基于云技術(shù)的新型實驗教學(xué)平臺開發(fā)

劉國光+武志瑋+易瑩+張毅

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2014.01.032

收稿日期：2013-09-10

基金項目：中國民航大學(xué)實驗技術(shù)創(chuàng)新基金（01-13-02）；中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究課題（CAUC-ETRN-2013-18）

作者簡介：劉國光（1980-），男，中國民航大學(xué)機場學(xué)院講師，碩士，主要從事機場工程、建筑抗震、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)研究，（E-mail）ggliu@cauc.edu.cn。

摘要：基于計算機信息技術(shù)開發(fā)了實驗教學(xué)平臺，利用道面損傷狀況手持式采集設(shè)備作為客戶端，動態(tài)采集機場道面損傷狀況并上傳至服務(wù)器，建立了機場道面損傷狀況動態(tài)采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)圖文一體呈現(xiàn)道面損傷分布狀況以及多種個性化定制分析服務(wù)功能，通過開放性實驗的開發(fā)，為本科生識別道面損傷類型、評判道面損傷程度提供了一種技術(shù)先進(jìn)、手段完備、使用便捷的實驗教學(xué)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；云技術(shù)；道面損傷；道面狀況指數(shù)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）01-0127-03

道面損傷狀況的識別、評價和養(yǎng)護(hù)是交通工程本科生應(yīng)具備的一項非常重要的專業(yè)技能[1]。但受教學(xué)大綱要求和實驗手段限制，目前多以課堂教學(xué)為主，實驗實踐環(huán)節(jié)欠缺，尤其是機場工程領(lǐng)域，出于民航安全考慮，機場對外來人員限制嚴(yán)格，無法組織學(xué)生實地參觀學(xué)習(xí)，導(dǎo)致機場場道管理評價實驗課程始終未能達(dá)到知行合一的教學(xué)目的。而與應(yīng)用環(huán)節(jié)相關(guān)的關(guān)鍵知識，還需要學(xué)生畢業(yè)后逐步摸索學(xué)習(xí)。

機場工程道面管理的另一個突出問題是傳統(tǒng)道面巡視、調(diào)查、測試的各類數(shù)據(jù)通常是記錄在紙質(zhì)介質(zhì)或者以文件的形式存儲在計算機中，造成信息的保存、檢索效率低下。在維修養(yǎng)護(hù)時無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的有效分析以及缺乏與道面位置、結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)信息的聯(lián)系，導(dǎo)致道面性狀評價時，決策支持信息不充分[2-3]。道面管理中還缺乏對數(shù)據(jù)的合理保存、積累與處理，造成人工分析不具有可操作性，無法科學(xué)、準(zhǔn)確地分析道面性狀的發(fā)展趨勢，只能依據(jù)主觀經(jīng)驗來判斷維修策略。因此，導(dǎo)致所采取的維修策略有時不盡合理，且容易錯失最佳的維修時機，造成維修養(yǎng)護(hù)資金不能充分發(fā)揮作用，道面維修養(yǎng)護(hù)工作的反饋、監(jiān)察機制也不夠完善[4]。

為滿足實驗教學(xué)需求，針對上述問題開發(fā)了一套基于云技術(shù)的實驗教學(xué)開放平臺，將科研成果引入教學(xué)實踐，提出了機場道面狀況手持式采集設(shè)備[5]，將道面的損傷類型、程度與不同的顏色一一對應(yīng)后動態(tài)標(biāo)識出場道損傷的位置及其程度，直觀、簡潔地把整個機場道路的損傷情況反映出來，再根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價和分析。所開發(fā)的新型數(shù)字化教學(xué)平臺供學(xué)生實驗實踐學(xué)習(xí)，取得了較好效果。

一、實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

（一）設(shè)計思路

道面管理實驗教學(xué)平臺采用了云技術(shù)的設(shè)計理念，以手機應(yīng)用程序為客戶端，將在線服務(wù)器為控制端，客戶端僅進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載，由服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。教學(xué)平臺在Visual Studio 2008平臺下使用C#語言搭建一個基于SQLServer數(shù)據(jù)庫的云平臺。道面管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析。改變了傳統(tǒng)道面數(shù)據(jù)錄入方式，采用B/S結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍更廣，錄入方式簡單方便。給每個學(xué)生客戶端分配特有的態(tài)密碼，學(xué)生只能訪問自己所在分組的信息，保證不同分組間數(shù)據(jù)的獨立性和安全性。而分析功能的模塊化設(shè)計更利于評估學(xué)生對相應(yīng)模塊的掌握程度。

