水泥混凝土路面错台三维检测软件开发

摘要

　　随着交通行业的蓬勃发展，水泥混凝土路面在我国得到了广泛应用。但由于各种因素的影响，水泥混凝土路面出现了不同程度的病害破损，对行车质量和交通安全造成了不利的影响。错台就是一种常见的路面病害，错台的存在会显着降低路面使用寿命和破坏路面行车的舒适度。本文以数字图像分析与处理为基础，设计开发了用于水泥混凝土路面错台三维检测软件系统。

　　针对现阶段水泥混凝土路面错台检测方法，本文在激光三角测量法基础上，根据水泥混凝土路面的特性，提出了利用面阵相机结合线阵激光检测技术测量错台方法，并基于 VC++和 SQL Server 2005 设计实现了水泥混凝土路面错台三维检测系统软件。本文首先给出了水泥混凝土路面错台三维检测系统总体设计、硬件系统设计和软件系统设计，然后给出了软件开发中使用的开发平台(Visual Studio 2008和SQLServer 2005)和关键技术(数据库技术、水晶报表技术和多线程技术)，最后给出了水泥混凝土路面错台三维检测软件系统的组成结构、功能模块划分以及各功能模块的设计与实现。完成了水泥混凝土路面错台数据采集、保存、分析、三维数字化显示、错台检测记录查询、统计和报表打印等功能的设计需求。

　　本文所设计的水泥混凝土路面错台三维检测系统有利于提高路面检测的效率和精度，为道路建成投入使用后的质量评价、养护，以及建立数字化的路况信息库提供科学客观的基础数据。

　　关键词：水泥混凝土路面，错台，三维检测，激光三角测距法，VC++

Abstract

　　With the vigorous development of the transportation, cement concrete pavement has been widely used in our country. Because of the influence of various natural factors, the pavement appeared different degrees disease. All these have bad effects on the quality and safety of traffic. Joint faulting is a kind of pavement disease. The existence of the joint faulting will significantly reduce the service life of pavement and break the comfort of driving . This paper is based on the digital image technology, aims to develop a software system of three-dimension detection about cement concrete pavement joint faulting.

　　In view of the present stage detection method on the Joint faulting of cement concrete pavement, based on laser triangulation method, combined the properties of the cement concrete pavement, this paper puts forward a method to measure Joint faulting using the area array camera combines linear laser detection technology, design and realize the three-dimensional test software system of cement concrete pavement‘s joint faulting based on VC++ and SQL Server 2005.This paper, puts forward the overall design of three-dimension detection of cement concrete pavement joint faulting，the design of hardware system and software system firstly, then shows the development platform(Visual Studio 2008 and SQL Server 2005)and the key technologies(database technology, crystal reports technology and multi-threading technology) used in development of software, gives the structure and functional module of the three-dimension detection of cement concrete pavement joint faulting software system, and the design and implementation of each functional module lastly.

　　Completed the function design requirements of the data acquisition ,storage, analysis, three-dimension digital display of the joint faulting of cement concrete pavement , the check of joint faulting detection records, the printing of statistics and report.

　　The three-dimension detection system of cement concrete pavement joint faulting designed in this paper improves the pavement testing efficiency and precision . It can provide scientific and objective based data for the quality evaluation after the roads are built and put into use , as well as the establishment of road conditions digital information.

　　Key words: cement concrete pavement ;joint faulting ;three-dimension detection ;laser triangulation method ;VC++

　　世界上第一条水泥混凝土路诞生于 1868 年，是由苏格兰人铺筑的，用于运送货物到因弗内斯。19 世纪末，美国和德国也开始铺设水泥混凝土路面。随着各种生产技术和生产工艺的发展，水泥混凝土路面得到了快速的发展。从二十世纪二十年代开始，世界各国开始着重发展水泥混凝土路面，主要用于城市道路的建设和飞机场跑道的建设。

　　截止到 2011 年底，水泥混凝土路面在世界各国的交通道路网，尤其是交通量比较大的道路中已经占据了相当大的比例。比如，美国的水泥混凝土路面在其洲际高速公路中的比重已经超过 60%。在我国，水泥混凝土路面虽然出现的比较晚，但在道路交通中的发展十分迅速。我国在 1970 年，由于水泥比较紧缺、技术比较落后等因素，铺设的水泥混凝土的公路总里程只有大约200公里，在我国高级公路路面的总里程数中仅占0.9%。

