中正機場鋪面管理系統之建置

鋪面工程 第二卷 第三期 民國九十三年四月 Pavement Engineering, Vol. 2, No. 3, pp. 39~51 (2004)

中正機場鋪面管理系統之建置

周家蓓 Chia-Pei Chou1 林世泰Shih-Tai Lin2 林美伶Mei-Ling Lin3 王詩瑩Shih-Ying Wang4

摘要

鋪面管理系統學理之發展至今逾四十年，其技術亦隨著科技之發展而進展甚速，我國中 正國際航空站於民國 89～90 年著手進行中正機場鋪面管理系統之建置。本文主要內容為針 對該鋪面管理系統之具體內容進行介紹，重點包括：1.系統之架構及組成模組，2.以鋪面家 族概念建立之鋪面服務績效預測模式，3.機場鋪面養護優先等級，4.鋪面養護策略，5.鋪面服 務績效預測情境，以及 6.系統畫面展示。 關鍵字：鋪面管理系統、鋪面服務績效預測模式、鋪面優先養護等級

ABSTRACT

Chiang-Kai-Shek (CKS) International Airport is the most important international airport in Taiwan. It is opened in 1979 with pavement design life of 20 years. Serious deteriorations have been found at two runways, runway 05/23 (completed in 1979) and runway 06/24 (completed in 1984), and most of taxiways for many years. Decision making for major

maintenance was mainly done by visual inspection of maintenance engineers. No systematic approach was established and used. In this study, a computer program

1 國立臺灣大學土木工程學系暨研究所教授 2 國立臺灣大學土木所交通組博士候選人 3 國立臺灣大學土木所交通組碩士 4 國立臺灣大學土木所交通組博士班學生

integrating GIS and slab inventory database is developed. A comprehensive visual inspection of all concrete slabs is conducted and results are stored in the developed database. PCI values for each sample unit, section, branch, as well as the whole airport network are calculated. Three PCI deterioration predicting models for runway, taxiway, and apron are also developed, respectively. Maintenance priority strategies of pavement section are established based on the detour availability and airline operating costs. Five maintenance scenarios combined with three PCI deterioration predicting models are presented in the CKS airport pavement management system.

Keywords: Airport Pavement Management System, Deterioration Prediction Models, Pavement Maintenance Prioritization

一、前言

中正機場設施自民國 68 年 2 月完成及啟用後屆今已逾二十年，空側之跑、滑道及機坪 因長期使用常有版塊損壞情形，而機場管理單位為維持一定鋪面服務水準進行多項養護工 作；另因為滿足日益增加的國際航空客貨運量，中正機場空側設施經多次的擴建及更新工程。 但長期以來，中正機場的維護與管理資料並未有系統的建檔，故現今的跑、滑道及機坪等原 始及維修資料並不齊全，除於鋪面維修管理及鋪面狀況資料查詢上感到困難，且無法徹底了 解跑、滑道及機坪等設施構造及功能現況，不能施以最佳化的養護管理措施。為改善跑、滑 道及機坪等設施管理的困境，中正機場管理單位提出建置跑、滑道及機坪鋪面管理系統之構 想，期望專家系統完成後能即時掌握跑、滑道及機坪等設施服務現況，使中正機場跑、滑道 及機坪等鋪面評估具有一致標準及系統化，確保航機起降的安全。

二、系統架構

依據 FAA AC150/5380-7 ”Pavement Management System”[1]、NCHRP Synthesis 135 ”Pavement Management Practices”[2] 及 AASHTO” Guidelines for Pavement Management System”[3] 之 定 義 ， 鋪 面 管 理 作 業 階 層 分 為 路 網 管 理 階 層 （ network management level ） 亦 稱 為 計 畫 階 層 （ program level ）， 以 及 專 案 管 理 階 層 （ project management level）。路網管理階層為高階或全面行政決策階段，是在所有預算限制內作養