（二）實驗教學(xué)平臺的功能

道面管理實驗教學(xué)平臺對學(xué)生上傳的道面狀況數(shù)據(jù)可進(jìn)行多種分析，包括道面損傷分布狀況色譜圖、計算道面損傷狀況指數(shù)和維護(hù)措施建議等。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，提供給專家輔助分析。對于道面二維色譜圖的開發(fā)主要運用了MFC平臺，用C++語言將采集到的數(shù)據(jù)以圖形化的形式動態(tài)地展現(xiàn)在用戶面前。比如某一塊道面板出現(xiàn)了幾種不同類型的損傷，或者出現(xiàn)了需要修補的道面時可自動報警，從而大大減少了用戶從海量數(shù)據(jù)中提取信息的難度，并且可以直觀觀察道面損傷類型以及分布規(guī)律，如圖1所示。

圖1 道面損傷分布狀況色譜圖

根據(jù)學(xué)生所在分組上傳的道面圖像、損壞類型和損壞程度，按照相應(yīng)規(guī)范計算道面損傷狀況指數(shù)。在計算PCI后，可根據(jù)規(guī)范計算道面板有效使用厚度，根據(jù)機場道面板在飛機輪載作用下的振動頻率或位移值，可直接得到機場跑道承載力，從而模擬場道管理中的主要環(huán)節(jié)，為學(xué)生掌握道面損傷識別方法、損傷程度判斷和損傷病害分析提供實驗實踐平臺。

道面管理實驗教學(xué)平臺的另一特色是初步實現(xiàn)了道面損傷狀況的計算機智能識別，這對于缺少工程實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說非常有幫助。通過智能識別道面損傷狀況，可以實時對學(xué)生的道面狀況評價結(jié)果進(jìn)行反饋。在云技術(shù)出現(xiàn)以前，這種方法是難以實現(xiàn)的，因為道面損傷狀況的圖像識別需要大型分析程序的圖像處理分析。道面管理實驗教學(xué)平臺利用云技術(shù)，將分析程序放置于客戶端，充分發(fā)揮了云計算的特點。同時，分析程序會根據(jù)客戶端提供的確認(rèn)信息進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，在給出評價的同時記錄分析所采集圖像的特征矩陣及其對應(yīng)的道面損傷類別和程度，并將其記錄在數(shù)據(jù)庫內(nèi)；如果給出的判斷結(jié)果同客戶端反饋的結(jié)果不一致，則作出特殊標(biāo)記并通知管理員，在管理員核實后錄入數(shù)據(jù)庫。這樣可以幫助程序在海量數(shù)據(jù)中不斷完善，降低評級結(jié)果出錯的可能性。道面管理實驗教學(xué)平臺的道面損傷狀況圖像識別分析程序?qū)Φ烂婵斩春土芽p的圖像識別結(jié)果如圖2、3所示?？梢?，通過對道面損傷圖像的分析處理，將數(shù)字圖片轉(zhuǎn)換為只為黑白兩種像素的圖像后，可通過分析像素的分布規(guī)律判定損傷類型和損傷程度。由于道面損傷情況復(fù)雜，分析程序還需不斷完善。

圖2 道面孔洞的圖像識別結(jié)果

圖3 道面裂縫的圖像識別結(jié)果

二、實驗教學(xué)平臺的特色

（一）方便快捷的道面狀況采集方法

道面管理實驗教學(xué)平臺的開發(fā)采用了一種自行設(shè)計開發(fā)具有自主專利技術(shù)的道面狀況手持式終端采集器，并結(jié)合與之相應(yīng)的道面損傷狀況動態(tài)采集方法，能提高采集效率、減少數(shù)據(jù)出錯概率?？稍诔浞掷矛F(xiàn)有資源基礎(chǔ)上結(jié)合計算機信息技術(shù)實現(xiàn)道面狀況的實時、動態(tài)采集，實現(xiàn)試驗手段、試驗方法和試驗評價的有效整合。

（二）道面損傷狀況的色譜圖顯示法

道面管理實驗教學(xué)平臺運用數(shù)據(jù)庫將道面的損傷類型、程度與不同的顏色一一對應(yīng)后存儲起來，搭建一個數(shù)據(jù)共享、寬接口、多功能、易升級的數(shù)據(jù)管理、分析結(jié)構(gòu)體系。動態(tài)標(biāo)識出場道損傷的位置及其程度，直觀、簡潔地把整個機場道路的損傷情況反映出來，利用累積數(shù)據(jù)分析不同類型的道面損傷的分布規(guī)律及發(fā)展趨勢，如圖1所示。

