊懸蛩剡M(jìn)行排序。容量的分析對(duì)機(jī)場根底設(shè)施的建設(shè)有很大的影響，而延誤問題，得不到處理，將會(huì)影響航空業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行，需要進(jìn)行擴(kuò)容。對(duì)于這門課程，我也有自己的一些疑問。①對(duì)于當(dāng)今高速鐵路的迅速開展，勢必對(duì)航空運(yùn)輸會(huì)造成不曉得沖擊，航空似乎并不一定是最快的運(yùn)輸方式，而且在其便捷程度上，也無法與高速鐵路相媲美，這樣一來，航空運(yùn)輸應(yīng)該怎樣在逆境中就開展，迎合人們的需求？②機(jī)場的開展與環(huán)境保護(hù)的矛盾是客觀存在的，尤其是聲污染越來越得到人們的重視，在查閱文獻(xiàn)時(shí)也看到一些關(guān)于回收性道面的利用。就機(jī)場規(guī)劃與環(huán)境保護(hù)問題如何做到提早防范而不是被動(dòng)處理這一問題，應(yīng)該怎樣改善？③在一些中小城市的機(jī)場建設(shè)中面臨著很多的問題，比方土地資源的緊張，資金問題，建設(shè)布局的不合理，往往與大型樞紐機(jī)場存在很大的差距，所以中小型機(jī)場建設(shè)的必然性值得考慮。④機(jī)場與軌道交通的結(jié)合問題。二、計(jì)算題：設(shè)計(jì)某機(jī)場飛行區(qū)近期的平面尺寸并繪出平面示意圖。[前提]機(jī)場近期主要供B737—300和B757—200使用，但要保證IL86等較大的4D飛機(jī)也能偶爾使用。機(jī)場遠(yuǎn)期供B747—400等4E飛機(jī)使用。[題a]試確定跑道長度及凈空道長度。[]跑道長度按B757—200飛機(jī)最遠(yuǎn)航程3000km、備降機(jī)場距目的地機(jī)場500km的使用要求確定。飛機(jī)無燃油滿載質(zhì)量83.5t，平均燃油消耗0.0047t/km或4t/h。要求飛機(jī)在目的地機(jī)場不能著陸而飛至備降機(jī)場上空時(shí)還有飛行0.75h〔45分鐘〕的備份燃油。跑道平均縱坡i=0.005。機(jī)場最熱月平均最高氣溫=32.2℃=90F，最熱月平均氣壓P=87543。跑道端不設(shè)停止道，設(shè)凈空道。解:eq\o\ac(○,1)求跑道的氣壓高度根據(jù)P=87543KN/m2，從國際的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓表中可以查到：Hp=1219.2m=4000ft.eq\o\ac(○,2)求跑道長度計(jì)算用的飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量根據(jù)最遠(yuǎn)航程確定最大起飛質(zhì)量Mmax=83.5+3000*0.0047+500*0.0047+0.75*4=102.95t≈227000lb第二階段爬升梯度限制的最大起飛質(zhì)量.取δ=5o，由圖一種箭頭所示計(jì)算程序Tp→Hp→m，可得Mmax=232000lbMmax〉227000lb取δ=15o，由圖二中箭頭所示計(jì)算程序Tp→Hp→m，可得Mmax=221000lbMmax<227000lb由上可得，Mmax=232000lb，δ取5o.3.突發(fā)故障中斷起飛剎車時(shí)允許的最大的表速VMBE由圖中箭頭所示的計(jì)算程序Tp→Hp→m→i→Vw→VMBE〔其中飛行速度Vw=0〕得到VMBE=180.1kn〔海里/小時(shí)〕4.輪胎速度限制的最大起飛質(zhì)量.飛機(jī)輪胎速度限制為225mile/h，風(fēng)速為Vw=0.由四中箭頭所示計(jì)算程序Tf→Hp→Vw→m，得到Mmax=271000lb.5.初步確定飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量Mmax取最小值，得到Mmax=227000lb，以后檢驗(yàn)是否滿足V1〈180.1kneq\o\ac(○,3)求跑道長度全發(fā)起飛所需的跑道長度La.全發(fā)起飛所需的修正場地長度LaoLao是指正常起飛不考慮風(fēng)與跑道縱坡等影響所需的飛行區(qū)場地長度.根據(jù)δ為5o，TF=90F，Hp=4000ft，Mmax=227000lb由圖五中的箭頭所示計(jì)算程序Tf→Hp→Lao←Mmax得到Lao=9550ft≈2911m.起飛發(fā)生一故障所需修正場地長度Lbc起飛一發(fā)故障所需修正場地長度LbcoLbco是描述飛機(jī)出現(xiàn)一發(fā)故障不考慮風(fēng)與跑道縱坡等影響所需的平衡場地長度取δ=5o，空調(diào)關(guān)，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=227000lb，由圖七種箭頭所示計(jì)算程序Tf→Hp→Lbco←Mmax得到Lbco=10200ft=3109m起飛一發(fā)故障所需跑道長度.1計(jì)算圖分區(qū)，根據(jù)Tf=90o，Hp=4000ft，由圖可查得應(yīng)采用A區(qū)的計(jì)算圖2修正繼續(xù)起飛距離S`TO修正中斷起飛距離S`SO及決斷速度V1，S`TO，S`SO指不考慮風(fēng)和跑道縱坡等影響的繼續(xù)起飛和繼續(xù)起飛距離根據(jù)A區(qū)，δ=5o，Lbco=10200ft，由圖八中箭頭所示的計(jì)算程序S`TO←Lbco→S`SO及Lbco→V1，初步得到S`TO，S`SO及V1值.由于設(shè)置凈空道不設(shè)置停止道，S`TO應(yīng)該稍大于S`SO，使下一步得出Lb=Lc，得到S`TO=10200ft，S`SO=10000ft，V1=0.982VR3繼續(xù)起飛所需跑道的長度Lb.根據(jù)S`TO=10200ft，防水系統(tǒng)關(guān)，Vw=0，i=0.005，根據(jù)圖六中箭頭所示計(jì)算程序S`TO→Vw→i→Lc→Lb，得到lc=650ft=200m，得到Lb=10200ft4中斷起飛所需的跑道長度S`SO=10000ft，Vw=0，i=0.005由圖十一中箭頭所示計(jì)算程序S`SO→Vw→i→S`S得到S`S=10200ft，由于本機(jī)場沒有停止道，所以Lc=S`S=10200ft5初步確定起飛一發(fā)故障所需跑道長度Lbc及決斷速度V1，由于Lb=Lc=10200ft，取Lbc=10200ft，V1=0.9826檢查決斷速度是否符合要求a．