護優先排序計畫，研擬養護及整修時間表或鋪面新工計畫的發展。專案管理階層為針對任何 單一路段的技術管理決策，並依據路網階層計畫的養護預定時間表，在適當時機開始鋪面實 質的養護作業。本鋪面管理系統係以中正機場進行路網管理階層之構建。 中正機場鋪面管理系統包括有資料輸入、資料庫、鋪面分析模式、資料顯示、鋪面養護 策略及方法、年度計畫及預算與資料輸出等七個模組，系統之架構以及運作流程如圖 1 及圖 2 所示。 鋪面養護管理系統 資料輸 入 資料庫 鋪面分 析模式 資料顯 示 養護策 略及 方法 年度計 畫及 預算 資料輸 出 1.交通資料 2.鋪面歷史資料 3.版塊平面圖 4.鋪面損壞資料 5.版塊附屬設施 6.材料、工法及單 價分析 1.交通資料 2.鋪面歷史資料 3.版塊平面圖 4.鋪面損壞資料 5.版塊附屬設施 6.材料、工法及單 價分析 1.功能狀況 2.安全分析 3.起降品質 4.結構狀況 5.交通混合 1.電腦螢幕 2.印表機 3.繪圖機 4.其他設備 1.鋪面績效現況 2.年度養護區域 3.養護策略及方 法 1.年度養護計畫 2.年度養護實施時 程 3.年度養護預算 1.鋪面績效現況 2.年度養護計畫 3.年度養護預算 圖 1 中正機場鋪面管理系統架構圖[4]

中正機場鋪面管理系統開啟

資料輸入模式開啟 1.交通資料 2.鋪面歷史資料 3.版塊平面圖 4.鋪面狀況資料 --鋪面損壞資料 --鋪面抗滑資料 --鋪面平整度資料 --鋪面撓度資料 5.版塊附屬設施 6.自然環境資料 7.材料、工法及單價分析 資料庫模式開啟 1.交通資料 2.鋪面歷史資料 3.版塊平面圖 4.鋪面狀況資料 5.版塊附屬設施 6.自然環境資料 7.材料、工法及單價分 析 資料顯示模式 1.電腦螢幕 2.列表機 3.繪圖機 4.其他設備 鋪面分析模式開啟 1.功能狀況←鋪面損壞 2.安全分析←鋪面抗滑 3.起降品質←鋪面平整度 4.結構狀況←鋪面撓度 5.交通狀況←年航機數 養護策略及方法模式開啟 1.鋪面績效現況 2.年度養護區域 3.養護策略及工法←材料 及工法 年度計畫及預算模式開啟 1.年度養護計畫 2.年度養護實施時程 3.年度養護預算←單價 資料輸出模式開啟 1.鋪面績效現況 2.年度養護計畫 3.年度養護預算 輸入 輸出 圖 2 中正機場鋪面管理系統運作流程[4]

本系統並配合地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)進行資料輸出，機場 維護單位可利用該功能進行版塊基本結構資料、鋪面目前施工狀況及破壞現況之查詢，程式 並以圖形化之顯示方式提供較具親和力之介面，因此機場維護單位可藉由圖示清楚得知鋪面 狀況。除此之外，並採用專家系統(Expert System, ES)進行鋪面狀況預測工作。

鋪面績效的評估項目應包括實體狀況、安全、航機起降品質及結構評估等四個項目。鋪 面實體狀況可採用目視或攝影及影像處理方式進行鋪面狀況調查，破壞形式包括面層破裂、 變形及鬆散等項目，並計算鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI)以進行評估；鋪面 安全則藉由鋪面抗滑值(Skid Number)之量測，瞭解跑道鋪面是否提供足夠之摩擦力；航機起 降品質則是施以鋪面平坦度調查，做為機師對航機起降品質及舒適程度之依據；而鋪面結構 評估係以破壞或非破壞性之檢測方法，計算鋪面目前之承載情形。基於本研究計畫之要求範 圍，本系統建置過程中先以鋪面狀況調查進行鋪面績效之評估以及養護方法之建議，並針對 中正機場全數版塊進行區域劃分及編號作業。 中正機場的版塊區域劃分，係依據 05-23 及 06-24 兩跑道等所需附屬設施（滑行道及機 坪）涵蓋範圍為基準。依 ASTM D5340 “Standard Test Method for Airport Pavement Condition Index Survey”[5]及 Shahin 所著的”Pavement Management for Airports, Roads, and Parking Lots”[6]等對機場版塊區域劃分及編號原則，將機場道面版塊編碼階層分為：1. 網狀系統（Network），2.區域（Branch），3.段（Section），4.樣本單位（Sample unit）等四 層。 依此劃分原則，首先將機場空側全數版塊納入網狀系統內，再依使用功能之不同劃分若 干大區域，每一區域再依版塊之結構、施工及維修記錄、使用頻率及其他相關因素劃分為若 干小段。每一小段包括數個至十數個樣本單位，樣本單位並為鋪面狀況調查之基本單位，而 一個樣本單位則涵蓋數個至二、三十個版塊。

