埋地傳感器道面檢測技術在大學生創新創業訓練項目中的應用

武志瑋　劉鑫　陳琦

摘要：在機場道面的教學過程中，出于對機場運行安全的考慮，學生往往不能到現場進行道面檢測，實踐應用環節欠缺。為此，提出新的教學方法，引導學生研發了一種機場道面檢測埋地傳感器組件，并應用該組件進行道面檢測試驗，分析機場道面狀況及其力學性能參數的變化，從而對道面的整體性能進行評價。實踐證明，通過埋地傳感器的研發及應用，學生的技術創新及實踐應用能力得到提升。在新的教學模式下，通過問題導向的方法，激發學生的創造性思維，引導學生解決問題，理論與實踐相結合，大大提高學生的操作應用能力，有益于培養學生的創新實踐能力。

關鍵詞：創新能力；機場道面；實時監控；埋地傳感器

中圖分類號：U34162 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）04011604

近年來，隨著中國民航事業的高速發展，國家對民航人才的需求日益增大，作為民航特色院校，承載著培養民航技術相關人才的重任，而機場跑道作為機場的重要組成部分，直接影響飛機的起降安全。據統計資料顯示，民航客機事故的高發期主要集中在起飛、開始爬升和進場著陸階段，近年發生的民航客機事故多與道面性能劣化有關。由于民航客機事故直接影響機場的安全運營和旅客的生命安全，所以一直以來備受機場管理部門的關注。凌建明[1]等人總結建立了機場道面評價體系，為中國機場道面管理系統的開發應用提供了技術基礎。通過對道面進行定期的檢測實現對道面的評價，但是無法實現對道面性能的實時動態監控。對此，研發一種機場道面檢測用埋地傳感器組件，從道面性能監測入手，長期采集和記錄表征道面性能的相關參數指標，進而深入分析機場道面狀況和力學性能，為預測機場道面性能變化趨勢、提升機場道面養護水平和降低機場道面運行管理風險提供有力支撐，具有重要的理論意義與實踐意義。

作為機場工程方面的專業人才，必須加大創新能力及實踐能力的培養[2]，因此，熟練掌握機場道面知識及其檢測手段十分必要，然而在實際

的教學中，基于對機場安全性及檢測技術復雜性的考慮，學生往往不能進行實地的現場道面檢測，在實際教學過程中，多以圖片的形式展示道面檢測的儀器及現場的檢測過程，學生只有感性認識缺乏實踐應用能力，學生在學習的過程中也比較吃力。這種強調知識獲取忽視操作應用能力的教學方式不利于創新實踐能力培養[3]。因此，基于上述問題，提出新的教學模式，通過問題導向的方法，針對機場道面檢測的問題，充分發揮學生的創新能力，由學生提供解決問題的思路，通過與教師展開討論分析，提出可行方案并付諸于實踐。對于應用環節，教師指導學生利用埋地傳感器組件分別進行室內室外道面檢測試驗，采集和記錄表征道面性能的相關參數指標，分析機場道面狀況和力學性能，從而對道面整體性能作出評價。結合試驗研究和理論分析的最新成果，通過技術創新和實踐應用相結合的方法，激發了學生的學習熱情，有益于創新實踐能力的培養[4]。

在此新的教學模式下，研發了埋地傳感器道面檢測技術，設計了埋地傳感器并申請了專利[5-7]，然后對不同類型的物體所引起的道面板振動展開了研究。

一、儀器創新與試驗模式改革

埋地傳感器組件的設計、制作和加工的在教師的指導下由學生獨立完成，其設計圖見圖1。

整個測試系統由埋地傳感器、數據采集終端和電源組成。其中，埋地傳感器包括柱狀外殼、溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、多個限位、下部固定底座和上部可拆卸蓋板，埋地傳感器通過同軸電纜及電源線與設置于機場道面外側草面區的數據采集終端和電源連接。溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器和多個限位器以可拆卸的方式間隔設置在柱狀外殼的表面四周。柱狀外殼的底面固定在測點下部固定底座的表面上。上部可拆卸蓋板以可拆卸的方式設置于柱狀外殼頂面上。