決斷速度是否小于抬起前輪速度VR由于V1=0.982VR，所以V1〈VR是符合要求的b．決斷速度是否小于剎車能量限制的最大速度VMBEδ=5o，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=22700由圖十二所示計(jì)算程序Tf→Hp→Mmax→VR得到VR=148knV1=0.982*VR=145.336kn<180.1kn因此，Mmax=227000lb未超過剎車能量限制的最大起飛質(zhì)量C．決斷速度V1是否大于最小地面操縱速度VMCG根據(jù)Tf=90F，Hp=3000ft，Mmax=227000lb，由圖十三箭頭所示計(jì)算程序Tf→Hp→Mmax→VMCG得到VMCG=92.5kn因此V1>VMCG,符合要求7確定起飛一發(fā)故障所需跑道長度Lbc由于決斷速度V1符合要求，所以取Lbc=10200ft確定跑道長度LLa=9550ft，Lbc=10200ft，取大值那么有L=10200ft[題b]試確定跑道寬度和道肩寬度、防吹坪長度和寬度、升降帶長度和寬度、跑道端平安地區(qū)的長度和寬度。機(jī)場遠(yuǎn)期供4E飛機(jī)使用，基準(zhǔn)代碼是4，基準(zhǔn)代字取E,取跑道的寬度是45m，其兩側(cè)應(yīng)該設(shè)置寬度是7.5m的道肩在跑道入口之前要設(shè)置防吹坪，其寬度與跑道相同，取為60m，其長度為30m，不妨設(shè)30m.升降帶包括跑到=道和停止道，所以升降帶長度為3100m.查閱書中的表3-7得到代碼為4的跑道自跑道中線算起每側(cè)不許有固定物體的最小寬度為60m.又因?yàn)榇a3or4的儀表跑道的升降帶中平整范圍是離跑道中線至少有75m，對(duì)于代碼3or4的精密進(jìn)近儀表跑道的升降帶其平整范圍更大一些。那么升降帶可以設(shè)置為如下列圖所示:跑道端部平安地區(qū)的寬度應(yīng)該與升降帶的壓實(shí)寬度相同，取為150m，跑到端部平安地區(qū)的長度取凈空道長度200m.圍欄高2.5m，其位置應(yīng)該符合端凈空要求，因此升降帶應(yīng)該小于125m〔2.5/2%〕本機(jī)場凈空道長200m，圍欄應(yīng)該設(shè)置在距離跑道端200m處〔距離升降帶140m〕[題c]試確定站坪的平面尺寸及站坪邊緣距平行滑行道邊緣的凈距。[]客運(yùn)量450萬人/年，機(jī)型B737-300占80%、B757—200占20%、滿座率均為75%。站坪停機(jī)位除根據(jù)起降架次確定外，還要增加2個(gè)B737—300和1個(gè)B757—200的停機(jī)位。飛機(jī)前列式集結(jié)機(jī)頭垂直向內(nèi)停放。頂峰小時(shí)客運(yùn)量區(qū)全年客運(yùn)量的0.04%4500000*0.004%=1800人/小時(shí)站坪需要的停機(jī)位數(shù)目漢族要根據(jù)頂峰小時(shí)飛機(jī)起降架次確定.N=∑ni*ti/U確定參數(shù)值：飛機(jī)出發(fā)或者到達(dá)的架次占飛機(jī)起降總架次的0.65，機(jī)位利用系數(shù)U=0.6飛機(jī)占用機(jī)位時(shí)間t=0.75h下面計(jì)算飛機(jī)起降的平均架次，經(jīng)過查閱資料得到：B737-300中型飛機(jī)140座B757-200大型飛機(jī)220座η=1800N=0.65根據(jù)題意，站坪停機(jī)位數(shù)量B737-30012個(gè)B757-2004個(gè)站坪長度查閱資料得到:B737-300翼展28.08m，B757-200翼展38.06m停放飛機(jī)距臨近停放飛機(jī)7.5mL=28.28*12+38.06*4+7.5*15+7.5*2=619.9m取為620m站坪寬度1能停放伊爾-86〔較大的4D飛機(jī)〕，機(jī)身長56.1m2停放飛機(jī)的機(jī)頭與站坪邊緣相平3機(jī)尾后面設(shè)置5m寬行車道4機(jī)坪滑行道寬度23m5機(jī)坪滑行道中線距離車道邊緣40.5m5+40.5+56.1-11.5=90.1m90.1+23=113.1m取為120m5.確定站坪邊緣距離平行滑行道的距離，要保證將來B747-400等4E飛機(jī)使用要求進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，候機(jī)樓和平行滑行道的不需要拆遷，而戰(zhàn)坪邊緣距離平行滑行道的邊緣的凈距：72m[題d]試確定滑行道的布局、道面和道肩的寬度、轉(zhuǎn)彎半徑及彎道增補(bǔ)面尺寸。由于B737-300與B757-200在本機(jī)場著陸距離相差不大，因此跑道每端只設(shè)一條快速出口滑行道，距跑道每端1850m站坪長度較短，可只在站坪兩端設(shè)置通往滑行道的聯(lián)絡(luò)值，可根據(jù)如下草圖布置其中，滑行道中線與儀表跑道中線182.5m滑行道道面寬度23m，道面道肩總寬度44m，滑行帶總寬度95m，其中平整寬度跑道端部出口滑行道的平面尺寸參閱下面的表格及圖形供中型飛機(jī)使用的滑行道及彎道尺寸單位：m入口和出口滑行道寬度WTi26.5(WTa11.5,WTb15)彎道半徑R141.5R241.5Г053Г125Г225用應(yīng)力相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)估機(jī)場道面惡化KasthuriranganGopalakrishnan*,HalilCeylanandAlperGuclu愛荷華州立大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，353城鎮(zhèn)工程建設(shè)，Ames，IA50011-3232，美國〔2006年6月1日收稿;2007年2月23日最終版本收稿〕摘要：在這項(xiàng)研究中，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)〔ANN〕的方法被用來反演瀝青混凝土和非線性應(yīng)力相關(guān)的路基模量，這種方法來自于在美國聯(lián)邦航空管理局的全國機(jī)場道面試驗(yàn)設(shè)施〔NAPTF〕全面交通測試中獲得的無損檢測〔NDT〕數(shù)據(jù)。