三、鋪面服務績效預測模式

為能於管理系統中涵蓋績效預測之功能，以為年度養護預算編列之基礎，本研究將中正

機場鋪面依跑道、滑行道及機坪等劃分為三個鋪面家族，再利用跑道、滑行道及機坪等設施 累積交通量（累積起降架次）與鋪面現況 PCI 值之關係構建鋪面服務績效預測模式。首先蒐 集中正機場航機交通動線、各機門使用率以及各跑道使用率等基本資料，再配合機場歷年起 降架次、鋪面建置與養護歷史，計算出跑滑道與機坪各區之累積交通量。經迴歸分析獲得之 鋪面服務機績效預測模式如圖 3 所示。圖中之自變數為累積架次而應變數為 PCI 值，本系統 並利用鋪面服務績效預測模式進行養護前後之鋪面績效預測，並藉以訂定年度養護計畫。各 鋪面家族之預測式如下： PCIr=-3.7×10-11Tr2＋5.4×10-6Tr＋93.3, R2＝0.88 (1) PCIt=-4×10-16Tt3＋2.3×10-10Tt2－1.5×10-4Tt＋88.81, R2＝0.49 (2) PCIa=-2.2×10-13Ta3＋3.0×10-8Ta2－1.4×10-3Ta＋96.8, R2＝0.74 (3)

其中， PCIr , PCIt , PCIa = 分別為跑道、滑行道及機坪之PCI值，

Tr , Tt , Ta = 分別為跑道、滑行道及機坪之累積起降量。 滑行道鋪面家族 PCI = -4x10-16 T3 +2.3x10-10 T2 -1.5x10-4 T+88.81 0 20 40 60 80 100 0 200000 400000 600000 800000 累積架次 PCI 跑道鋪面 家族 0 20 40 60 80 100 0 500000 1000000 1500000 累積架次 PCI PCI=-3.7x 10-11_T2_+5.4x10-6_T+93.3 (a) (b) (c) 停機坪鋪面家族 PCI = -2.2x10-13 T3 +3.0x10-8 T2 -1.4x10-3 T+96.8 0 20 40 60 80 100 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 累積架次 PCI 圖 3 鋪面服務績效預測模式(a)跑道鋪面家族(b)滑行道鋪面家族(c)機坪鋪面家族[4]

雖然以上三預測式之構建乃依據民國 89 年至 90 年全場 PCI 調查所得之各段 PCI 值分析 而成，其迴歸所使用之樣本數較不足夠；但因無既有資料可供參考故建議先行使用此三家族 預測式為分析基礎，待未來逐年獲得 PCI 調查資料後再行修訂。

四、鋪面養護優先等級

機場鋪面養護優先順序及等級區分，依據一般原則及情況下，其重要性順序為跑道、滑 行道系統及機坪。當跑道、滑行道系統及機坪等設施不止一處時，須考量多項相關因素。因 此本研究於進行鋪面養護優先等級劃分時首先考量一般原則，其次考量航機起降數及運轉路 線，再者為機場滑行道幾何配置，最後是建設之先後。依據以上分析原理，本研究將中正機 場的跑道、滑行道系統及機坪等設施，劃分為三個鋪面養護優先等級。等級一的區域包括兩 跑道及其入口滑行道、平行滑行道與南北場聯絡滑行道；等級二的區域包括快速出口滑行道、 其他出口滑行道及 SC 平行滑行道；等級三的區域為機坪及其他道面。詳細分析原理及結果， 請詳本研究報告[4]。

