CN211877013U - 一种道面的全波段断面检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及道路与机场工程领域，特别是涉及一种道面的全波段断面检测系统。本实用新型提供一种道面的全波段断面检测系统，包括高频率高程测量装置、低频率高程测量装置、数据收集装置和载具，所述高频率高程测量装置、低频率高程测量装置位于载具上，所述高频率高程测量装置包括位移测量装置、振幅测量装置和距离测量装置，所述低频率高程测量装置包括GNSS移动定位主机、卫星定位天线。本实用新型所提供的道面全波段断面检测系统与方法，可以针对现有机场跑道断面仪无法检测长波，检测效率低的问题，采用短波测量与长波测量相结合的方式，整体上具有可重复性、科学性与准确性等优点。

Description

一种道面的全波段断面检测系统

技术领域

本实用新型涉及道路与机场工程领域，特别是涉及一种道面的全波段断面检测系统。

背景技术

目前实测机场道面断面的方法可归为两类：I类，相对轮廓法(Relativeprofile)；II类，真实轮廓法(Ture profile)。第I类测得的高程数据是基于一个绝对参考面，以准确获得整条测线的真实断面。测试仪器主要有手持式断面仪Face Dipstick、ARRB、Walking Profiler G2和水准仪(Automated Rod and Level)等。第II类测得的高程数据是基于惯性参考面或参考点，测试仪器主要包括便携式激光轮廓仪(Portable laserprofiler)和车载多激光轮廓仪(multi-laserprofiler vehicle)等。第I类可靠准确，能获得整条测线的全波长范围，但其花费时间与人力较多。第II类虽然有测试速度快的优点，但其能检测到的波长范围较小，大多数激光检测仪能测得的最大波长为45m，但飞机高速滑跑下最大敏感波长能达到120m，无法满足道面全波段检测的目的，一般要结合第I类断面检测方法共同进行。

目前我国在机场道面养护管理系统中，在进行平整度测试时采用3m直尺、水准仪、连续式平整度仪相结合的方法。与传统道路不同，机场跑道十分“繁忙”，难以长时间停航，尤其民用机场夜晚停航时间十分有限，机场平整度检测往往需要花费一周甚至更长的时间，且间断性测量不利于保障数据的可靠性和准确性。因此，道面高程的检测仪器需能检测道面全波段数据，且需具有快速、经济、精确的特点。

此外，跑道相比于普通道路更宽，飞机轮距相比于车辆也更宽，不可忽略不同纵断面在横向上的差异。一些大型机场(4E、4F)可运营A330、A380、B777等机型，其主起落架间距在10m以上，且可能存在一定的轮迹偏移现象。现有的三维激光断面仪是以车辆为载体，在车辆前端的检测梁上放置多个激光传感器，对一车道内的多条纵断面数据进行同步测量。但由于车辆宽度有限，检测梁宽一般为2～3m，无法满足道面宽度(45m～60m)的要求。因此，为探究跑道对飞机滑行产生的激励，需要对道面进行多条平行纵断面的测量，以实现三维道面高程检测。

为了获得机场三维道面全波段的断面数据，由于检测方法与仪器的多样性与局限性，目前并没有一个良好的可视化平台实时展现跑道全长的断面数据，来判断数据的可靠性与调整检测车辆的行径。一方面现有的机场断面检测方法主要包括水准仪和连续式平整度仪等，存在数据来源与数据测试时长不统一，测试路径不一致等问题，难以进行数据融合与分析；另一方面，检测车辆毕竟为人工驾驶，整条跑道长约3000m，难免存在偏移测线的路段，需要一个实时定位的展示平台，以便实时进行驾驶行径的调整，避免相邻测线之间存在检测行径交叉等问题。因此，需在检测过程配有一套数据管理平台以供数据展示与实时监测。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种道面的全波段断面检测系统，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型一方面提供一种道面的全波段断面检测系统，包括高频率高程测量装置、低频率高程测量装置、数据收集装置和载具，所述高频率高程测量装置、低频率高程测量装置位于载具上，所述高频率高程测量装置包括位移测量装置、振幅测量装置和距离测量装置，所述位移测量装置、振幅测量装置和距离测量装置与数据收集装置信号连接，所述低频率高程测量装置包括GNSS移动定位主机、卫星定位天线，所述GNSS移动定位主机与卫星定位天线信号连接，所述GNSS移动定位主机与数据收集装置信号连接。