這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由軸對(duì)稱有限元路面結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果進(jìn)行培訓(xùn)。使用基于無損檢測結(jié)果的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模量，表征了模擬波音777〔B777〕和波音747〔B747〕飛機(jī)齒輪營運(yùn)對(duì)NAPTF柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)惡化的相對(duì)嚴(yán)重程度的影響。結(jié)果說明：只要機(jī)場路面結(jié)構(gòu)為采集可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)生足夠的撓度，使用力幅較小的無損檢測數(shù)據(jù)用于常規(guī)的機(jī)場路面結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)是可能的。關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);無損檢測;NAPTF;非線性;機(jī)場柔性路面系統(tǒng)1、介紹全國機(jī)場道面試驗(yàn)設(shè)施〔NAPTF〕位于美國聯(lián)邦航空管理局〔FAA〕的威廉·J·休斯技術(shù)中心，在美國新澤西州大西洋城國際機(jī)場附近。它以支持開發(fā)先進(jìn)機(jī)械為根底的機(jī)場路面設(shè)計(jì)程序而修建，基于健全的理論原那么和由相應(yīng)的全面試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的模型。第一組試驗(yàn)路面，被稱為建設(shè)周期1〔CC-1〕，由寬為18.3米，共274.3米長的九個(gè)儀表測試路面〔六組彈性和三個(gè)剛性〕組成。這九個(gè)測試路面是建立在三種不同的路基材料上：低強(qiáng)度〔指標(biāo)為加州承載比，CBR，4〕，中等強(qiáng)度〔指標(biāo)CBR為8〕和高強(qiáng)度〔指標(biāo)CBR為20〕。NAPTF為生成全面的測試數(shù)據(jù)而構(gòu)建，特別是支持受到新一代飛機(jī)〔NGA〕復(fù)雜的齒輪載荷配置的機(jī)場路面性能調(diào)查，例如波音777。在NAPTF第一組的交通量測試期間，在一條跑道模擬六輪架波音777〔B777〕起落架降落，并在另一條車道模擬四輪波音747〔B747〕起落架降落，并且同時(shí)營運(yùn)，直到測試路面被視為破壞。無損檢測〔NDTS〕同時(shí)使用落錘式彎沉儀〔FWDs〕和重型落錘式彎沉儀〔HWDs〕進(jìn)行路面和路基施工的均勻性記錄，以及監(jiān)測全面營運(yùn)對(duì)路面響應(yīng)和性能隨時(shí)間的影響。McQueen等人〔2001〕分析了在NAPTF取得的柔性路面無損檢測數(shù)據(jù)，并通過無損檢測的數(shù)據(jù)來評(píng)估力振幅下的無損檢測響應(yīng)和反算路基模量〔使用彈性分層方案為根底的反算軟件〕。為測試無損檢測響應(yīng)是否與增加的力是非線性的關(guān)系，在相同的位置評(píng)價(jià)4個(gè)負(fù)載〔40kN，60kN，82kN和115kN〕下的FWD數(shù)據(jù)以及在三個(gè)負(fù)載〔53kN，107kN和160kN〕下的HWD數(shù)據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)，無論是脈沖剛度模量〔ISM=負(fù)載板作用力的最大撓度比〕還是反算的路基模量都與FWD和HWD的力振幅保持相對(duì)恒定。在丹佛國際機(jī)場〔DIA〕〔Lee等，1998〕進(jìn)行的中心板儀表剛性路面HWD測試也得到了類似的結(jié)果?；谶@些觀察〔線性負(fù)載響應(yīng)行為〕，對(duì)柔性和剛性機(jī)場路面，McQueen等人〔2001〕提出，在原型飛機(jī)裝卸時(shí)使用無損檢測力振幅來評(píng)估機(jī)場路面可能不是必要的。有人還建議，機(jī)場路面能通過更輕的負(fù)載設(shè)備到達(dá)令人滿意的評(píng)價(jià)，如FWD，提供了可靠的傳感器記錄中獲得的足夠的響應(yīng)。因此，在NAPTF和DIA感性上的研究結(jié)果的根底上，只要所產(chǎn)生的撓度都在撓度傳感器的范圍之內(nèi)，脈沖負(fù)載的振幅似乎不是關(guān)鍵。路面層的厚度和材料類型是決定脈沖負(fù)載允許范圍的主要因素。因此，除非路面是很厚的硅酸鹽水泥混凝土〔PCC〕或是瀝青混凝土〔AC〕覆蓋著PCC構(gòu)架，F(xiàn)WD設(shè)備是最能被接受的，因?yàn)樗鼈兡軌驗(yàn)椴杉煽康臄?shù)據(jù)產(chǎn)生足夠的撓度〔2004FAA〕。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究使用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)〔ANN〕的方法，根據(jù)NAPTF全面交通測試中獲得的FWD數(shù)據(jù)來反算瀝青混凝土和路基模量。結(jié)果可用于檢查波音777和波音B747的營運(yùn)對(duì)NAPTF柔性路面段中結(jié)構(gòu)狀況〔反算模量〕的破壞性影響。2、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反算模型在柔性路面的分析和設(shè)計(jì)中使用的彈性層狀方案〔ELPs〕將路面作為彈性多層介質(zhì)，并假設(shè)路面材料是線彈性，均勻和各向同性的。然而，未結(jié)合的顆粒材料和細(xì)粒路基土，簡稱路面巖土材料，不遵循線性應(yīng)力-重復(fù)交通荷載下的應(yīng)變特性。未結(jié)合顆粒材料和粘性細(xì)粒土基回彈模量的非線性或應(yīng)力相關(guān)性說法一直是很完善的〔Brown和Pappin1981年，Thompson和Elliot1985年，GARG等，1998〕。