在后期進行的室內外實驗中，為體現大學生創新訓練的主體作用，采用如下試驗模式。

（一）尋找科學的試驗方法

進行機場跑道測試最困難之處在于不能影響機場的正常運營，在試驗方法設計上必須考慮合理的埋置手段。因此，在跑道測試上選擇在道面鉆孔設置埋地傳感器，在跑道兩側土面區選擇將傳感器埋置于土面下，從而避免了對飛行器安全的影響，保證了試驗方法的科學性和可應用性。

（二）尋找高效的試驗分組

在試驗中，1位學生負責現場總協調，觀察周邊環境及過往車輛，1位學生負責記錄數據，1位學生負責控制采集設備。試驗在同一場地分兩組同時進行，數據結果相互對比驗證，保證了實驗結果的可靠性。

（三）設計合理的試驗流程

在試驗流程設計方面，首先進行傳感器的埋設和系統調試，然后施加相應級別的實驗荷載，記錄隨機通過的車輛荷載，記錄荷載作用下埋地傳感器所得到的振動信號。

（四）總結可靠的試驗結論

實驗數據的分析由兩名應屆畢業生負責完成，首先對實驗采集的振動曲線進行合理的截取，然后對截取的數據進行小波變換，提取數據的特征值，并對該特征值進行BP神經網絡分析，從而計算道面承載力、評價道面結構性功能指標。

二、試驗情況

（一）室內實驗

為了探索動荷載在不同區域的變化規律和不同級別動荷載對道面板不同區域的影響，還進行了室內模型實驗。

在一塊長400 cm、寬為50 cm、厚為12 cm的普通混凝土板中預留5個直徑為10 cm、高為12 cm的圓形孔洞，其底座墊有鋼板，對混凝土板施加落錘重力。

根據所預留的孔洞來設置加速度傳感器，每個孔布置一個，共五個，并將加速度傳感器引出的線與信號采集器連接，通過裝有信息采集系統的電腦和信號采集器與無線路由器形成局域網連接，即可從電腦中獲得該預留孔道面板振動時的加速度信號。

通過落錘（1.54kg）在h=30、60、90、120、150、180 cm高度下自由落體對如圖2所示的沖擊區施加作用，從而實現不同級別的動荷載對道面板的施加激勵。具體的加載區域布置及實驗過程如圖2所示。

圖2 預留孔道面板振動測試試驗示意圖

（二）室外場地試驗

由于室內模擬的局限性和特殊性，項目組在室外選擇了一段公路進行模擬測試，考察振動所帶來的影響。

某公路的每塊道面板長為400 cm、寬為300 cm、厚為20 cm的普通混凝土板，測區對應位置公路上設有減速帶，路上時有各種不同類型的機動車輛通過。在公路減速帶對應的路肩邊的土區用挖土工具開挖比埋地傳感器大的孔洞及引線槽，為保護加速度傳感器，將其用塑料袋包裹好后置于所挖的孔洞中，引線沿引線槽與信號采集器連接（見圖3）。通過裝有信息采集系統的電腦、信號采集器與無線路由器形成局域網連接，即可從電腦中獲得機動車輛通過該公路及其減速帶引起路肩土區振動的加速度信號。

圖3 公路現場傳感器的布置

由于不同車型對路面產生的振動不同，因此不同重量的車型表示對道面施加不同級別的激勵。具體布置形式見圖4示意圖。

圖4 某公路路肩位置振動測試試驗示意圖

三、試驗教學效果分析

通過在大學生創新創業訓練項目開展教學研究改革，在實踐中摸索和總結規律，探索理論結合試驗的教學模式，得到了如下有益經驗，可以用于完善實驗教學體系，豐富實驗設備來源，提升實驗室開放水平，提高畢業生的動手能力，增強畢業生就業競爭力。