在本实用新型一些实施方式中，所述载具选自机动车。

在本实用新型一些实施方式中，距离测量装置可以位于载具的车轮上。

在本实用新型一些实施方式中，所述位移测量装置距离道面300mm～350mm，所述振幅测量装置距离道面300mm～350mm，所述位移测量装置、振幅测量装置、卫星定位天线位于载具轮迹上方。

在本实用新型一些实施方式中，当进行道面的全波段断面检测时，在所述载具的行驶方向上，位移测量装置与振幅测量装置紧邻。

在本实用新型一些实施方式中，所述数据收集装置位于载具上。

在本实用新型一些实施方式中，所述道面选自机场道面。

附图说明

图1显示为本实用新型道面的全波段断面检测系统的结构示意图。

图2显示为本实用新型低频测量点数据与高频测量点数据的融合示意图。

图3显示为本实用新型实施例1中跑到中心线检测线路示意图。

图4(a)显示为本实用新型实施例1中沿跑道中心线的高频数据示意图。

图4(b)显示为本实用新型实施例1中沿跑道中心线的低频数据示意图。

图4(c)显示为本实用新型实施例1中沿跑道中心线的检测结果示意图。

图5(a)显示为本实用新型实施例1中各条测线测量结果示意图。

图5(b)显示为本实用新型实施例1中道面的三维高程数据测量结果示意图。

元件标号说明

1 高频率高程测量装置

11 位移测量装置

12 振幅测量装置

13 距离测量装置

2 低频率高程测量装置

21 GNSS移动定位主机

22 卫星定位天线

3 数据收集装置

4 载具

5 高频率高程测量装置采样

间距

6 低频率高程测量装置采样

间距

7 机场跑道

71 跑道起点线

72 跑道终点线

8 检测线路

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请实用新型的其他优点及功效。

本实用新型发明人经过大量实践研究，提供了一种道面的全波段断面检测系统和方法，所述道面的全波段断面检测系统和方法可以高效、科学、准确与可视化地测量出测量出道面形状，并可以探测到道面上可能存在的沿跑道延伸方向的纵向不平整与垂直跑道延伸方向的横向坡度，具有良好的产业化前景，在此基础上完成了本实用新型。

本实用新型第一方面提供一种道面的全波段断面检测系统，如图1所示，包括载具4、高频率高程测量装置1、低频率高程测量装置2和数据收集装置3，所述高频率高程测量装置1、低频率高程测量装置2位于载具4上，所述高频率高程测量装置1包括位移测量装置11、振幅测量装置12和距离测量装置13，所述位移测量装置11、振幅测量装置12和距离测量装置13与数据收集装置3信号连接，所述低频率高程测量装置2包括GNSS移动定位主机21、卫星定位天线22，所述GNSS移动定位主机21与卫星定位天线22信号连接，所述GNSS移动定位主机21与数据收集装置3信号连接。本实用新型所提供的全波段断面检测系统可以应用于大面积道面的快速检测，例如，可以是机场道面等。所述大面积道面的长度通常可以为≥2km、≥3km、或≥4km，宽度通常可以为≥20m、≥30m、≥40m、≥50m、或≥60m。检测时通常需要在待检测的道面的延伸方向上确定多个检测线路，随后可以将载具4沿检测线路移动，在载具4移动过程中通过低频率高程测量装置2收集载具的经纬度数据和高程数据，并根据收集获得的经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，以提供各低频测量点的道面高程，还需要通过位移测量装置11收集载具4与道面之间的瞬时间距，通过振幅测量装置12收集载具4的振幅，将载具4与道面之间的瞬时间距和载具4的振幅相叠加，并通过距离测量装置13确定位移测量装置11和振幅测量装置12测量获得的数据所对应的道面位置，以获得各高频测量点相对于低频测量点的道面高程变化，随后即可将低频测量点的道面高程数据与各高频测量点的载具4与道面之间的校准后的间距进行融合，即可提供道面的全波段断面检测结果，从而可以高效、科学、准确与可视化地测量出道面形状，并可以探测到道面上可能存在的沿跑道延申方向的纵向不平整与垂直跑道延申方向的横向坡度。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，本领域技术人员可以选择合适的载具4以用于本实用新型。具体来说，所述载具4通常可以用于负载高频率高程测量装置1、低频率高程测量装置2，并可以沿着检测线路移动，从而在载具4沿着检测线路移动时，通过高频率高程测量装置1、低频率高程测量装置2收集检测数据。例如，所述载具4可以是机动车等。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，所述高频率高程测量装置1和低频率高程测量装置2中用于收集路面信息的部分，通常可以位于载具4的轮迹上方，从而可以更加准确的测量出载具4所经过的道面的路面信息，例如，当进行道面的全波段断面检测时，所述位移测量装置11和/或振幅测量装置12和/或卫星定位天线22可以位于载具4轮迹上方。此外，各装置之间在载具4的行驶方向上通常也需要有合适的距离，例如，当进行道面的全波段断面检测时，在所述载具4的行驶方向上，位移测量装置11与振幅测量装置12通常紧邻、且应该尽量靠近。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，位移测量装置11可以用于收集载具4与道面之间的瞬时间距，此处的载具4与道面之间的瞬时间距通常指载具4上位移测量装置11所在的对应位置与道面之间的距离，而并不一定是载具4车底与道面之间的距离。所述位移测量装置11可以是例如(激光)位移传感器等。所述位移测量装置11与道面之间通常需要有合适的间距，例如，所述位移测量装置11通常可以距离道面300mm～350mm。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，振幅测量装置12可以用于收集载具4的振幅，从而可以将载具与道面之间的瞬时间距和载具4的振幅相叠加，并通过距离测量装置13确定位移测量装置11和振幅测量装置12测量获得的数据所对应的道面位置。所述振幅测量装置12可以是例如加速度传感器，通过二次积分后即可获得载具4的振动幅度。所述振幅测量装置12与道面之间通常需要有合适的间距，例如，所述振幅测量装置12通常可以距离道面300mm～350mm。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，距离测量装置13可以用于收集载具4的移动距离，从而可以通过距离测量装置13确定位移测量装置11和振幅测量装置12测量获得的数据所对应的道面位置。所述距离测量装置13可以是例如距离传感器等。所述距离测量装置13在载具上的位置对于本领域技术人员来说是可以适当调整的，只要能够准确地反应出载具在检测线路上的移动距离即可，例如，所述距离测量装置13可以位于载具的车轮上。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，GNSS移动定位主机21通常可以与卫星定位天线22相配合，形成低频率高程测量装置。所述低频率高程测量装置通常可以通过卫星定位，获得测量点(例如，卫星定位天线的位置)的经纬度数据和高程数据，从而根据收集获得的经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，以提供各低频测量点的道面高程。所述卫星定位天线22通常可以位于载具上方。