未結(jié)合的骨料表現(xiàn)出應(yīng)力硬化型行為，而細(xì)粒路基土表現(xiàn)出應(yīng)力軟化型的行為。以前的研究已經(jīng)說明在NAPTF中的底層鋪裝層是非線性。Gomez-Ramirez和Thompson(2002)通過單獨(dú)分析個(gè)別層壓縮的多深彎沉儀〔MDD〕讀數(shù)，提出NAPTF中存在材料的非線性。Garg和Marsey(2002)在NAPTF的柔性測試局部中，也觀察到類似的顆粒和路基層的應(yīng)力相關(guān)的性質(zhì)。因此，路面結(jié)構(gòu)模型可以考慮用非線性巖土材料來表征，如ILLI-PAVE有限元程序〔Raad和Figueroa1980〕，需要可被用來實(shí)行NAPTF路面結(jié)構(gòu)分析，以及需要更實(shí)際的路面響應(yīng)預(yù)測來做以機(jī)械為根底的路面設(shè)計(jì)。有人用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)來自于NAPTF柔性路面的FWD數(shù)據(jù)進(jìn)行反算非線性路面結(jié)構(gòu)層模量做了一項(xiàng)研究。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越來越多地被用來解決資源密集型的復(fù)雜問題，以替代使用諸如回歸法等較傳統(tǒng)的方法。多年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為成功的計(jì)算工具，用于研究大局部的路面工程問題〔Meier和Rix1995,Gucunski和Krstic1996,Khazanovich和Roesler1997,Meier等人1997,Kim和Kim1998,Ceylan2002,Ceylan等人2004〕。在這項(xiàng)為指導(dǎo)國家公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)〔AASHTO〕的新項(xiàng)機(jī)械經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)的開展中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被公認(rèn)為是非傳統(tǒng)的，但非常強(qiáng)大的計(jì)算方法，并用于編制混凝土路面分析軟件包。在愛荷華州立大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)，最近的研究都集中與開展基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向和反算公路柔性路面分析模型，用于預(yù)測臨界路面響應(yīng)和個(gè)別路層的模量〔Ceylan等人，2005〕。Gopalakrishnan和Thompson〔2006〕和Gopalakrishnan等人〔2006〕成功地展示了用基于ANN的方法反算來自HWD測試數(shù)據(jù)的機(jī)場柔性路面結(jié)構(gòu)層模量，并朝著NAPTF柔性路面的局部進(jìn)行針對(duì)性的研究。在目前的研究中，ANN模型最初開發(fā)和驗(yàn)證是用于預(yù)測公路柔性路面在40kN的FWD彎沉盆下的路面結(jié)構(gòu)層模量，用在NAPTF全面交通測試中獲得的40kN的FWD數(shù)據(jù)，來反算柔性路面結(jié)構(gòu)層模量。這些ANN模型已經(jīng)得到了綜合的培訓(xùn)，并在大范圍內(nèi)對(duì)鋪裝層的性能進(jìn)行了測試，因此，預(yù)計(jì)能在NAPTF試驗(yàn)段產(chǎn)生切實(shí)的反算結(jié)果。FWD/HWD的測試是對(duì)結(jié)構(gòu)完整性和現(xiàn)有路面的承載能力進(jìn)行評(píng)估。從FWD/HWD測量中獲得的路面彎沉輪廓，可用于反算路面結(jié)構(gòu)層剛度，同樣可以用來估計(jì)路面的剩余壽命。目前，沒有封閉形式的解決方案以實(shí)現(xiàn)反算?，F(xiàn)在，彈性分層分析常用于大多數(shù)反算軟件，通常采用彎沉盆相配的方法來預(yù)測層模量。在這種方法中，結(jié)構(gòu)層模量最初是假設(shè)的，理論外表撓曲由計(jì)算得來。通過一系列的迭代，結(jié)構(gòu)層的模量有所改變，并且將所計(jì)算的撓度與測得的撓度進(jìn)行比擬，直到在允許范圍內(nèi)得到一個(gè)接近的值。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，并且不會(huì)得到單獨(dú)的結(jié)構(gòu)層模量值，因?yàn)榭梢杂幸粋€(gè)以上的組合層模量，使理論值和測量的外表撓度變的接近。雖然，基于ANN模型已經(jīng)成功地在過去應(yīng)用于由FWD數(shù)據(jù)反算路面模量〔Meier等人，1997〕，但是他們沒有考慮到，實(shí)際巖土材料對(duì)應(yīng)力敏感的性質(zhì)作為ELP生成的合成數(shù)據(jù)庫，被用來培訓(xùn)ANN。因此，可以考慮到巖土材料非線性和應(yīng)力相關(guān)特性的ILLI-PAVE有限元程序，被用來生成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，以準(zhǔn)確地從實(shí)際的FWD彎沉輪廓來預(yù)測路面結(jié)構(gòu)層模量。3、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)和測試數(shù)據(jù)集的生成ILLI-PAVE是在伊利諾伊大學(xué)〔Raad和Figueroa1980〕開發(fā)的，是一種在柔性路面結(jié)構(gòu)分析中常用的軸對(duì)稱有限元〔FE〕程序。它將路面作為一個(gè)二維軸對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體模型，并對(duì)粒狀材料和細(xì)粒土采用非線性應(yīng)力相關(guān)的模型和破壞準(zhǔn)那么。