埋地傳感器道面檢測(cè)技術(shù)在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中的應(yīng)用

武志瑋　劉鑫　陳琦

摘要：在機(jī)場(chǎng)道面的教學(xué)過(guò)程中，出于對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的考慮，學(xué)生往往不能到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行道面檢測(cè)，實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)欠缺。為此，提出新的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生研發(fā)了一種機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)埋地傳感器組件，并應(yīng)用該組件進(jìn)行道面檢測(cè)試驗(yàn)，分析機(jī)場(chǎng)道面狀況及其力學(xué)性能參數(shù)的變化，從而對(duì)道面的整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)踐證明，通過(guò)埋地傳感器的研發(fā)及應(yīng)用，學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新及實(shí)踐應(yīng)用能力得到提升。在新的教學(xué)模式下，通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向的方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，引導(dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題，理論與實(shí)踐相結(jié)合，大大提高學(xué)生的操作應(yīng)用能力，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；機(jī)場(chǎng)道面；實(shí)時(shí)監(jiān)控；埋地傳感器

中圖分類號(hào)：U34162 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2015）04011604

近年來(lái)，隨著中國(guó)民航事業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)民航人才的需求日益增大，作為民航特色院校，承載著培養(yǎng)民航技術(shù)相關(guān)人才的重任，而機(jī)場(chǎng)跑道作為機(jī)場(chǎng)的重要組成部分，直接影響飛機(jī)的起降安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，民航客機(jī)事故的高發(fā)期主要集中在起飛、開(kāi)始爬升和進(jìn)場(chǎng)著陸階段，近年發(fā)生的民航客機(jī)事故多與道面性能劣化有關(guān)。由于民航客機(jī)事故直接影響機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)和旅客的生命安全，所以一直以來(lái)備受機(jī)場(chǎng)管理部門的關(guān)注。凌建明[1]等人總結(jié)建立了機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)體系，為中國(guó)機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)道面進(jìn)行定期的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)道面的評(píng)價(jià)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)道面性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。對(duì)此，研發(fā)一種機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)用埋地傳感器組件，從道面性能監(jiān)測(cè)入手，長(zhǎng)期采集和記錄表征道面性能的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)而深入分析機(jī)場(chǎng)道面狀況和力學(xué)性能，為預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)道面性能變化趨勢(shì)、提升機(jī)場(chǎng)道面養(yǎng)護(hù)水平和降低機(jī)場(chǎng)道面運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)提供有力支撐，具有重要的理論意義與實(shí)踐意義。

作為機(jī)場(chǎng)工程方面的專業(yè)人才，必須加大創(chuàng)新能力及實(shí)踐能力的培養(yǎng)[2]，因此，熟練掌握機(jī)場(chǎng)道面知識(shí)及其檢測(cè)手段十分必要，然而在實(shí)際

的教學(xué)中，基于對(duì)機(jī)場(chǎng)安全性及檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜性的考慮，學(xué)生往往不能進(jìn)行實(shí)地的現(xiàn)場(chǎng)道面檢測(cè)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，多以圖片的形式展示道面檢測(cè)的儀器及現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)過(guò)程，學(xué)生只有感性認(rèn)識(shí)缺乏實(shí)踐應(yīng)用能力，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中也比較吃力。這種強(qiáng)調(diào)知識(shí)獲取忽視操作應(yīng)用能力的教學(xué)方式不利于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)[3]。因此，基于上述問(wèn)題，提出新的教學(xué)模式，通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向的方法，針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)的問(wèn)題，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，由學(xué)生提供解決問(wèn)題的思路，通過(guò)與教師展開(kāi)討論分析，提出可行方案并付諸于實(shí)踐。對(duì)于應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師指導(dǎo)學(xué)生利用埋地傳感器組件分別進(jìn)行室內(nèi)室外道面檢測(cè)試驗(yàn)，采集和記錄表征道面性能的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，分析機(jī)場(chǎng)道面狀況和力學(xué)性能，從而對(duì)道面整體性能作出評(píng)價(jià)。結(jié)合試驗(yàn)研究和理論分析的最新成果，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有益于創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)[4]。

在此新的教學(xué)模式下，研發(fā)了埋地傳感器道面檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了埋地傳感器并申請(qǐng)了專利[5-7]，然后對(duì)不同類型的物體所引起的道面板振動(dòng)展開(kāi)了研究。

