瀝青路面壓實實時監(jiān)測及分析系統(tǒng)研究

張麗麗, 張立宏

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017；2. 山西永力實業(yè)有限公司，山西 太原 030006）

瀝青路面的現(xiàn)場壓實度指標是瀝青路面施工質(zhì)量控制的核心，國內(nèi)外相關(guān)研究表明，壓實度不足是導致路面早期損害的主要原因之一（水損害、老化、車轍等等）［1-2］。目前傳統(tǒng)的碾壓工藝主要依據(jù)壓路機操作手的經(jīng)驗估算壓實次數(shù)，通過施工完成后的壓實度檢測控制壓實質(zhì)量［3-4］，由于壓路機操作手無法及時獲取當前路表溫度信息，僅按照順序進行碾壓，部分路段的壓實效果達不到要求，并且事后取芯檢測壓實度的質(zhì)量控制方法不全面又滯后，無法滿足過程質(zhì)量控制的需求。

為解決傳統(tǒng)碾壓工藝所存在的問題，本文基于高精度GPS（cm級精度）、紅外溫度傳感器等外部硬件設(shè)備，開發(fā)了基于碾壓次數(shù)和碾壓溫度瀝青路面壓實實時監(jiān)測及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時采集碾壓過程中的壓實次數(shù)和路表溫度信息，并以彩圖的方式實時地反饋給操作手，避免欠壓和超壓，不僅提高了瀝青路面的壓實質(zhì)量，而且在提高施工效率、減少燃油消耗、保護環(huán)境方面都有積極的作用。

1 壓實關(guān)鍵控制參數(shù)分析

1.1 壓實度實時檢測技術(shù)

目前已有的壓實度實時檢測技術(shù)主要包括CMV檢測系統(tǒng)、日本酒井（SAKAI）CCV、BOMAG的Evib［5-7］。CMV檢測系統(tǒng)利用振動輪垂直加速度諧波分量，反映材料被壓實的程度，許多振動壓路機制造商如Dynapae、Caterpillar都采用了CMV測試系統(tǒng)。日本酒井公司的CCV（Compaction Control Value）與CMV系統(tǒng)采用了類似的算法，與CMV系統(tǒng)相比，CCV較為完整地采用了加速度信號諧波分量。BOMAG認為隨著鋪層材料的壓實，振動輪與被壓材料之間的相互作用力將增大，振動輪加速度信號特征的變化正是這種力學特性變化的反映，將檢測到的振動輪加速度信號通過信號處理并經(jīng)過由力學模型確定的軟件算法可計算出材料Evib，來表征材料壓實狀況。

目前，壓實度實時檢測技術(shù)已在土基、路基施工中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果［8］，但在瀝青面層壓實控制中應(yīng)用較少，且精度較差。分析其原因，主要包括兩個方面，一是實時壓實度檢測是基于振動壓路機與被壓材料動力學響應(yīng)特征，只適用于振動壓路機，不能在膠輪壓路機中使用；二是路基厚度較大，材料較硬，可以準確得到土壤剛度數(shù)據(jù)；但瀝青面層厚度小，瀝青混合料材料軟，剛度數(shù)據(jù)受土基、基層等影響，很難精確得到。

因此，考慮瀝青面層的特點，本文暫不考慮實時壓實度檢測，而是通過控制影響壓實度指標的關(guān)鍵參數(shù)，進而控制瀝青路面的碾壓過程。

1.2 碾壓次數(shù)與壓實度相關(guān)性分析

碾壓次數(shù)決定對同一點施壓的次數(shù)，受瀝青黏度阻力及粒料間阻力等因素的影響，施壓一次很難使內(nèi)部顆粒達到最大的位移量，必須重復施壓才能達到理想值，因此一般在碾壓速度和壓力一定的情況下，碾壓遍數(shù)越多壓實效果越好。但當混合料的密實度達到一定值后，再增加遍數(shù)就不會有明顯的效果［9］。以某道面工程為例，工程的碾壓方案為：初壓，鋼輪壓路機碾壓1遍；復壓，鋼輪壓路機2遍，膠輪壓路機1遍；終壓，靜壓收面2遍。檢測方案為：每隔50 m選取某一橫斷面，壓路機每來回碾壓算一遍，緊接著迅速讀取數(shù)據(jù)并作記錄，待碾壓結(jié)束后整理對應(yīng)橫斷面的密度測試數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢

由檢測數(shù)據(jù)可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，密度明顯增大，且在1~4遍內(nèi)密度呈直線增加，碾壓5遍后密度慢慢趨于平衡，變化幅度較小。經(jīng)過計算得出，初壓時壓實度為85%以上，復壓時為95%左右，尤其在碾壓2~4遍時壓實度增加明顯，最終趨于平衡時超過最大理論密度98%，滿足規(guī)范要求。因此，針對此工程碾壓以5~7遍為宜，不宜過多。

1.3 碾壓溫度與壓實度相關(guān)性分析

碾壓溫度是壓實質(zhì)量控制的關(guān)鍵，直接決定路面成型的質(zhì)量［5］，溫度過高，塑性越大，越容易壓實，平整度越好；但溫度過高，會導致混合料隆起、裂紋以及前輪推料等問題。而溫度過低時，需要的壓力較大，碾壓工作變得較為困難，且容易產(chǎn)生很難消除的輪跡，造成路面不平整。

某項目瀝青路面施工過程中（攤鋪完成后），每隔1 min測1次瀝青混合料的溫度，得到的熱拌瀝青混合料溫度隨時間變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出，瀝青混合料溫度隨時間的延長不斷降低，要想達到較好的壓實效果，必須把握碾壓時機，盡可能在高溫狀態(tài)下完成碾壓。

圖2 壓實過程中瀝青混合料溫度隨時間的變化規(guī)律

1.4 碾壓速度與壓實度相關(guān)性分析

在振動壓實過程中，被壓材料的顆粒由靜止的初始狀態(tài)變化為運動狀態(tài)有一個過程，碾壓速度直接影響單位面積內(nèi)振動輪對被壓材料的壓實時間。碾壓速度快時，生產(chǎn)率高，但所得到的壓實度低，并且容易導致路面的不平整。因此，既想達到規(guī)定的壓實度，又要保持較高的生產(chǎn)率，就必須合理地選擇工作行駛速度和碾壓遍數(shù)。

2 硬件設(shè)備選型及開發(fā)

根據(jù)前文分析的壓實監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵控制參數(shù)的需求，本文在調(diào)研相關(guān)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件模塊，其中包括中心控制模塊、電源模塊、衛(wèi)星定位模塊、溫度傳感模塊，如圖3所示。

2.1 中心控制模塊

本文中心控制模塊基于通用的工控機，進行獨立開模設(shè)計，保留系統(tǒng)需要的衛(wèi)星數(shù)據(jù)輸入接口、紅外路面溫度檢測接口、振動加速度計擴展接口，減少工控機的多余端口，在控制器主板上，預(yù)留振動檢測數(shù)據(jù)采集卡位置。此外接口采取了防抖動措施，避免施工中振動而導致通信接口脫落的情況。其設(shè)備接口圖如圖4所示。

圖3 硬件模塊設(shè)計圖

圖4 中心控制模塊接口

2.2 衛(wèi)星接收模塊

在施工過程中，位置信息、碾壓次數(shù)信息以及速度信息主要由衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)組成。本系統(tǒng)采用了基于基站和移動站的差分定位技術(shù)，經(jīng)過后期的路面試驗，采用差分設(shè)備作為衛(wèi)星信號接收處理模塊，能夠達到厘米級精度的位置信息采集，可以有效地將位置信息轉(zhuǎn)換為碾壓次數(shù)信息。

2.3 溫度傳感模塊

經(jīng)過多次測試論證，系統(tǒng)最終采用工業(yè)級的紅外溫度傳感器—美國雷泰RAYCML TV3型溫度傳感器進行路面溫度采集，該型號溫度傳感器檢測溫度范圍為-20 ℃~500 ℃，滿足現(xiàn)場施工溫度要求。

3 軟件控制系統(tǒng)功能模塊開發(fā)研究

軟件控制系統(tǒng)主要包括3個模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊、實時監(jiān)控模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢分析模塊，其中數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括溫度數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集和處理。

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集和處理模塊

溫度數(shù)據(jù)采集和處理模塊接收溫度傳感器串口設(shè)備采集的溫度數(shù)據(jù)，并將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫中。

3.1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集和處理模塊

系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是NMEA0183格式，需要將數(shù)據(jù)進行進一步處理，保存到數(shù)據(jù)庫中。GPS位置數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)量化、平面坐標轉(zhuǎn)化。