許多研究已經(jīng)驗(yàn)證了，軸對(duì)稱ILLI-PAVE模型為圓形輪裝載下的公路和機(jī)場路面提供了一個(gè)切實(shí)的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測〔Thompson和Elliot1985，Thompson1992，Garg等人，1998〕。因此在本研究中，ILLI-PAVE有限元模型被用作解決柔性路面彎沉，其他臨界路面應(yīng)力以及一個(gè)車輪施加載荷下的應(yīng)變的先進(jìn)結(jié)構(gòu)模型。我們的目標(biāo)是建立一個(gè)ILLI-PAVE響應(yīng)解決方案的數(shù)據(jù)庫，并能最終構(gòu)成訓(xùn)練和測試的數(shù)據(jù)集，用于開發(fā)基于ANN的結(jié)構(gòu)模型快速反算分析。一個(gè)普通的三層柔性路面結(jié)構(gòu)，由一個(gè)AC面層，級(jí)配碎石基層和由ILLI-PAVE建模的路基層組成。頂面的AC層使用楊氏模量EAC和泊松比n表征的線性彈性材料。該K-y模型〔希Hicks和Monismith1971〕用來表征未結(jié)合碎石層的非線性模型：E其中ER是彈性模量，θ=σ1+σ2+σ3=σ1+2σ3=體力，p0為單位壓力〔1kPa〕，用來使模型中的應(yīng)力無量綱化，K和n是從粒狀材料的重復(fù)荷載三軸測試數(shù)據(jù)中獲得的多元回歸常數(shù)。根據(jù)Rada和Witczak〔1981〕的工作提供的綜合顆粒材料數(shù)據(jù)庫，使用下面的公式，K和n的模型參數(shù)可以關(guān)聯(lián)到只有一個(gè)模型參數(shù)表征的非線性應(yīng)力相關(guān)的行為〔RadaLog因此，良好質(zhì)量的顆粒材料，如碎石，表現(xiàn)出較高的K值和低的n值，而相對(duì)適用于較低質(zhì)量的集料。根據(jù)Rada和Witczak后來的研究〔1981〕，K值常用的范圍為20.7至82.7MPa，相應(yīng)的n值由公式〔2〕獲得。細(xì)粒土被認(rèn)為是“無摩擦”的，但只有凝聚力的材料常用雙線性模型〔Thompson和Elliot1985〕為彈性模量建模：其中是ERi是斷點(diǎn)彈性模量，σD是斷點(diǎn)偏應(yīng)力〔σd=σ1-σ3〕，σdi是斷點(diǎn)偏應(yīng)力，K1和K2是統(tǒng)計(jì)學(xué)中從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定的系數(shù)。如由Thompson和Elliot〔1985因此，瀝青混凝土彈性模量EAC，顆粒基層K-y模型的參數(shù)K和路基土的斷點(diǎn)偏應(yīng)力ERi，在所有不同的柔性路面ILLI-PAVE運(yùn)作中，作為雙線性模型中結(jié)構(gòu)層剛度的輸入值。40kN的車輪施加的荷載作為在半徑為152毫米圓形區(qū)域552kPa的均勻壓力，模擬倒傳遞類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型〔Haykin1999〕在此研究中接受了ILLI-PAVE合成數(shù)據(jù)庫解決方案的培訓(xùn)，并作為預(yù)測柔性路面結(jié)構(gòu)層模量的快速分析工具。倒傳遞類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來開發(fā)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的ANN結(jié)構(gòu)模型，利用FWD撓曲數(shù)據(jù)和路面結(jié)構(gòu)層厚度來預(yù)測路面結(jié)構(gòu)層的模量〔EAC和ERi〕。有兩個(gè)隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是根據(jù)這些網(wǎng)絡(luò)之前取得的令人滿意的結(jié)果而專門選擇的，考慮到他們的能力可以更好地促進(jìn)非線性函數(shù)的映射〔Ceylan2002我們對(duì)幾個(gè)有兩個(gè)隱含層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了培訓(xùn)?？傮w而言，培訓(xùn)和測試的均方誤差〔MSEs〕隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大小的增長和隱藏層越來越多的神經(jīng)元而降低。測試的均方誤差在一般情況下比培訓(xùn)過的略低。當(dāng)隱藏節(jié)點(diǎn)的數(shù)目接近60，培訓(xùn)集和測試集的誤差水平十分接近。在這項(xiàng)研究中，8-60-60-1〔八個(gè)輸入，兩個(gè)隱含層，每層有60個(gè)隱藏神經(jīng)元和一個(gè)輸出〕被選中作為ANN模型的最正確體系結(jié)構(gòu)，這基于其最低的培訓(xùn)和測試的均方誤差，只有1×10-4次〔對(duì)應(yīng)于一個(gè)均方根誤差，值為0.3％〕，且對(duì)于EAC和ERi這兩個(gè)輸出變量都是這樣。由于目標(biāo)是由現(xiàn)場測量的FWD撓曲數(shù)據(jù)來反算EAC和ERi，在最正確性能ANN結(jié)構(gòu)中的八個(gè)輸入值中，包括在降落位置〔0〕收集的6個(gè)FWD外表撓度值〔D0，D12，D24，D36，D48，D60，〕，和305毫米，610毫米，914毫米1219毫米，1524毫米的徑向偏移，以及兩個(gè)的路面層的厚度，AC層圖1描繪了8-60-60-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在第10000次培訓(xùn)時(shí)的預(yù)測能力。平均絕對(duì)誤差〔AAEs〕被算作通過1500次獨(dú)立測試模式的個(gè)體絕對(duì)誤差的總和。AC層模量的AAE較低，為1.25％，路基斷點(diǎn)模量ERi的AAE為3.46％。需要注意的是AC模量與最大的FWD外表撓度值D0是密切相關(guān)的，而路基模量在很大程度上與在偏移超過914毫米情況下的FWD外表撓度值有關(guān)。需要注意的是FWD外表撓度的幅度隨徑向偏移的增加而減小，對(duì)于測量的相對(duì)精度也是一樣的。