手提式機(jī)場(chǎng)混凝土道面板厚測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)與研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU745.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1，4，4（1.山西航空產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西太原030032；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢618307；3.南京團(tuán)達(dá)科技有限公司，江蘇南京211899；4.民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程有限公司，天津300456）

文章編號(hào)：2096-6903（2025）05-0036-04

0 引言

隨著全球航空業(yè)的快速發(fā)展，原有的機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增加的吞吐量，許多民用機(jī)場(chǎng)進(jìn)入改擴(kuò)建階段。機(jī)場(chǎng)道面是飛機(jī)起飛、滑跑、停放的重要場(chǎng)地，道面施工前確保其結(jié)構(gòu)完整性和厚度符合設(shè)計(jì)要求對(duì)航空安全至關(guān)重要[1-3]。目前，我國(guó)機(jī)場(chǎng)主要以混凝土道面為主，混凝土道面板在施工前的厚度的檢測(cè)方法主要依賴(lài)人工測(cè)量。然而，傳統(tǒng)方法存在測(cè)量效率低、精度不足、操作復(fù)雜等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)機(jī)場(chǎng)大面積、高頻率的檢測(cè)需求，特別是在基層不平整或存在坡度變化的情況下，傳統(tǒng)檢測(cè)方案難以提供穩(wěn)定的檢測(cè)精度。

現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)場(chǎng)混凝土道面施工前的厚度測(cè)量主要采用手動(dòng)測(cè)量工具如卷尺、鋼尺進(jìn)行測(cè)量，這些方法雖然操作簡(jiǎn)單，但在大面積場(chǎng)景下耗時(shí)長(zhǎng)且誤差較大。國(guó)外學(xué)者Zhang L^[4] 對(duì)比分析了利用激光掃描技術(shù)、探地雷達(dá)技術(shù)、沖擊波法對(duì)混凝土板體厚度量測(cè)效果，與鉆芯取樣后的實(shí)測(cè)結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)各方法均存在不同程度的誤差。Skalecki P^[5] 提出了一種基于高速激光掃描的混凝土板體厚度測(cè)量方法，主要原理是基于激光掃描面層和基層高程差來(lái)得出厚度值，該方法具有檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，但在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠度尚且具有進(jìn)一步提升空間。Solla M^[6] 在探地雷達(dá)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了配套可視化軟件，通過(guò)觀(guān)察儀器對(duì)不同結(jié)構(gòu)層探測(cè)時(shí)的信號(hào)傳播速度和振幅等指標(biāo)，判斷面層、基層、土基等結(jié)構(gòu)層形態(tài)，該方法具有較高的智能化處理效果，但是要求使用和解讀數(shù)字化結(jié)果的人員具有較多的經(jīng)驗(yàn)，可推廣度有待提高。就國(guó)內(nèi)研究情況而言，當(dāng)前關(guān)于機(jī)場(chǎng)混凝土道面厚度檢測(cè)方法研究主要是針對(duì)建成后成品道面板塊[，其主要集中在鉆芯取樣、探地雷達(dá)等技術(shù)，新技術(shù)并不多，對(duì)于澆筑施工前的厚度檢測(cè)方法優(yōu)化和改進(jìn)較少。從施工角度來(lái)看，只要保證混凝土道面澆筑前的厚度便一定可保證澆筑后的成品厚度。因此，如何設(shè)計(jì)一種既能保持高精度測(cè)量，又能自適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境且適用于混凝土道面澆筑前板體厚度測(cè)量裝置，成為行業(yè)內(nèi)重要問(wèn)題。

為了克服問(wèn)題，通過(guò)引入激光測(cè)距技術(shù)和傳感器組合，激光測(cè)距模塊能夠快速獲取精確的高度信息，而陀螺儀和加速度計(jì)則可以校準(zhǔn)設(shè)備的水平狀態(tài)，從而提高測(cè)量的精度和可靠性，解決現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量精度不高、適應(yīng)性差以及操作復(fù)雜等問(wèn)題，顯著提高了機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)的自動(dòng)化水平和可靠性，保障了機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的安全性和效率。

1系統(tǒng)原理

1.1 激光測(cè)距

本系統(tǒng)激光測(cè)距模塊主要為激光測(cè)距傳感器，其原理主要為一個(gè)激光二極管發(fā)射的脈沖激光束遇到物體時(shí)發(fā)生反射，反射激光束由另一個(gè)光電二極管檢測(cè)并接收，利用從發(fā)射脈沖激光到接收反射激光的傳播時(shí)間計(jì)算距離信息[8]。

1.2 自適應(yīng)感應(yīng)平衡

為消除板厚測(cè)量時(shí)不平衡狀態(tài)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)影響，設(shè)計(jì)采用陀螺儀和加速度計(jì)聯(lián)動(dòng)裝置，即當(dāng)設(shè)備放置在不平整的道面上時(shí)，陀螺儀和加速度計(jì)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的傾斜角度，并通過(guò)卡爾曼濾波來(lái)進(jìn)行精確的姿態(tài)校正。