一是，將科研成果引入試驗教學，為學生提供試驗開放平臺，提升了實驗室建設的行業特色。

將具有理論深度科研成果分階段、有步驟地利用大學生創新創業訓練、科技立項和畢業設計等與學生交流互動的機會，在學生力所能及的范圍內逐步引入。既培養了學生的思考能力和創新能力，又鍛煉了學生的動手能力和實踐能力。讓更多的學生參與科技項目研究，甚至讓部分大一新生剛入校門就接觸專業試驗，通過潛移默化，將感性認識慢慢在學生學習過程中轉化為理性認識。

二是，在試驗教學中產生新的科研成果，體現了實驗室立足教學、重視科研、服務社會的綜合能力。通過開發試驗教學平臺，學生在教學環節中接觸到了更新、更廣、更專業的內容，對所學專業的理解更加深入，同時結合課堂教學內容對所做試驗有了不同層次的、更深入的認識，也提出了很多創新性的想法。既實現了該教學平臺的升級改造，也對改進后的平臺做進一步研究，產生了一批具有理論性和科學性的成果。

三是，探索本科生提前接觸科研、在壓力中成長的“混合”教育模式，為實驗室建設找到新方向。

通過該項目的探索，讓本科生介入到申請人的科研項目中并獨立承擔重要研究任務，提前接受研究生階段的培養，在“研究生培養目標+本科生教育模式”的“混合”培養下實現快速成長成才。如2014屆的一位畢業生，經過參與項目研究后，對其所承擔的研究課題有了深入的理解，發表了核心期刊論文1篇，一般期刊論文1篇，EI檢索中文期刊錄用待刊1篇，獲得實用新型專利1項，并最終在畢業階段選擇留校深造，目前在研究生班成績名列前茅。

“混合”教育模式實踐初步取得了令人滿意的效果，目前，正準備進行更深入的相關實驗建設方法研究。

四、結語

通過機場道面檢測埋地傳感器技術的研發與應用，提出一種新的教學方法。通過問題導向的方法，提出問題，激發學生創造性思維，發揮學生主動學習能力，提出解決方案，并應用于實踐。在提出方案的過程中，學生通過研究場道工程、混凝土結構設計原理、材料力學、計算機編程等課程相關知識，提出創造性方案，充分發揮了其技術創新的能力；在方案應用的過程中，傳感器布設、信息采集、數據處理及計算機編程等都需要扎實的專業知識背景，而將這些知識加以應用大大提高了學生理論與實踐結合的能力；在參與試驗的整個過程，學生需要動手操作，重復試驗過程，較好地鍛煉了學生的實踐操作能力。

機場道面檢測埋地傳感器組件的研發及應用作為一個啟示，給予很多思考空間，在實際的教學過程中，教師往往會遇到諸多的問題，通過改革傳統的教學方法，提出新的教學模式，以問題作為向導，激發學生學習興趣，充分發揮其創新能力及實踐應用能力，大大提高教學效果，更有益于培養學生的創新實踐能力。參考文獻：

[1] 凌建明，鄭悅鋒，金維明.機場道面評價體系研究[J].交通運輸學報.2001（1）：29-33.

[2] 種小雷，王曉龍，張志剛，等.機場工程專業實踐教學改革設想與體系規劃[J].高等建筑教育，2014，23（6）：28-31.

[3] 喬克，孫海燕，袁軍，等.CDIO模式下創新型土木工程人才培養研究[J].高等建筑教育，2014，23（1）：26-29.

[4] 鄔喆華.抗震教學中工程震害分析能力的培養[J]. 高等建筑教育，2014，23（3）：66-70.

[5] 劉鑫，劉國光，陳琦，等.一種機場跑道中線燈：中國，ZL 2014 2 0489469.1[P].2014-12-17.

[6] 武志瑋.劉國光.陳屹巍.一種機場道面檢測用埋地傳感器組件及實施方法：中國，ZL 2014 100446991.1 [P].2014521.

[7] 武志瑋，劉國光，陳屹巍.一種飛機滑行位置實時定位系統及控制方法：中國，ZL 2014 100450643.1 [P].2014521.