最終結(jié)果，對(duì)正如圖1所示，對(duì)于兩種路面結(jié)構(gòu)層模量，幾乎所有的1500次ANN預(yù)測的數(shù)據(jù)都集中在相同的一條線上，從而說明了ANN培訓(xùn)適當(dāng)和優(yōu)異的性能。Ceylan等人〔2004〕對(duì)這項(xiàng)研究中采用的ANN反算模型的開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)地探討。在常規(guī)的FWD評(píng)價(jià)中應(yīng)用開發(fā)基于ANN的反算技術(shù)的一個(gè)主要好處就是,即使在現(xiàn)場也可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理和分析。在本研究中，ANN模型開發(fā)的速度是ILLI-PAVE有限元模型解決方案的兩倍左右，并且它們不需要冗長而詳細(xì)的有限元前后的處理任務(wù)。ANN反算模型的快速預(yù)測能力〔50000個(gè)FWD彎沉盆可以在不到1秒內(nèi)分析完〕，使它們成為在實(shí)時(shí)現(xiàn)場測試時(shí)分析FWD撓曲數(shù)據(jù)，從而評(píng)估該路段路面的狀況的完美工具。為了滿足這一研究的目的，開發(fā)這種ANN模型以適用于現(xiàn)場FWD數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由在NAPTF中采用六輪和四輪重型飛機(jī)齒輪負(fù)荷的柔性路面全面交通測試中所獲得。該NAPTF路面測試程序的說明如下。4、NAPTF柔性路面路段第一組的NAPTF測試路面，被稱為建設(shè)周期1〔CC-1〕，由九個(gè)儀表測試路面〔六組彈性和三個(gè)剛性〕組成，寬為18.3米，共274.3米長。在這項(xiàng)研究中，以下中等強(qiáng)度的路基柔性路面試驗(yàn)段被認(rèn)為是：〔a〕MFC，傳統(tǒng)的碎石基層柔性路面，以及〔b〕MFS，瀝青穩(wěn)定基層柔性路面。在這個(gè)研究中所考慮的兩個(gè)測試件構(gòu)造的剖視圖示于圖2。P-209〔碎石〕，P-154〔灰石混合粉礦〕和P-401〔廠拌瀝青路面〕等條目都符合美國聯(lián)邦航空局〔2004〕詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。P-401同時(shí)用于AC外表層，以及MFS局部的穩(wěn)定層中。一種在CL–CH〔液塑限〕土壤分類〔ASTM統(tǒng)一的土壤分類系統(tǒng)〕中被稱為杜邦粘土〔DPC〕的材料被用于中等強(qiáng)度的路基。天然存在的砂質(zhì)土壤物質(zhì)〔SW-SM土壤分類〕存在NAPTF根底下路基的每一層里。路基土P-209和P-154巖土材料的層次信息，實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)性能和材料特性的測試結(jié)果都包含在FAA的材料數(shù)據(jù)庫里〔可以在FAA機(jī)場科技網(wǎng)站：下載〕〔Hayhoe和Garg2001〕。5、NAPTF交通測試在十個(gè)月的驗(yàn)證，試航以及路面響應(yīng)測試后，NAPTF在1999年4月成型。第一個(gè)組的交通測試，簡稱CC-1交通測試，開始于2000年2月，并在2001年9月竣工。在CC-1交通測試中，一種帶有1372毫米的雙重間距和1448毫米的串聯(lián)間距的雙重三叉型〔B777〕的六輪起落架，裝載在北部輪距〔LANE2〕，而南側(cè)〔LANE5〕裝載有具有1118毫米雙重間距和1473毫米串聯(lián)間距的雙串聯(lián)型四輪〔B747〕起落架。該試驗(yàn)機(jī)與在第一輪的交通測試中所用的齒輪配置示于圖3。車輪的負(fù)荷設(shè)定為20412kg，每個(gè)輪胎的壓力為1295kPa。在整個(gè)交通測試程序中，行駛速度是8km/h。為了真實(shí)地模擬飛機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)的漂移模式，一種由66輛車輛行駛〔33行駛在東部方向，行駛33在西部方向〕組成的一個(gè)固定順序，安排在有260毫米間隔的9個(gè)等距漂移位置〔或軌道〕，以便在交通測試過程中使用。NAPTF的破壞準(zhǔn)那么是在美國陸軍工程兵部隊(duì)〔USCOE〕的多輪重型齒輪負(fù)荷〔MWHGL〕測試〔Ahlvin等人，1971〕下建立的。破壞被定義為相鄰的跑道至少存在25.4毫米的外表隆起。這是與路基的結(jié)構(gòu)或剪切破壞相聯(lián)系的。NAPTF試驗(yàn)路段可以營運(yùn)直到試驗(yàn)路段被破壞。6、無損檢測硬件和軟件技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯著改善了無損檢測的設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和分析軟件。用無損檢測代替〔或補(bǔ)充〕機(jī)場路面?zhèn)鹘y(tǒng)的破壞性試驗(yàn)是有優(yōu)勢的。最重要的是，在這2-3分鐘的測試中，它可以在同時(shí)保持一個(gè)跑道、滑行道或停機(jī)坪可操作的情況下，能在不同的位置迅速收集數(shù)據(jù)，使測試與空中的交通管制密切接觸。無損檢測的實(shí)施是經(jīng)濟(jì)的，每天可在多達(dá)250個(gè)位置收集數(shù)據(jù)。FWD/HWD設(shè)備應(yīng)用動(dòng)荷載的模擬移動(dòng)輪來衡量路面響應(yīng)〔即變形〕〔FAA2004〕。用FWD/HWD設(shè)備所收集的撓曲數(shù)據(jù)，可以對(duì)路面測試時(shí)的強(qiáng)度提供定性和定量的數(shù)據(jù)。在負(fù)載板傳感器下方的原始撓曲數(shù)據(jù)直接地提供了整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)。同樣地，從最外層傳感器得到的原始撓曲數(shù)據(jù)可提供路基的強(qiáng)度指示〔FAA2004〕。許多研究已經(jīng)解釋了為什么FWD/HWD路面彎沉測量可以作為表征路面路基系統(tǒng)的一種工具〔Bush和Baladi1989年，Tayabji和Lukanen2000〕。