自適應(yīng)平衡系統(tǒng)基于右手坐標(biāo)系進(jìn)行平衡感應(yīng)修正，旋轉(zhuǎn)的方向按右手法則定義，即右手大拇指指向軸向，四指彎曲的方向即為繞該軸旋轉(zhuǎn)的方向。系統(tǒng)讀取加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，并結(jié)合使用卡爾曼濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3數(shù)據(jù)傳輸與智能化處理

該部分主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)與展示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和設(shè)備顯示與交互。當(dāng)測(cè)量設(shè)備端從多種傳感器（激光測(cè)距模塊和姿態(tài)傳感器）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊以HTTPPOST請(qǐng)求的形式發(fā)送至后端。后端接收到數(shù)據(jù)后，調(diào)用持久化邏輯，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中以確保歷史記錄的完整性和可用性。系統(tǒng)通過(guò)前端發(fā)起HTTP請(qǐng)求，調(diào)用后端獲取實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)。后端通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)返回所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)生成文件則是由系統(tǒng)前端發(fā)起數(shù)據(jù)導(dǎo)出請(qǐng)求，系統(tǒng)后端處理導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介及原理

系統(tǒng)由以下四個(gè)主要部分組成，分別為測(cè)量設(shè)備端（ESP32）、Web前端界面、后端API服務(wù)（SpringBoot）和數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL）。測(cè)量設(shè)備端（ESP32）負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、本地?cái)?shù)據(jù)處理、顯示和數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸；Web前端界面具有數(shù)據(jù)可視化展示、用戶(hù)交互界面、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能；后端API服務(wù)（SpringBoot）主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出服務(wù)；數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL）包含測(cè)量數(shù)據(jù)持久化、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如下： ① 測(cè)量設(shè)備端部分由傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部通信（UART、I2C等）匯聚至ESP32，處理后經(jīng)Wi-Fi通過(guò)HTTP發(fā)送到后端。 ② 后端服務(wù)由后端API完成數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、查詢(xún)以及導(dǎo)出功能，將結(jié)果通過(guò)HTTP響應(yīng)回給Web前端。 ③ 前端界面部分則是用戶(hù)通過(guò)Web前端發(fā)起請(qǐng)求，獲取數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，或?qū)С鏊钄?shù)據(jù)文件。 ④ 數(shù)據(jù)庫(kù)部分將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化與快速查詢(xún)。

2.2測(cè)量設(shè)備端（ESP32）

測(cè)量設(shè)備端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理以及無(wú)線(xiàn)傳輸，核心架構(gòu)基于FreeRTOS實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處

理，以提升性能和響應(yīng)效率。

2.2.1 任務(wù)管理

通過(guò)FreeRTOS創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立任務(wù)，分別處理不同功能模塊，避免任務(wù)間干擾，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。主要任務(wù)包括： ① 開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)任務(wù)。展示設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)畫(huà)，提升用戶(hù)體驗(yàn)。 ② 激光測(cè)距任務(wù)。通過(guò)串口獲取激光模塊數(shù)據(jù)。 ③ 姿態(tài)傳感器任務(wù)。通過(guò)I2C通信獲取設(shè)備俯仰角和橫滾角。 ④ 屏幕更新任務(wù)。動(dòng)態(tài)刷新屏幕內(nèi)容。 ⑤ Wi-Fi服務(wù)器任務(wù)。負(fù)責(zé)設(shè)備與后端的通信，將采集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

2.2.2 激光測(cè)距模塊

ESP32通過(guò)UART與激光測(cè)距模塊通信，定期發(fā)送指令并接收測(cè)量結(jié)果。模塊可提取的主要信息包括：測(cè)量距離和測(cè)量置信度。

2.2.3 姿態(tài)傳感器

ESP32通過(guò)I2C與姿態(tài)傳感器連接，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)以計(jì)算設(shè)備的俯仰角與橫滾角。

2.2.4 WiFi服務(wù)器

WiFi模塊負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)HTTPPOST上傳至后端API服務(wù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性。上傳邏輯包括： ① 檢查Wi-Fi連接狀態(tài)，確保連接有效。② 構(gòu)造HTTP請(qǐng)求，設(shè)置必要的頭部信息。 ③ 將測(cè)量數(shù)據(jù)序列化為JSON格式并上傳。 ④ 捕獲響應(yīng)代碼和信息，記錄傳輸結(jié)果。

2.3后端API服務(wù)（Spring Boot）

后端API服務(wù)負(fù)責(zé)接收設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)并提供查詢(xún)和管理功能，采用SpringBoot框架實(shí)現(xiàn)。采用MybatisPlus作為ORM層，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至MySQL。

2.3.1 數(shù)據(jù)接收

通過(guò)RESTfulAPI接收設(shè)備數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)提供操作結(jié)果反饋。