一、儀器創(chuàng)新與試驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母?/p>

埋地傳感器組件的設(shè)計(jì)、制作和加工的在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，其設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由埋地傳感器、數(shù)據(jù)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(gè)限位、下部固定底座和上部可拆卸蓋板，埋地傳感器通過(guò)同軸電纜及電源線與設(shè)置于機(jī)場(chǎng)道面外側(cè)草面區(qū)的數(shù)據(jù)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(gè)限位器以可拆卸的方式間隔設(shè)置在柱狀外殼的表面四周。柱狀外殼的底面固定在測(cè)點(diǎn)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(shè)置于柱狀外殼頂面上。

在后期進(jìn)行的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中，為體現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的主體作用，采用如下試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

（一）尋找科學(xué)的試驗(yàn)方法

進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道測(cè)試最困難之處在于不能影響機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)，在試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)上必須考慮合理的埋置手段。因此，在跑道測(cè)試上選擇在道面鉆孔設(shè)置埋地傳感器，在跑道兩側(cè)土面區(qū)選擇將傳感器埋置于土面下，從而避免了對(duì)飛行器安全的影響，保證了試驗(yàn)方法的科學(xué)性和可應(yīng)用性。

（二）尋找高效的試驗(yàn)分組

在試驗(yàn)中，1位學(xué)生負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總協(xié)調(diào)，觀察周邊環(huán)境及過(guò)往車輛，1位學(xué)生負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)，1位學(xué)生負(fù)責(zé)控制采集設(shè)備。試驗(yàn)在同一場(chǎng)地分兩組同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)結(jié)果相互對(duì)比驗(yàn)證，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（三）設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)方面，首先進(jìn)行傳感器的埋設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試，然后施加相應(yīng)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)荷載，記錄隨機(jī)通過(guò)的車輛荷載，記錄荷載作用下埋地傳感器所得到的振動(dòng)信號(hào)。

（四）總結(jié)可靠的試驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析由兩名應(yīng)屆畢業(yè)生負(fù)責(zé)完成，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的振動(dòng)曲線進(jìn)行合理的截取，然后對(duì)截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，提取數(shù)據(jù)的特征值，并對(duì)該特征值進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，從而計(jì)算道面承載力、評(píng)價(jià)道面結(jié)構(gòu)性功能指標(biāo)。

二、試驗(yàn)情況

（一）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了探索動(dòng)荷載在不同區(qū)域的變化規(guī)律和不同級(jí)別動(dòng)荷載對(duì)道面板不同區(qū)域的影響，還進(jìn)行了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)。

在一塊長(zhǎng)400 cm、寬為50 cm、厚為12 cm的普通混凝土板中預(yù)留5個(gè)直徑為10 cm、高為12 cm的圓形孔洞，其底座墊有鋼板，對(duì)混凝土板施加落錘重力。

根據(jù)所預(yù)留的孔洞來(lái)設(shè)置加速度傳感器，每個(gè)孔布置一個(gè)，共五個(gè)，并將加速度傳感器引出的線與信號(hào)采集器連接，通過(guò)裝有信息采集系統(tǒng)的電腦和信號(hào)采集器與無(wú)線路由器形成局域網(wǎng)連接，即可從電腦中獲得該預(yù)留孔道面板振動(dòng)時(shí)的加速度信號(hào)。

通過(guò)落錘（1.54kg）在h=30、60、90、120、150、180 cm高度下自由落體對(duì)如圖2所示的沖擊區(qū)施加作用，從而實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的動(dòng)荷載對(duì)道面板的施加激勵(lì)。具體的加載區(qū)域布置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 預(yù)留孔道面板振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)示意圖

（二）室外場(chǎng)地試驗(yàn)

由于室內(nèi)模擬的局限性和特殊性，項(xiàng)目組在室外選擇了一段公路進(jìn)行模擬測(cè)試，考察振動(dòng)所帶來(lái)的影響。

某公路的每塊道面板長(zhǎng)為400 cm、寬為300 cm、厚為20 cm的普通混凝土板，測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)位置公路上設(shè)有減速帶，路上時(shí)有各種不同類型的機(jī)動(dòng)車輛通過(guò)。在公路減速帶對(duì)應(yīng)的路肩邊的土區(qū)用挖土工具開(kāi)挖比埋地傳感器大的孔洞及引線槽，為保護(hù)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(hào)采集器連接（見(jiàn)圖3）。通過(guò)裝有信息采集系統(tǒng)的電腦、信號(hào)采集器與無(wú)線路由器形成局域網(wǎng)連接，即可從電腦中獲得機(jī)動(dòng)車輛通過(guò)該公路及其減速帶引起路肩土區(qū)振動(dòng)的加速度信號(hào)。