（1）GPS數(shù)據(jù)解析

系統(tǒng)接收到的位置信息數(shù)據(jù)是NMEA 0183格式，需要進一步處理成系統(tǒng)需要的GPS位置信息。系統(tǒng)啟動后，GPS移動站會不斷地發(fā)送NMEA0183格式的數(shù)據(jù)包，它是一組包含有各種地理位置信息的字符串，控制系統(tǒng)只解析和本系統(tǒng)相關(guān)的信息，包括推薦最小定位信（GPRMC）和GPS定位信息（GPGGA）［13］。

（2）數(shù)據(jù)量化

壓路機碾壓次數(shù)彩圖實時展示是本項目的核心。為了提高顯示速率，數(shù)據(jù)采集和處理模塊在對GPS數(shù)據(jù)分析之后，將其同步量化壓縮；然后保存到數(shù)據(jù)庫。通過量化，一定程度上減少了數(shù)據(jù)量，保證了項目的精度。

（3）平面坐標轉(zhuǎn)化

GPS采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，而顯示給操作手的是平面坐標彩圖，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成平面坐標數(shù)據(jù)，同時保存到數(shù)據(jù)庫。

3.2 實時監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控模塊可實時顯示壓路機的碾壓次數(shù)軌跡、碾壓速度和碾壓溫度，實時顯示界面設(shè)計圖如圖5所示；界面的上方實時顯示碾壓溫度和碾壓速度，主體界面顯示碾壓次數(shù)軌跡圖。

圖5 實時監(jiān)控模塊展示圖設(shè)計

碾壓次數(shù)軌跡實時顯示是項目的核心技術(shù)。由于壓路機一直處于運動狀態(tài)，路面單位面積壓路機經(jīng)過的次數(shù)一直在改變，這給壓實次數(shù)統(tǒng)計帶來了很大的困難，同時由于數(shù)據(jù)采集頻繁，計算量大，單位時間處理數(shù)據(jù)量大是本項目實時碾壓次數(shù)展示的瓶頸。為了解決問題，本文采用了以下核心技術(shù)。

（1）數(shù)據(jù)量化和監(jiān)測視野縮小

本項目在采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)時，首先進行了數(shù)據(jù)量化處理，這在一定程度了壓縮了數(shù)據(jù)處理的量。通過縮小監(jiān)測視野，在滿足施工實時檢測的范圍同時，大大減少了工控機單位時間處理的數(shù)據(jù)量，為壓路機碾壓次數(shù)實時展示奠定了重要的基礎(chǔ)。

（2）alpha通道畫筆繪圖技術(shù)

傳統(tǒng)的繪圖模式采用路段分塊繪圖技術(shù)，無法實時展示碾壓次數(shù)。由于衛(wèi)星傳回的壓路機軌跡點離散點，首先需要根據(jù)壓路機寬度連接并擴展為與壓路機等寬的面路徑，如果以秒為單位累加，數(shù)據(jù)會急劇增加，直至超出工控機運算速率造成死機，導致實時顯示失敗。

為解決以上問題，本文摒棄以路面ID為依據(jù)的路段分塊繪圖方法，采取根據(jù)壓路機軌跡用彩色畫筆直接畫圖的方法［11-12］，彩色畫筆利用壓路機的折返點作為畫筆的起點和終點，利用壓路機的寬度作為畫筆的寬度，利用畫筆的alpha通道疊加原理，將壓實次數(shù)信息記錄在alpha通道中，通過讀取alpha值，并將alpha值轉(zhuǎn)換成RGB值，將畫面轉(zhuǎn)化成直觀的彩色色碼圖。

3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊

歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊主要用于施工完成后，對當天或者固定某一段時間內(nèi)碾壓次數(shù)均勻性情況進行分析。系統(tǒng)以彩圖的方式展示給用戶，用戶通過彩圖可以查看當天或某一段時間內(nèi)的整體施工情況、碾壓次數(shù)不足區(qū)域以及碾壓不均勻區(qū)域，為下一步的施工管理提供輔助支持。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試與分析

為了檢測系統(tǒng)合理性和穩(wěn)定性，在實驗室進行了多次模擬測試，并在嘉興環(huán)城東路改造工程進行了現(xiàn)場測試。

嘉興環(huán)城東路改造工程初壓采用1臺鋼輪壓路機，復壓采用2臺膠輪壓路機，終壓采用1臺鋼輪壓路機。本次測試時間為一天，分別在初壓的鋼輪壓路機和復壓1號膠輪壓路機安裝了2臺設(shè)備。