　　随着我国综合实力的提高，近年来水泥混凝土路面在各个领域的路面建设中的比例日益加大。到 2012 年底，我国铺设的公路路面总里程已经达到了 229.51 万公里，与 2011年相比增加了 19.17 万公里。其中沥青路面和水泥混凝土路面总里程分别为 64.19 万公里和 165.32 万公里，与 2011 年相比，分别增加了 5.06 万公里和 14.10 万公里[1]。

　　我国之所以大力发展水泥混凝土路面，是因为水泥混凝土路面和沥青路面相比，有如下几个优势：(1) 水泥混凝土路面抗压能力比较高，抗磨耗和抗弯的力学强度也比较高，受外界自然环境和气候的影响发生的形变也比较小，因而具有比较好的稳定性和耐久性，特别是随着使用时间的增长它的强度一般都会增强，因而水泥混凝土公路的使用年限一般都比较长。不像沥青路面那样，随着使用时间的增加而容易产生“老化” 的现象。修建质量合格的水泥混凝土路面在允许的重载车辆通行的情况下，能正常使用长达三十年至四十年；(2)虽然一般情况下水泥混凝土路面都存在许多的接缝，但由于它的表面很少存在波浪变形和比较大的起伏，因而在通行各种重型车辆时，都能够保证比较良好的平整度。同时，水泥混凝土路面在降雨天气时仍能保持足够的粗糙度，和较大的摩擦系数，从而防止车辆打滑，保证车辆的安全行驶；(3)由于水泥混凝土路面一般都坚固耐久，因而在使用过程中养护和维修的工作量都比较小。所以，一旦水泥混凝土路面修建完成投入使用，后期所需要的养护费用与沥青路面相比明显的减少。因此水泥混凝土路面具有较高的经济效益；(4)水泥混凝土路面反光力比较强，路面的变化状况容易引起司机的注意，有利夜间行车[2]。

　　由此可见，水泥混凝土路面使用年限长，维修的工作量小，养护费用低，能较好地适应现代化交通建设。此外，水泥混凝土路面还具有耐久性好，稳定性好以及强度高等特质，具有现代化交通建设成本上的优势。因此，我国虽然水泥混凝土路面出现的比外国晚，但在道路交通建设中得到了广泛的应用[3]。

　　但是，水泥混凝土路面也存在一些无法避免的缺点与不足。水泥混凝土路面在铺设的时候需要设置足够数量的构造缝，这些构造缝会加大整个道路的施工难度，使得道路养护的复杂程度明显增加。如果对接缝的处理不当，在行车过程中会出现跳车的现象，这会明显的影响行车的舒适度。水泥混凝土路面的修复工作比较困难，因为路面一旦被损坏，开挖修复工作比较困难，而且修补工作量也相对比较大，同时修复工作会给城市道路交通的运行带来较大影响。

　　虽然，水泥混凝土路面在我国呈现持续高速发展的态势，但由于在道路设计、施工、后期养护以及运营等方面仍然存在着许多技术问题，这便导致了水泥混凝土路面的早期病害随处可见。这使得水泥混凝土路面不仅没有体现出其固有的使用寿命比较长、使用期内养护维修费用比较少和稳定性比较强等优势，反而进一步凸显出了其维修工作量大和对交通影响大等缺点，严重制约了水泥混凝土路面的发展[4]。因此，道路养护部门应该及时采取有效的养护措施对水泥混凝土路面进行必要的养护。制定养护决策的基础是对当前路况建立准确、客观的认识，这就需要对待养护的水泥混凝土路面破损状况进行检测[5]。

　　错台是水泥混凝土路面路面平整度的一个非常重要的指标，同时也是水泥混凝土路面最常见和最主要的病害之一。错台的意思是在水泥混凝土路面相邻的两块水泥板在其接缝处产生相对竖直方向位移的现象。错台的存在会使路面的使用寿命显着降低，并且会破坏路面的行车舒适度。

　　关于水泥混凝土路面的错台是如何产生的、如何进行分级和如何进行处治[6]，国内外研究人员已开展了大量的研究。错台的分级和处治方法为水泥混凝土路面养护管理部门对路面的养护和管理提供了依据，如果错台分级不当，路面处治方法也会相应地出现偏差，不仅浪费人力物力，还解决不了实际问题。因此，实现水泥混凝土路面错台的检测有着重要的研究价值和现实意义。本文来源于题为《路面状况自动检测与评价技术研究》的国家西部交通建设科技项目，本文的研究内容是文的一个重要组成部分。