圖3 公路現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布置

由于不同車型對(duì)路面產(chǎn)生的振動(dòng)不同，因此不同重量的車型表示對(duì)道面施加不同級(jí)別的激勵(lì)。具體布置形式見(jiàn)圖4示意圖。

圖4 某公路路肩位置振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)示意圖

三、試驗(yàn)教學(xué)效果分析

通過(guò)在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目開(kāi)展教學(xué)研究改革，在實(shí)踐中摸索和總結(jié)規(guī)律，探索理論結(jié)合試驗(yàn)的教學(xué)模式，得到了如下有益經(jīng)驗(yàn)，可以用于完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，豐富實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)源，提升實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放水平，提高畢業(yè)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)畢業(yè)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

一是，將科研成果引入試驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供試驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)，提升了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的行業(yè)特色。

將具有理論深度科研成果分階段、有步驟地利用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、科技立項(xiàng)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等與學(xué)生交流互動(dòng)的機(jī)會(huì)，在學(xué)生力所能及的范圍內(nèi)逐步引入。既培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力，又鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。讓更多的學(xué)生參與科技項(xiàng)目研究，甚至讓部分大一新生剛?cè)胄ｉT就接觸專業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)潛移默化，將感性認(rèn)識(shí)慢慢在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識(shí)。

二是，在試驗(yàn)教學(xué)中產(chǎn)生新的科研成果，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室立足教學(xué)、重視科研、服務(wù)社會(huì)的綜合能力。通過(guò)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中接觸到了更新、更廣、更專業(yè)的內(nèi)容，對(duì)所學(xué)專業(yè)的理解更加深入，同時(shí)結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容對(duì)所做試驗(yàn)有了不同層次的、更深入的認(rèn)識(shí)，也提出了很多創(chuàng)新性的想法。既實(shí)現(xiàn)了該教學(xué)平臺(tái)的升級(jí)改造，也對(duì)改進(jìn)后的平臺(tái)做進(jìn)一步研究，產(chǎn)生了一批具有理論性和科學(xué)性的成果。

三是，探索本科生提前接觸科研、在壓力中成長(zhǎng)的“混合”教育模式，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)找到新方向。

通過(guò)該項(xiàng)目的探索，讓本科生介入到申請(qǐng)人的科研項(xiàng)目中并獨(dú)立承擔(dān)重要研究任務(wù)，提前接受研究生階段的培養(yǎng)，在“研究生培養(yǎng)目標(biāo)+本科生教育模式”的“混合”培養(yǎng)下實(shí)現(xiàn)快速成長(zhǎng)成才。如2014屆的一位畢業(yè)生，經(jīng)過(guò)參與項(xiàng)目研究后，對(duì)其所承擔(dān)的研究課題有了深入的理解，發(fā)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(shí)用新型專利1項(xiàng)，并最終在畢業(yè)階段選擇留校深造，目前在研究生班成績(jī)名列前茅。

“混合”教育模式實(shí)踐初步取得了令人滿意的效果，目前，正準(zhǔn)備進(jìn)行更深入的相關(guān)實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法研究。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)埋地傳感器技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，提出一種新的教學(xué)方法。通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向的方法，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，提出解決方案，并應(yīng)用于實(shí)踐。在提出方案的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)研究場(chǎng)道工程、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)編程等課程相關(guān)知識(shí)，提出創(chuàng)造性方案，充分發(fā)揮了其技術(shù)創(chuàng)新的能力；在方案應(yīng)用的過(guò)程中，傳感器布設(shè)、信息采集、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算機(jī)編程等都需要扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)背景，而將這些知識(shí)加以應(yīng)用大大提高了學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力；在參與試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，學(xué)生需要?jiǎng)邮植僮?，重?fù)試驗(yàn)過(guò)程，較好地鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)埋地傳感器組件的研發(fā)及應(yīng)用作為一個(gè)啟示，給予很多思考空間，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師往往會(huì)遇到諸多的問(wèn)題，通過(guò)改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提出新的教學(xué)模式，以問(wèn)題作為向?qū)?，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮其創(chuàng)新能力及實(shí)踐應(yīng)用能力，大大提高教學(xué)效果，更有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。參考文獻(xiàn)：

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