（三）開放性實驗的設(shè)計

為保證道面管理實驗教學(xué)平臺運行質(zhì)量，組織學(xué)生對軟件進(jìn)行了壓力測試，主要測試軟件同時多人登錄的系統(tǒng)反應(yīng)能力，從而設(shè)計實驗教學(xué)班容量，并組織學(xué)生進(jìn)行開放實驗的模擬教學(xué)。開放性實驗包括如下3個部分。

一是，班級規(guī)模設(shè)計：根據(jù)學(xué)生專業(yè)課選課情況及實驗教學(xué)班容量要求，設(shè)計班級規(guī)模為18人。

二是，試驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計：包括道面損傷狀況的分類、道面損傷程度評價、道面損傷處理和道面狀況指數(shù)的計算等，計劃8個教學(xué)課時，12個實踐課時。最終成績以出勤率和實踐報告為依據(jù)。

三是，試驗實踐環(huán)節(jié)設(shè)計：以校園內(nèi)兩條道路為實踐場所，一條新建道路，一條舊道路，通過對比分析道面損傷類型，評估道面損傷程度，評價道面狀況指數(shù)，給出道面維護(hù)建議。其中，前3項內(nèi)容，通過學(xué)生下載客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理員通過管理模塊中的圖像識別功能進(jìn)行遠(yuǎn)程評價，學(xué)生可以實時得到評價結(jié)果。道面維護(hù)建議部分根據(jù)學(xué)生的不同分析結(jié)果，書面給分。通過實踐教學(xué)，使學(xué)生深入理解教材中所給出的道面損傷評價方法，以模擬實踐操作的形式，為學(xué)生就業(yè)提供有效的專業(yè)技能培訓(xùn)。

三、結(jié)語

基于云技術(shù)的道面管理實驗教學(xué)平臺開拓了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的形式，給學(xué)生更多模擬工程實踐的鍛煉機會，同時，以更接近場道管理實踐的形式，為學(xué)生展示了場道管理中道面維護(hù)的整個流程，增強了學(xué)生對道面損傷的識別和處理能力，可有效提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力，提高工作后適應(yīng)崗位要求的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)海，張金喜.面向培養(yǎng)卓越工程師的交通工程專業(yè)課程體系探討[J].教育教學(xué)論壇，2013（33）：226-227.

[2] 易瑩，張毅，張詩夢，等.數(shù)字化管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及其在民航機場場道檢測中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012（32）：32.

[3] 李莉，孫立軍，陳長.適于路面破損圖像處理的邊緣檢測方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（5）：688-692.

[4] 王維，韓利斌.機場道面使用性能預(yù)估理論和模型[J].中國民航學(xué)院學(xué)報， 2007，25（2）：28-32.

[5] 武志瑋，劉國光，易瑩，等.手持式機場混凝土道面狀況采集器及控制方法[P].中國，CN102691253A.

Development of new experiment teaching platform based on cloud technology

LIU Guoguang， WU Zhiwei， YI Ying， ZHANG Yi

（Airport College， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， P. R. China）

Abstract： A new experiment teaching platform was developed based on the computer information technology. The hand-held acquisition equipment of client end was used to collect pavement damage conditions， which were dynamically uploaded to service end. By the service end and client end， the airport pavement cloud management system was capable of describing pavement damage conditions by pictures and data. And many other analysis functions could be applied by separated models. Besides the development of pavement cloud management system， an open experiment was designed for students to recognize and evaluate pavement damage in a new and scientific method.

Keywords： experiment teaching； cloud technology； pavement damage； pavement condition index

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

（一）方便快捷的道面狀況采集方法

道面管理實驗教學(xué)平臺的開發(fā)采用了一種自行設(shè)計開發(fā)具有自主專利技術(shù)的道面狀況手持式終端采集器，并結(jié)合與之相應(yīng)的道面損傷狀況動態(tài)采集方法，能提高采集效率、減少數(shù)據(jù)出錯概率。可在充分利用現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上結(jié)合計算機信息技術(shù)實現(xiàn)道面狀況的實時、動態(tài)采集，實現(xiàn)試驗手段、試驗方法和試驗評價的有效整合。