五、鋪面養護策略

鋪面於完工開放後因交通荷重、環境因素及材料老化等原因而產生破壞，因此需加以養 護以延續鋪面使用壽命及提升其服務績效。鋪面養護策略可分為預防性養護、例行性養護及 大型整修等三類。預防性養護乃是在鋪面版塊整體結構仍保持完整時，但可預期將因持續之 使用而發生之損壞，或鋪面結構裂縫現象輕微時及填縫料達使用年限時所作的養護措施。例 行性養護包括緊急養護作業，乃是在鋪面版塊整體結構仍完整，但接縫或裂縫等破壞持續惡 化，或飛航安全或舒適受到明顯影響時（如：糙度值過大或抗滑值過低值）採用。大型整修 之使用時機，乃在鋪面版塊狀況已到達服務績效下限或結構強度明顯降低時，其所採取的鋪 面版塊整修活動以版塊挖除置換為主。當然也可能是在機場航機機型即將有較大變化時（如 A380 之啟用）採用大型整修。各養護策略採用之維修方法如表 1 所示。

表 1 剛性鋪面養護策略及維修方法[4] 養 護 策 略 預 防 性 養 護 例 行 性 養 護 大 型 整 修 裂 縫 /接 縫 填 縫 部 份 深 版 塊 修 補 版 塊 置 換 重 換 填 縫 料 全 深 版 塊 修 補 加 鋪 改 善 接 縫 傳 力 設 施 版 塊 頂 起 大 型 翻 修 地 下 排 水 改 善 凹 凸 刨 平 --- 維 修 方 法 版 底 填 料 --- --- 本系統的鋪面養護策略，除依據鋪面優先維修等級為基礎外，有關養護方法的建議，採 鋪面 PCI 指標為評估基準。根據 PCI 之定義，70 分以上為「優」及「非常好」等級，40 分 以上為「差」、「非常差」及「不合格」三等級，故本系統所發展之鋪面養護策略基本原則為， 當鋪面 PCI 值高於 70 以上屬於預防性養護範疇，當鋪面 PCI 值介於 70 與 40 之間屬於例行 性養護範疇，當鋪面 PCI 值低於 40 以下則屬於大型整修範疇，但鋪面養護優先等級不同時 亦有些許調整。除上述原則外，並考量中正機場開航後採用的鋪面養護策略與維修方法，以 及適宜中正機場所採取之各種維修方法，研擬中正機場鋪面養護方法建議的作業流程如圖 4 所示。 藉由圖 4 得知本研究將大型整修之門檻依養護優先等級一、二、三分別訂為 50、45 及 40 分，並將例行性養護依養護優先等級一、二、三分別訂為 55、50 及 45 分。此乃因養護 優先等級較高者，宜給予較高之維修標準，經與維護單位討論後建議得之。依照流程圖，首 先就各「段」之 PCI 值進行大型整修養護門檻值之判斷，不需大型整修者，則轉而評估各「樣 本單位」之 PCI 值是否低於大型整修之門檻值；剔除需大型整修之「樣本單位」後，才為針 對例行性養護之門檻進行判斷。

等級1 等級2 等級3 段PCI<50 段PCI<45 段PCI<40 是 是 是 鋪面情況資料 重建 中、重級填 縫料扣減值 >12 否 否 否 是 填縫料更新 否 中、重級裂 縫扣減值>20 是 裂縫封填 否 等級1 等級2 等級3 樣本單位 PCI<50 樣本單位 PCI<45 是 是 是 全深版塊修補 磨光扣減值 >20 否 否 否 樣本單位 PCI<55 是 _刮槽 否 唧水扣減值 >20 是 版塊穩定 否 不做任何養護 段 樣 本 單 位 等級1 等級2 等級3 樣本單位 PCI<45 樣本單位 PCI<40 是 是 是 重建 否 否 否 樣本單位 PCI<50 否 坑洞扣減值 >8 是 _坑洞封填 圖 4 養護方法建議流程圖[4]