本实用新型所提供的全波段断面检测系统中，所述数据收集装置3可以位于载具4上，也可以不位于载具4上，其主要是用于收集各检测装置的数据信息，并可以按照本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法对数据进行处理，以提供道面的全波段断面检测结果。

本实用新型第二方面提供一种道面的全波段断面检测方法，使用本实用新型第一方面所提供的道面的全波段断面检测系统，包括如下步骤：

1)在待检测的道面的延伸方向上确定多个检测线路；

2)将载具4沿检测线路移动；

3)在载具4移动过程中通过低频率高程测量装置2收集载具的经纬度数据和高程数据，并根据收集获得的经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，以提供各低频测量点的道面高程；

4)在载具4移动过程中通过位移测量装置11收集载具4与道面之间的瞬时间距，通过振幅测量装置12收集载具4的振幅，将载具4与道面之间的瞬时间距和载具4的振幅相叠加，并通过距离测量装置13确定位移测量装置11和振幅测量装置12测量获得的数据所对应的道面位置，以获得各高频测量点相对于低频测量点的道面高程变化；

5)将步骤3所提供的低频测量点的道面高程数据与步骤4所提供的各高频测量点相对于低频测量点的道面高程变化进行融合，以提供道面的全波段断面检测结果。

本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法，可以包括：在待检测的道面上确定多个检测线路。通常来说，为了能够获取整个道面的完整信息，需要在待检测的道面的延伸方向上确定多个检测线路，从而可以将每个检测路线的检测信息融合，以获得整个道面的完整信息。通常来说，各检测路线之间的距离可以根据跑道宽度和跑道所适用的典型机型进行选取，例如，检测线路的延伸方向可以与道面的延伸方向一致，再例如，各检测线路可以互相平行，再例如，检测线路之间的间距可以为1～3米、1～1.5米、1.5～2米、2～2.5米、或2.5～3米，再例如，检测路线可以尽量为直线。