無損檢測在不同時(shí)段使用NAPTF柔性路面試驗(yàn)段下進(jìn)行的FWD和HWD。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是HWD試驗(yàn)的結(jié)果。HWD試驗(yàn)是使用FAA的KUAB2mHWD設(shè)備來進(jìn)行的。FAA的HWD設(shè)備還配置有一個(gè)尺寸為30.5厘米的裝載板，并使用27至30毫秒的脈沖寬度。HWD試驗(yàn)在53.4kN，106.7kN，160kN的公稱力振幅下進(jìn)行。在與荷載中心間隔0毫米〔D0〕，305毫米〔D1〕或610毫米〔D2〕，914毫米〔D3〕1219毫米〔D4〕，年和1524毫米〔圖4展示了HWD試驗(yàn)的跑到位置和方向。HWD試驗(yàn)是在未開放交通的中心線〔C/L〕，以及B777和B747的跑道上〔LANE2和LANE5〕實(shí)行的。在測試跑道每隔3米處重復(fù)進(jìn)行HWD實(shí)驗(yàn)。HWD試驗(yàn)的結(jié)果可以從FAA機(jī)場科技網(wǎng)站上下載。7、利用ANN模型表征NAPTF路面結(jié)構(gòu)為了演示用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來分析NAPTF柔性路面段的適用性，并進(jìn)一步驗(yàn)證人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用在交通測試期間從NAPTF獲得的實(shí)際無損檢測數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行測試。該方法是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測路面結(jié)構(gòu)層模量，并將其結(jié)果與那些使用基于ELP的反算程序的傳統(tǒng)方法獲得的結(jié)果進(jìn)行比擬。在柔性路面的分析和設(shè)計(jì)中，破壞狀態(tài)通常被視為是疲勞開裂，車轍和低溫開裂。經(jīng)典的柔性路面設(shè)計(jì)程序是以限制路基頂部垂直壓應(yīng)變〔路基車轍破壞準(zhǔn)那么〕和AC層最底部的橫向拉伸應(yīng)變〔AC疲勞失效準(zhǔn)那么〕為根底的。在本文中，研究的重點(diǎn)是比擬機(jī)場路面結(jié)構(gòu)層模量在飛機(jī)反復(fù)營運(yùn)下的效果，尤其是AC模量和路基模量。FAA的反算軟件，BAKFAA，是在美國聯(lián)邦航空局機(jī)場科技科的贊助下開發(fā)的，并且是基于LEAFELP的〔Hayhoe2002〕。在這個(gè)程序中，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層模量和路基模量進(jìn)行了調(diào)整，以盡量減少在指定路面結(jié)構(gòu)處無損檢測傳感器測量和LEAF計(jì)算彎沉盆之間的均方根差異。一種標(biāo)準(zhǔn)的多維單純形優(yōu)化程序被用來調(diào)節(jié)模量的值〔McQueen等人，2001〕。在反算時(shí)使用模量為6.9GPa和泊松比為0.50的剛性層?；谧鳛闃?gòu)造的條件下，中等強(qiáng)度測試局部中的剛性層被設(shè)置為3米。在NAPTF路基土樣進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室彈性模量試驗(yàn)〔改編于AASHTOT292〕的結(jié)果說明，在41kPa的側(cè)限應(yīng)力，14kPa的偏應(yīng)力作用下，中等強(qiáng)度路基的模量為86MPa。在41kPa的偏應(yīng)力作用下，中等強(qiáng)度路基的彈性模量為62MPa。這些結(jié)果是在NAPTF試驗(yàn)路段開放營運(yùn)前，根據(jù)探井獲得的路基土壤樣品的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所得到的〔Hayhoe和Garg2001，Gopalakrishnan2004〕。在本文中描述的ANN反算模型已經(jīng)被開發(fā)用于由40kN的FWD彎沉盆來反算路面結(jié)構(gòu)層模量。由于40kN的FWD測試在NAPTF營運(yùn)過程中沒有實(shí)行，53.4kN的HWD彎沉盆被標(biāo)準(zhǔn)化為40kN的負(fù)載，因?yàn)樽冃卧谶@個(gè)范圍內(nèi)相當(dāng)于是線性的。使用這些在營運(yùn)過程中收集的彎沉盆，因越來越多重復(fù)的交通負(fù)載而導(dǎo)致的反算路面結(jié)構(gòu)層模量的變化是可以被研究的。FWD試驗(yàn)時(shí)的AC層溫度對(duì)外表撓曲以及反算AC模量有顯著的影響。在NAPTF設(shè)施的建設(shè)時(shí)，靜態(tài)溫度傳感器被安裝在路面內(nèi)的不同深度處，以記錄一天內(nèi)不同時(shí)間的路面溫度。在營運(yùn)過程中，AC層中間深度的溫度變化示于圖5，包括MFC和MFS測試局部。基于ANN的反算AC模量〔EAC〕隨重復(fù)交通負(fù)載〔N〕的變化示于圖6，包括MFC和MFS試驗(yàn)段。結(jié)果顯示為B777和B747跑道以及在未開放營運(yùn)的C/L。需要注意的是，在未開放營運(yùn)的中心線，EAC值的變化主要是由于AC溫度的變化。尤其是在MFC試驗(yàn)段，隨著交通負(fù)荷的重復(fù)，跑道的EAC值比中心線的值更低，這說明營運(yùn)造成剛度的損失。另外，在MFC的試驗(yàn)局部中，B747跑道的EAC值始終比從需要注意的是，在MFC試驗(yàn)段，使用3000左右的重復(fù)交通負(fù)載，未開放交通的中心線的EAC值為12.5GPa，然而B777跑道為9.2GPa〔C/L值的74％〕，B747跑道為6.7GPa〔C/L值??的54％〕。在實(shí)驗(yàn)室中，AC試樣的疲勞試驗(yàn)是在恒應(yīng)變的狀態(tài)下進(jìn)行的，疲勞已被廣泛地定義為初始剛度〔Ghuzlan2001〕減少了50％。