　　国际高速公路研究协会(NCHRP, National Cooperative Highway Research Program)对包括联邦公路局、加拿大各省份、美国各州以及世界道路协会等 56 个在业界有一定权威性的道路交通部门多年来实际使用的错台检测技术进行了调研、分析，结果证明，当前使用普遍而且检测结果能得到认可的错台检测方法主要分为两大类：人工检测的方法和自动检测的方法。

　　佐治亚电子错台仪可以用来简单地测量水泥混凝土路面接缝处的错台量。水泥混凝土路面错台量的意思是水泥混凝土路面中相邻两块水泥板的横向接缝处的相对高差[7]。

　　使用时，将错台仪的支架底座放置于接缝上的车辆驶出板，通过按压装在提手处的按钮就可以直接获取所测接缝处的错台量，数据以毫米为单位[8]。

　　水泥混凝土路面错台三维检测软件测试：

基于激光三角法的图像采集平台连接示意图

基于激光三角法的图像采集平台实物连接图

系统软件主界面

为输入信息系统的提示对话框

显示基本信息的主界面

采集区域实时轮廓图的显示

相机采集并处理数据时软件进行提示

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 本文主要研究内容和结构安排
　　第二章 水泥混凝土路面错台三维检测系统总体结构设计
　　　　2.1 水泥混凝土路面错台三维检测系统设计原理
　　　　　　2.1.1 水泥混凝土路面错台三维检测系统设计原理
　　　　　　2.1.2 水泥混凝土路面错台三维检测系统工作流程
　　　　2.2 水泥混凝土路面错台三维检测系统硬件结构设计
　　　　2.3 水泥混凝土路面错台三维检测系统软件结构设计
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 水泥混凝土路面错台三维检测系统开发环境与关键技术
　　　　3.1 水泥混凝土路面错台三维检测系统开发环境
　　　　3.2 水泥混凝土路面错台三维检测系统开发平台
　　　　　　3.2.1 Visual Studio 2008
　　　　　　3.2.2 SQL Server 2005
　　　　3.3 水泥混凝土路面错台三维检测系统关键技术
　　　　　　3.3.1 ADO 数据库操作技术
　　　　　　3.3.2 水晶报表技术
　　　　　　3.3.3 三维图像数据实时存储方法
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 水泥混凝土路面错台三维检测系统软件设计与实现
　　　　4.1 软件设计要求
　　　　4.2 软件功能设计
　　　　　　4.2.1 水泥混凝土路面错台三维检测系统软件开发模型选择
　　　　　　4.2.2 水泥混凝土路面错台三维检测系统软件设计
　　　　4.3 软件功能模块设计
　　　　　　4.3.1 数据采集模块设计
　　　　　　4.3.2 数据处理模块设计
　　　　　　4.3.3 后台数据库设计
　　　　　　4.3.4 查询统计结果报表设计
　　　　　　4.3.5 串口通讯模块设计
　　　　4.4 软件功能实现
　　　　　　4.4.1 基本信息录入功能实现
　　　　　　4.4.2 三维数据采集功能实现
　　　　　　4.4.3 基于 matlab 混合编程的数据处理及三维显示功能实现
　　　　　　4.4.4 基本信息以及相关数据保存功能实现
　　　　　　4.4.5 查询统计结果报表功能实现
　　　　　　4.4.6 相机基本参数显示功能实现
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 水泥混凝土路面错台三维检测系统软件测试
　　　　5.1 软件测试概述
　　　　　　5.1.1 软件测试的原则
　　　　　　5.1.2 软件测试的方法
　　　　　　5.1.3 软件测试的阶段划分
　　　　5.2 系统软件测试准备工作
　　　　　　5.2.1 测试系统环境要求
　　　　　　5.2.2 软件测试硬件准备工作
　　　　5.3 系统软件测试
　　　　　　5.3.1 软件测试概要
　　　　　　5.3.2 软件测试结果
　　　　5.4 系统软件功能评价
　　　　5.5 系统软件改进方案
　　　　5.6 本章小结
　　参考文献
　　攻读学位期间取得的研究成果
　　致 谢

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