通過本次現(xiàn)場測試得出以下結(jié)論：（1）在硬件設(shè)備穩(wěn)定性方面：各項設(shè)備在高溫、強振的情況下都可以正常進行采集數(shù)據(jù)和運算分析工作 ；（2）在實時監(jiān)控控制程序穩(wěn)定性方面：在碾壓過程中能夠?qū)崿F(xiàn)實時采集和處理碾壓次數(shù)、溫度和速度數(shù)據(jù)，并以彩圖的方式實時展示給操作手，可以指導操作手施工；（3）初壓單臺鋼輪壓路機的碾壓次數(shù)彩圖如圖6所示，從彩圖可以看出，單臺鋼輪壓路機整體碾壓不均勻，碾壓效果不是很好，初壓只有1臺鋼輪壓路機，碾壓不及時，應(yīng)增加1臺壓路機；（4）復壓1號膠輪壓路機碾壓次數(shù)彩圖如圖7所示，整體比較均勻，但是碾壓路面的邊緣均勻性狀況不是很好。通過碾壓次數(shù)彩圖，可以很好地指導操作手，達到更好的碾壓效果。

圖6 初壓鋼輪壓路機碾壓次數(shù)彩圖

圖7 復壓1號膠輪壓路機碾壓次數(shù)彩圖

5 結(jié)語

（1）本文開發(fā)的基于碾壓次數(shù)和碾壓溫度的瀝青路面壓實實時監(jiān)控及分析系統(tǒng)，一方面能夠在施工過程中實時指導操作手完成預(yù)定的碾壓次數(shù)，避免欠壓或者超壓，提高瀝青路面壓實質(zhì)量；另一方面還可以分析在施工完成后，某一段路或某一段時間內(nèi)碾壓均勻性情況，為下一步的施工管理提供輔助支撐。

（2）實體工程測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在高溫、強震的環(huán)境中運行穩(wěn)定可靠，達到預(yù)期目標，滿足實際工程需要。

（3）通過碾壓次數(shù)彩圖可以直觀地看出碾壓次數(shù)均勻性狀況，然而如何準確判定均勻性區(qū)域和不均勻區(qū)域，還需要進一步提出碾壓均勻性控制指標和控制方法，并將其方法納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動判定碾壓均勻性區(qū)域和不均勻性區(qū)域，從而實現(xiàn)碾壓次數(shù)均勻性的準確判定。

（4）關(guān)于后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，本文僅實現(xiàn)了碾壓次數(shù)的統(tǒng)計，建議進一步完善數(shù)據(jù)分析功能，如碾壓溫度彩圖分析、碾壓速度分析等。

［1］游東云，楊海.瀝青路面壓實度檢測中的幾個問題［J］.工程技術(shù)，2009（22）：68.

［2］李炎，楊偉良，付長凱.瀝青路面壓實度的主要影響因素及其提高措施［J］.四川理工學院學報（自然科學版），2013，26（5）：64-66.

［3］喬利紅.高等級公路瀝青路面施工質(zhì)量過程監(jiān)控技術(shù)研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，2006.

［4］楊春霞.碾壓溫度對 SMA-13瀝青混合料壓實特性影響分析［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011，5.

［5］BOMAG Terrameter BTMOS BOMAG Compaction Management System BCM03 Compaction Control and Documentation Systems，1998.

［6］汪學斌，王宇峰，劉洪海.壓實在線檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.筑路機械與施工機械，2011.03.

［7］Minchin Jr. R. Edward，Thomas，H. Randolph，Swanson，David C..Theory behindvibration-based，onboard asphalt density measuring system. Transportation ResearchRecord，2001.

［8］楊存柱.德國 BOMAG 公司BVC智能壓實技術(shù)介紹［J］. 建筑機械技術(shù)與管理，2006.9.

［9］王春玲，李叢豪，栗威. 碾壓遍數(shù)與溫度對瀝青道面壓實度的影響研究［J］.公路與汽運，2013，4.

［10］杜文雅，宋衛(wèi)平.智能壓實中的GPS測距技術(shù)探討［J］.公路，2012，7.

［11］楊亞. ASP. NET2.0高級編程［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［12］黃隴，李虎.Windows核心編程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.