（二）道面損傷狀況的色譜圖顯示法

道面管理實驗教學(xué)平臺運用數(shù)據(jù)庫將道面的損傷類型、程度與不同的顏色一一對應(yīng)后存儲起來，搭建一個數(shù)據(jù)共享、寬接口、多功能、易升級的數(shù)據(jù)管理、分析結(jié)構(gòu)體系。動態(tài)標(biāo)識出場道損傷的位置及其程度，直觀、簡潔地把整個機場道路的損傷情況反映出來，利用累積數(shù)據(jù)分析不同類型的道面損傷的分布規(guī)律及發(fā)展趨勢，如圖1所示。

（三）開放性實驗的設(shè)計

為保證道面管理實驗教學(xué)平臺運行質(zhì)量，組織學(xué)生對軟件進(jìn)行了壓力測試，主要測試軟件同時多人登錄的系統(tǒng)反應(yīng)能力，從而設(shè)計實驗教學(xué)班容量，并組織學(xué)生進(jìn)行開放實驗的模擬教學(xué)。開放性實驗包括如下3個部分。

一是，班級規(guī)模設(shè)計：根據(jù)學(xué)生專業(yè)課選課情況及實驗教學(xué)班容量要求，設(shè)計班級規(guī)模為18人。

二是，試驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計：包括道面損傷狀況的分類、道面損傷程度評價、道面損傷處理和道面狀況指數(shù)的計算等，計劃8個教學(xué)課時，12個實踐課時。最終成績以出勤率和實踐報告為依據(jù)。

三是，試驗實踐環(huán)節(jié)設(shè)計：以校園內(nèi)兩條道路為實踐場所，一條新建道路，一條舊道路，通過對比分析道面損傷類型，評估道面損傷程度，評價道面狀況指數(shù)，給出道面維護(hù)建議。其中，前3項內(nèi)容，通過學(xué)生下載客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理員通過管理模塊中的圖像識別功能進(jìn)行遠(yuǎn)程評價，學(xué)生可以實時得到評價結(jié)果。道面維護(hù)建議部分根據(jù)學(xué)生的不同分析結(jié)果，書面給分。通過實踐教學(xué)，使學(xué)生深入理解教材中所給出的道面損傷評價方法，以模擬實踐操作的形式，為學(xué)生就業(yè)提供有效的專業(yè)技能培訓(xùn)。

三、結(jié)語

基于云技術(shù)的道面管理實驗教學(xué)平臺開拓了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的形式，給學(xué)生更多模擬工程實踐的鍛煉機會，同時，以更接近場道管理實踐的形式，為學(xué)生展示了場道管理中道面維護(hù)的整個流程，增強了學(xué)生對道面損傷的識別和處理能力，可有效提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力，提高工作后適應(yīng)崗位要求的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)海，張金喜.面向培養(yǎng)卓越工程師的交通工程專業(yè)課程體系探討[J].教育教學(xué)論壇，2013（33）：226-227.

[2] 易瑩，張毅，張詩夢，等.數(shù)字化管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及其在民航機場場道檢測中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012（32）：32.

[3] 李莉，孫立軍，陳長.適于路面破損圖像處理的邊緣檢測方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（5）：688-692.

[4] 王維，韓利斌.機場道面使用性能預(yù)估理論和模型[J].中國民航學(xué)院學(xué)報， 2007，25（2）：28-32.

[5] 武志瑋，劉國光，易瑩，等.手持式機場混凝土道面狀況采集器及控制方法[P].中國，CN102691253A.

Development of new experiment teaching platform based on cloud technology

LIU Guoguang， WU Zhiwei， YI Ying， ZHANG Yi

（Airport College， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， P. R. China）

Abstract： A new experiment teaching platform was developed based on the computer information technology. The hand-held acquisition equipment of client end was used to collect pavement damage conditions， which were dynamically uploaded to service end. By the service end and client end， the airport pavement cloud management system was capable of describing pavement damage conditions by pictures and data. And many other analysis functions could be applied by separated models. Besides the development of pavement cloud management system， an open experiment was designed for students to recognize and evaluate pavement damage in a new and scientific method.