六、鋪面服務績效預測情境

本研究研擬出五個鋪面服務績效預測情境，並在不同情境下針對跑道、滑行道及機坪等 三個鋪面家族進行服務績效預測。因年度養護計畫屬短期計畫，且計畫年限最高為 5 年，所 以本研究之鋪面服務績效預測亦以 5 年為期進行之。各情境之內容說明於后。 情境一：依據機場跑、滑行道及停機坪之鋪面狀況，每年進行必要的養護作業以及並分析其 PCI值現況，期使PCI值保持在 80 以上。本情境為樂觀之看法，需無任何條件或預算之限制。 於此情境下，鋪面服務績效屬於最佳情況，並為養護作業對鋪面服務績效提昇的極限。 情境二：每年皆不進行任何養護作業但針對PCI值進行評估。本情境屬於悲觀看法，鋪面服 務績效屬於最差情況，可作為養護作業對鋪面服務績效提昇程度的比較基準。 情境三：依據機場跑、滑行道及停機坪之鋪面狀況，進行該年必要的養護作業，其後皆不進 行任何養護，並分析此情境下每年的PCI值情況。本情境目標為分析該年度養護作業之成本 效益，並針對每年的PCI值情況進行瞭解，以作為該年養護作業持續效果之評估基準。 情境四：依據機場跑、滑行道及停機坪之鋪面狀況，在該年不進行任何養護作業，並延至第 二年進行，其後亦皆不進行養護，且分析此情境下每年的PCI值情況。本情境係分析養護作 業延遲之成本效益，並瞭解每年的PCI值情況，作為養護作業延遲之評估基準。 情境五：依據機場跑、滑行道及停機坪之鋪面狀況，以年度預算額度或鋪面服務績效水準為 基礎，進行必要的養護作業，分析此情境下每年的PCI值情況。本情境依據年度養護預算或 服務績效水準等限制，瞭解每年的PCI值情況，並分析年度養護作業的成本效益，以作為年 度預算爭取之依據。

七、系統畫面展示

圖 5 至圖 8 為本系統各模組之畫面，分別為檢測資料輸入畫面、維修建議畫面、PCI 與

數量統計畫面以及鋪面狀況資料顯示畫面。

圖 5 檢測資料輸入畫面[4]

圖 7 PCI 與數量統計畫面[4]

八、結論與建議

中正機場跑道、滑行道及機坪等剛性鋪面管理系統歷經 1 年 6 個月後完成，此系統模組 及功能的建構係以路網階層管理為基準，其目標在於評估機場整體鋪面服務現況、確認年度 所需養護鋪面區域、研擬年度養護所需預算額度與評估養護執行後之 PCI 值等作業，使機場 管理者能即時掌握空側跑道、滑行道及機坪等鋪面服務現況，依據機場營運所需的服務標準 施以適當養護作業，確保空側跑道、滑行道及機坪等鋪面於一定服務標準之上。 本研究為首次國內針對機場空域進行鋪面管理系統，其完整性或嚴謹性會有不足之處， 但卻可提供中正國際航空站作為鋪面評估管理之基礎，以利其對現況有更深入瞭解及對養護 預算之編列有顯著之幫助。 中正機場鋪面管理系統完成已有 2 年，由於第一期鋪面結構已屆設計年限，配合亞洲地 區空運的成長，空側跑道、滑行道及機坪等鋪面亦經數次擴建及更新，故剛性鋪面區域及版 塊數已與系統初始資料有不同，為維持鋪面管理系統與現場的鋪面資料一致，應在工程竣工 後修正管理系統之鋪面基本資料及平面圖，以維持鋪面管理系統的完整性。

參考文獻

1. FAA,＂Pavement Management System,＂ AC No:150/5380-7, 1988.

2. Dale E. Peterson, Evanston, and Wyoming,＂Pavement Management Practices,＂ NCHRP Synthesis 135, 1985.

3. AASHTO ,＂Guidelines for Pavement Management System,＂1990.

4. 交通部民用航空局中正國際航空站，「建置中正機場跑滑道及停機坪板塊專家系統」，國立 台灣大學與嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心，民國九十一年九月。

5. ASTM,＂D5340 Standard Test Method for Airport Pavement Condition Index Survey,＂ Volume 4.03 section 4,1996,pp.552 ~ 599.

6. M. Y. Shahin, ＂ Pavement Management for Airports, Roads, and Parking Lots, ＂ Chapman & Hall, 1994.