Sharp和Johnson-Clarke(1997)認(rèn)為當(dāng)模量降低50%隨著重復(fù)交通負(fù)荷的增長，基于ANN的非線性應(yīng)力相關(guān)的反算路基模量〔ERi〕相應(yīng)的變化示于圖7中MFC和MFS測試局部。在MFC試驗(yàn)段中，ERi值在交通測試過程中的變化范圍為60?80MPa。在MFS試驗(yàn)段中，ERi值在整個(gè)交通測試中，不管是在跑道還是C/L標(biāo)準(zhǔn)化的40kNHWD變形數(shù)據(jù)，在BAKFAA中被用于反算AC和路基結(jié)構(gòu)層的模量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的模量值和那些使用BAKFAA得到的值的比擬示于圖8中的全部數(shù)據(jù)集。在一般情況下，在使用瀝青穩(wěn)定基層〔MFS〕的中等強(qiáng)度路基的柔性試驗(yàn)段中，ANN預(yù)測的AC模量比BAKFAA得到的值高，而在使用傳統(tǒng)石料基層〔MFC〕的中等強(qiáng)度的路基柔性試驗(yàn)段中卻恰恰相反。在路基模量的情況下，結(jié)果是分散的，并且MFS試驗(yàn)段的BAKFAA反算路基模量始終要比ANN預(yù)測的模量高。這兩種方法預(yù)測彈性模量的差異可以歸因于在預(yù)測層模量時(shí)使用的不同方法〔基于彈性層方案與基于有限元〕。NAPTF的車轍研究結(jié)果說明，在一般情況下，B777跑道和B747跑道之間的平均外表車轍深度大小在整個(gè)營運(yùn)過程中沒有顯著的不同〔Gopalakrishnan和Thompson2006〕。交通后的溝槽調(diào)查顯示，在MFC和MFS試驗(yàn)段中，路基和路基底層都促成了路面的總車轍〔Hayhoe等人，2003〕。8、總結(jié)和結(jié)論使用基于ANN的方法，在全面交通測試時(shí)FAA’SNAPTF獲得的NDT變形數(shù)據(jù)，對(duì)反算AC和路基模量進(jìn)行了研究。以往的研究成功地展示了用基于ANN的方法從160kN的HWD測試數(shù)據(jù)來反算機(jī)場柔性路面結(jié)構(gòu)層的模量，特別是針對(duì)NAPTF柔性路面局部的研究。然而，輸入屬性的限定范圍被認(rèn)為是在開發(fā)ANN的培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫。在這項(xiàng)研究中，訓(xùn)練了超過28500個(gè)的數(shù)據(jù)集的綜合數(shù)據(jù)庫，驗(yàn)證了ANN模型用于路面結(jié)構(gòu)層模量的預(yù)測?？紤]了非線性，應(yīng)力有關(guān)的未結(jié)合顆粒層和路基土特性的ILLI-PAVE有限元合成解決方案數(shù)據(jù)庫，被用于培訓(xùn)ANN。由ILLI-PAVE有限元解決方案，ANN模型成功地預(yù)測了路面結(jié)構(gòu)層模量。性能最正確的ANN模型被用來評(píng)估雙串聯(lián)波音747齒輪和雙重三叉型波音777齒輪在全面交通測試時(shí)獲得的NAPTF無損檢測數(shù)據(jù)。在交通測試過程中，我們對(duì)利用ANN預(yù)測的路面結(jié)構(gòu)層模量特性的變化進(jìn)行了研究，并將結(jié)果與利用基于彈性分層方案的傳統(tǒng)反算軟件所得到的結(jié)果進(jìn)行了比擬。結(jié)果說明：使用40kN的NDT測試數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的機(jī)場路面結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的潛在性，只要它們能為采集可靠的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生足夠的撓曲。因此，用原型飛機(jī)裝載的NDT力振幅評(píng)估機(jī)場路面可能不是必要的。利用基于ANN的結(jié)構(gòu)分析模型可以為路面工程師和設(shè)計(jì)師提供先進(jìn)的有限元解決方案，而不需要在這個(gè)問題的輸入和輸出上具有高度的專業(yè)知識(shí)。ANN反算模型的快速預(yù)測能力，使它們有希望作為分析FWD變形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)評(píng)估工具，不管是具體工程的還是網(wǎng)絡(luò)的機(jī)場路面FWD測試。致謝作者非常感謝美國聯(lián)邦航空局機(jī)場技術(shù)研究及開展部提供本文中引用的數(shù)據(jù)。P.Watts博士是卓越航空運(yùn)輸中心的美國聯(lián)邦航空局的工程經(jīng)理，S.Agrawal博士是FAA機(jī)場技術(shù)研發(fā)分公司的經(jīng)理。本文的內(nèi)容反映了作者的觀點(diǎn)，對(duì)其中給出的數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)。內(nèi)容并不一定反映美國聯(lián)邦航空管理局的官方意見和政策。本文不構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)和章程。參考文獻(xiàn)Ahlvin,R.G.,Ulery,H.H.,Hutchinson,R.L.,andRice,J.L.,1971.多輪重型齒輪裝入路面測試.Vol.1:根本報(bào)告.密西西比:美國陸軍工程師水道實(shí)驗(yàn)站，維克斯堡.技術(shù)報(bào)告no.AFWL-TR-70-113.Brown,S.F.andPappin,J.W.,1981.粒狀根底路面分析.華盛頓特區(qū):TRB,國家研究理事會(huì),17–23.交通研究報(bào)告810810.Bush,A.J.IIIandBaladi,G.Y.,1989.路面無損檢測.和模量反算ASTM特別技術(shù)出版物(STP)1026.Ceylan,H.,2002.利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計(jì)混凝土路面系統(tǒng).論文(博士).厄巴納-香檳分校：伊利諾伊大學(xué).Cey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