本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法，可以包括：将载具4沿检测线路移动。载具4在移动时，通常可以将高频率高程测量装置1和低频率高程测量装置2中用于收集路面信息的部分，置于载具4的轮迹上方(例如，当载具是四轮机动车时，可以是左轮迹或右轮迹)，从而可以更加准确的测量出载具4所经过的道面的路面信息。载具4的移动速度对于本领域技术人员来说是可以适当调整的，例如，所述载具的移动速度可以为30km/h～100km/h、30km/h～40km/h、40km/h～60km/h、60km/h～80km/h、或80km/h～100km/h。

本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法，可以包括：在载具4移动过程中通过低频率高程测量装置2收集载具的经纬度数据和高程数据，并根据收集获得的经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，以提供各低频测量点的道面高程。如上所述，GNSS移动定位主机21通常可以与卫星定位天线22相配合，形成低频率高程测量装置。本领域技术人员可选择合适的方法，通过经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，而通过测量点(例如，卫星定位天线的位置)的高程数据，即可获得道面的实际高程。例如，可以根据GNSS移动定位系统测得的经纬度数据与高程数据，减去车辆高度和卫星定位天线高度，获得道面距离-高程曲线。在本实用新型一具体实施例中，可以根据下式计算获得测量点的道面高程：H＝h-h'-h”，其中，H为道面高程，h为实测高程，h’为车辆的高度，h”为卫星定位天线的高度。本领域技术人员可选择合适的方法，通过经纬度数据确定测量获得的高程数据所对应的道面位置，例如，可以根据车辆的移动距离进行计算。在本实用新型另一具体实施例中，可以根据下式计算获得各高程数据所对应的道面位置：

其中，D为载具的行驶距离，R为地球平均半径，LonA、LatA分别为第一点A的经纬度，LonB、LatB分别为任一时刻任意点B的经纬度，Pi为圆周率。该公式通常适用于地处北半球与东半球的区域，当区域变化时，本领域技术人员可以对计算方法进行相应的调整。通常来说，所述低频率高程测量装置2的采样间距通常较大，其主要是用于获得道面的实际高程，以用于后续的数据融合，例如，所述低频率高程测量装置2的采样间距可以为0.01m～0.5m、0.01m～0.05m、0.05m～0.1m、0.1m～0.2m、0.2m～0.3m、0.3m～0.4m、或0.4m～0.5m。

本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法，可以包括：在载具4移动过程中通过位移测量装置11收集载具4与道面之间的瞬时间距，通过振幅测量装置12收集载具4的振幅，将载具4与道面之间的瞬时间距和载具4的振幅相叠加，从而获得道面各个高频测量点相对于同一平面的高程，并通过距离测量装置13确定位移测量装置11和振幅测量装置12测量获得的高频数据所对应的道面位置，以便高频测量点与低频测量点的位置对应，以获得各高频测量点相对于低频测量点的道面高程的变化。通常来说，所述高频率高程测量装置1的采样间距通常较小，采样点较密，其主要是用于获得各低频测量点之间的高频测量点相对于该低频测量点的高程差，从而可以填充各低频测量点之间的高程数据，以用于后续的数据融合，例如，所述低频率高程测量装置2的数据收集频率为0.1hz～20hz、0.1hz～0.2hz、0.2hz～0.4hz、0.4hz～0.6hz、0.6hz～0.8hz、0.8hz～1hz、1hz～2hz、2hz～4hz、4hz～6hz、6hz～8hz、8hz～10hz、10hz～15hz、或15hz～20hz。

本实用新型所提供的道面的全波段断面检测方法，可以包括：将步骤3所提供的低频测量点的道面高程数据与步骤4所提供的各高频测量点相对于低频测量点的道面高程变化进行融合，以提供道面的全波段断面检测结果。如上所述，数据融合时，可以将步骤4所提供的各高频测量点相对于低频测量点的道面高程的变化作为依据，在步骤3提供的低频测量点的道面高程数据的基础上，提供全波段断面检测结果。在进行数据融合时，可以先将各检测路线的数据进行融合，再将各检测路线的数据进行合并，以提供道面的全波段断面检测结果。

本实用新型所提供的道面全波段断面检测系统与方法，可以针对现有机场跑道断面仪无法检测长波，检测效率低的问题，采用短波测量与长波测量相结合的方式，整体上具有可重复性、科学性与准确性等优点，且检测结果可以以二维和三维方式呈现在数据管理平台，填补了无法实时可视化的空缺。此外，通过本实用新型所提供的方法实践证明，对于长约3km的跑道纵断面，仅需3～5分钟，这约是手持式断面仪所需时间的1/8，水准仪测量所需时间的1/20，表示本实用新型在检测数据合理的同时且具有高效性。