Keywords： experiment teaching； cloud technology； pavement damage； pavement condition index

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

（一）方便快捷的道面狀況采集方法

道面管理實驗教學(xué)平臺的開發(fā)采用了一種自行設(shè)計開發(fā)具有自主專利技術(shù)的道面狀況手持式終端采集器，并結(jié)合與之相應(yīng)的道面損傷狀況動態(tài)采集方法，能提高采集效率、減少數(shù)據(jù)出錯概率?？稍诔浞掷矛F(xiàn)有資源基礎(chǔ)上結(jié)合計算機信息技術(shù)實現(xiàn)道面狀況的實時、動態(tài)采集，實現(xiàn)試驗手段、試驗方法和試驗評價的有效整合。

（二）道面損傷狀況的色譜圖顯示法

道面管理實驗教學(xué)平臺運用數(shù)據(jù)庫將道面的損傷類型、程度與不同的顏色一一對應(yīng)后存儲起來，搭建一個數(shù)據(jù)共享、寬接口、多功能、易升級的數(shù)據(jù)管理、分析結(jié)構(gòu)體系。動態(tài)標(biāo)識出場道損傷的位置及其程度，直觀、簡潔地把整個機場道路的損傷情況反映出來，利用累積數(shù)據(jù)分析不同類型的道面損傷的分布規(guī)律及發(fā)展趨勢，如圖1所示。

（三）開放性實驗的設(shè)計

為保證道面管理實驗教學(xué)平臺運行質(zhì)量，組織學(xué)生對軟件進(jìn)行了壓力測試，主要測試軟件同時多人登錄的系統(tǒng)反應(yīng)能力，從而設(shè)計實驗教學(xué)班容量，并組織學(xué)生進(jìn)行開放實驗的模擬教學(xué)。開放性實驗包括如下3個部分。

一是，班級規(guī)模設(shè)計：根據(jù)學(xué)生專業(yè)課選課情況及實驗教學(xué)班容量要求，設(shè)計班級規(guī)模為18人。

二是，試驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計：包括道面損傷狀況的分類、道面損傷程度評價、道面損傷處理和道面狀況指數(shù)的計算等，計劃8個教學(xué)課時，12個實踐課時。最終成績以出勤率和實踐報告為依據(jù)。

三是，試驗實踐環(huán)節(jié)設(shè)計：以校園內(nèi)兩條道路為實踐場所，一條新建道路，一條舊道路，通過對比分析道面損傷類型，評估道面損傷程度，評價道面狀況指數(shù)，給出道面維護(hù)建議。其中，前3項內(nèi)容，通過學(xué)生下載客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理員通過管理模塊中的圖像識別功能進(jìn)行遠(yuǎn)程評價，學(xué)生可以實時得到評價結(jié)果。道面維護(hù)建議部分根據(jù)學(xué)生的不同分析結(jié)果，書面給分。通過實踐教學(xué)，使學(xué)生深入理解教材中所給出的道面損傷評價方法，以模擬實踐操作的形式，為學(xué)生就業(yè)提供有效的專業(yè)技能培訓(xùn)。

三、結(jié)語

基于云技術(shù)的道面管理實驗教學(xué)平臺開拓了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的形式，給學(xué)生更多模擬工程實踐的鍛煉機會，同時，以更接近場道管理實踐的形式，為學(xué)生展示了場道管理中道面維護(hù)的整個流程，增強了學(xué)生對道面損傷的識別和處理能力，可有效提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力，提高工作后適應(yīng)崗位要求的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)海，張金喜.面向培養(yǎng)卓越工程師的交通工程專業(yè)課程體系探討[J].教育教學(xué)論壇，2013（33）：226-227.

[2] 易瑩，張毅，張詩夢，等.數(shù)字化管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及其在民航機場場道檢測中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012（32）：32.

[3] 李莉，孫立軍，陳長.適于路面破損圖像處理的邊緣檢測方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（5）：688-692.

[4] 王維，韓利斌.機場道面使用性能預(yù)估理論和模型[J].中國民航學(xué)院學(xué)報， 2007，25（2）：28-32.

[5] 武志瑋，劉國光，易瑩，等.手持式機場混凝土道面狀況采集器及控制方法[P].中國，CN102691253A.

Development of new experiment teaching platform based on cloud technology

LIU Guoguang， WU Zhiwei， YI Ying， ZHANG Yi

（Airport College， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， P. R. China）

Abstract： A new experiment teaching platform was developed based on the computer information technology. The hand-held acquisition equipment of client end was used to collect pavement damage conditions， which were dynamically uploaded to service end. By the service end and client end， the airport pavement cloud management system was capable of describing pavement damage conditions by pictures and data. And many other analysis functions could be applied by separated models. Besides the development of pavement cloud management system， an open experiment was designed for students to recognize and evaluate pavement damage in a new and scientific method.

Keywords： experiment teaching； cloud technology； pavement damage； pavement condition index

（編輯 梁遠(yuǎn)華）