2.3.2 數(shù)據(jù)查詢(xún)

提供API接口支持前端查詢(xún)最新測(cè)量數(shù)據(jù)或歷史記錄，支持分頁(yè)查詢(xún)。

2.4Web前端

Web前端負(fù)責(zé)展示設(shè)備狀態(tài)與測(cè)量數(shù)據(jù)，提供動(dòng)態(tài)刷新、上傳與數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

2.4.1 數(shù)據(jù)展示

使用HTML、CSS、JavaScript構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示界面。

2.4.2 數(shù)據(jù)交互

通過(guò)JavaScript與后端API通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加載與交互功能。

2.5數(shù)據(jù)庫(kù) （MySQL）

數(shù)據(jù)庫(kù)則是包含數(shù)據(jù)采集后存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)可視化等重要功能。主要實(shí)現(xiàn)方式是當(dāng)后端API服務(wù)接收到數(shù)據(jù)后，調(diào)用持久化邏輯，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中以確保歷史記錄的完整性和可用性。系統(tǒng)主要通過(guò)Web前端發(fā)起HTTP請(qǐng)求，調(diào)用后端API獲取實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)。后端通過(guò)查詢(xún)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)返回所需數(shù)據(jù)，前端將數(shù)據(jù)以可視化方式呈現(xiàn)。同時(shí)，可通過(guò)Web前端發(fā)起數(shù)據(jù)導(dǎo)出請(qǐng)求，后端API處理導(dǎo)出邏輯，將指定數(shù)據(jù)生成文件。

圖1測(cè)試使用示意圖

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

依托國(guó)內(nèi)某在建機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目，采用手提式道面板板厚測(cè)量?jī)x進(jìn)行道面混凝土澆筑前的板體厚度測(cè)量。圖1為測(cè)量使用示意圖，其使用方法具體步驟如下所示。

步驟一：將裝置移動(dòng)至機(jī)場(chǎng)道面板的指定測(cè)量位置，啟動(dòng)測(cè)量裝置，滾輪確保設(shè)備底座在跑道上平穩(wěn)移動(dòng)，達(dá)到所需測(cè)量點(diǎn)后，裝置自動(dòng)穩(wěn)定在測(cè)量位置。

步驟二：?jiǎn)?dòng)云臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，根據(jù)傾角檢測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)膬A斜數(shù)據(jù)，云臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)通過(guò)多軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整激光測(cè)距模塊的角度，使其保持垂直于地面。激光測(cè)距模塊在調(diào)平完成后（Succes狀態(tài)）開(kāi)始對(duì)設(shè)備底座與道面板表面之間的距離進(jìn)行精確測(cè)量。

步驟三：數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)接收到的傾角、溫度、方位和厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行多傳感器融合和環(huán)境補(bǔ)償處理。數(shù)據(jù)處理模塊采用卡爾曼濾波算法優(yōu)化傾角和厚度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，并根據(jù)溫度傳感器的數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，以確保在不同溫度環(huán)境下的測(cè)量精度。

步驟四：數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將處理后的厚度數(shù)據(jù)和傾角信息實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)場(chǎng)新建E平滑混凝土道面板塊厚度為 40cm ，在室外氣溫 0^°C， 10^°C， 20^°C， 30^°C 和 40^°C 時(shí)，選擇施工區(qū)域內(nèi)塊板進(jìn)行厚度測(cè)量，將手提式測(cè)量?jī)x量測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)鋼卷尺量測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖2所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，在不同的室外氣溫下，儀器測(cè)得的最小板塊厚度與傳統(tǒng)量測(cè)方法所得結(jié)果與手提式板厚測(cè)量?jī)x結(jié)果一致，說(shuō)明儀器在日常溫度和極端溫度條件下的量測(cè)效果良好，可靠度較高。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于融合激光測(cè)距、自適應(yīng)感應(yīng)平衡、數(shù)據(jù)傳輸與智能化處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一款適用于機(jī)場(chǎng)混凝土道面澆筑前道面板板厚測(cè)量裝置。結(jié)合國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程對(duì)手提式板厚測(cè)量?jī)x量測(cè)效果進(jìn)行檢測(cè)。研究結(jié)果表明，當(dāng)室外氣溫分別為 0^°C， 10^°C， 20^°C， 30^°C 和40^°C 時(shí)，手提式板厚測(cè)量?jī)x量測(cè)結(jié)果同傳統(tǒng)鋼卷尺量測(cè)結(jié)果一致，無(wú)偏差。手提式板厚測(cè)量?jī)x具有良好的性能，數(shù)據(jù)量測(cè)可靠性較高，大幅提升了機(jī)場(chǎng)混凝土道面澆筑前厚度檢測(cè)的效率、精度和操作便捷性，顯著減少了人工干預(yù)導(dǎo)致的誤差，可用于機(jī)場(chǎng)混凝土道面澆筑前的板體厚度量測(cè)。

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