下面通过实施例对本申请的实用新型予以进一步说明，但并不因此而限制本申请的范围。

实施例1

某地机场跑道三维道面断面高程检测：

检测过程：

为验证本实用新型检测结果的可靠性、准确性与高效性，对某地机场跑道采用本实用新型所提供的系统进行三维道面的检测。跑道相比于普通道路更宽为探究三维跑道对飞机滑行产生的激励，现以1m为间隔，测试每条跑道的中心线及距中心线10m内的所有测线的断面高程数据，总计21条测线。实施例中，高频率高程测量装置包括由南京熙赢测控技术有限公司提供的激光位移传感器、加速度传感器和距离传感器，低频率高程测量装置采用由南方测绘SOUTH公司提供的GNSS移动定位主机与卫星定位天线，实际检测过程中车辆采用60km/h的速度，位移传感器、加速度传感器的采样间距为0.025m，GNSS移动定位系统采样频率为1hz，跑道全长3600m，实测每条纵向测线需要约5分钟(包括掉头时间)，2小时内共测试21条测线，体现了本实用新型检测系统的快速与高效。

首先将激光位移传感器与加速度传感器通过架子固定在车头前，将距离传感器固定在车辆后轮，连接以太网线以进行数据传输；同时将GNSS移动定位系统的卫星定位天线与网络天线通过吸盘固定在车上方，将GNSS移动定位系统的主机固定在移动站主机箱，接通电源后开机，等主机显示固定解状态，即可开始进行测量。

根据测量所得的数据，计算道面高程及其对应的道面位置，道面高程的测量方法如下：

H＝h-h'-h”；

其中，H为道面高程，h为实测高程，h’为车辆的高度，h”为卫星定位天线的高度。

载具的行驶距离的测量方法如下：

其中，D为载具的行驶距离，R为地球平均半径，LonA、LatA分别为第一点A的经纬度，LonB、LatB分别为任一时刻任意点B的经纬度，Pi为圆周率。

将高频率高程测量测量装置所得数据进行去异常值与去均值处理，并将处理后的短波(高频)数据(图4(a))与长波(低频)数据(图4(b))进行叠加，如图2所示，即可获得单一检测路线的全波段的道面断面曲线。

如图3所示，沿跑道中心线来回跑两次，即可测得跑道中心线的道面断面曲线。图4(c)为跑道中心线高程-距离二维坐标，由于两次检测分别从跑道的两端出发，所以将其中一条线条水平翻转后，即可对比两次测试的结果。由图4(c)可以看出，两次测试所得数据基本吻合，验证本实用新型检测结果的可重复性与可靠性。

随后，沿多条平行测线在同一起跑线开始进行检测，并剔除每条测线跑道起点和终点以外的数据，以其中三条测线数据为例，如图5(a)所示。随后将各条平行测线进行合并，在MATLAB软件中根据定位将各条检测线路所得道面断面曲线进行对齐，并采用surf函数绘制所测道面的三维高程曲面图，具体结果如图5(b)所示。将所测横坡与实际设计横坡进行比较，结果相近，说明本实用新型能够准确地重现跑道三维高程。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，包括高频率高程测量装置(1)、低频率高程测量装置(2)、数据收集装置(3)和载具(4)，所述高频率高程测量装置(1)、低频率高程测量装置(2)位于载具(4)上，所述高频率高程测量装置(1)包括位移测量装置(11)、振幅测量装置(12)和距离测量装置(13)，所述位移测量装置(11)、振幅测量装置(12)和距离测量装置(13)与数据收集装置(3)信号连接，所述低频率高程测量装置(2)包括GNSS移动定位主机(21)、卫星定位天线(22)，所述GNSS移动定位主机(21)与卫星定位天线(22)信号连接，所述GNSS移动定位主机(21)与数据收集装置(3)信号连接。

2.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，所述载具(4)为机动车。

3.如权利要求2所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，距离测量装置(13)位于载具的车轮上。

4.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，所述位移测量装置(11)距离道面300mm～350mm。

5.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，所述振幅测量装置(12)距离道面300mm～350mm。

6.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，所述位移测量装置(11)、振幅测量装置(12)、卫星定位天线(22)位于载具(4)轮迹上方。

7.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，当进行道面的全波段断面检测时，在所述载具(4)的行驶方向上，位移测量装置(11)与振幅测量装置(12)紧邻。

8.如权利要求1所述的一种道面的全波段断面检测系统，其特征在于，所述数据收集装置(3)位于载具(4)上。

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