公路路面施工監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)研究

余建輝　林榮安++習艷會

0 引言

在公路工程建設(shè)中，施工的復雜性和不確定性直接影響著工程的進度和質(zhì)量，加上各種因素（如設(shè)計方法不完善、設(shè)計參數(shù)不符合實際情況等）的影響，容易造成施工設(shè)計不合理。因此，要實現(xiàn)設(shè)計的可施工性和在施工中實現(xiàn)設(shè)計目標，就必須依據(jù)施工現(xiàn)場情況，收集現(xiàn)場施工信息，及時調(diào)整設(shè)計，解決設(shè)計與施工之間的矛盾，使工程項目在保證質(zhì)量的前提下如期完成。要做到這一點，施工信息化監(jiān)管非常重要。

公路路面建設(shè)監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)是將傳感器測試技術(shù)、GPS衛(wèi)星導航技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)以及實時差分技術(shù)等融合，實現(xiàn)高精度導航定位監(jiān)控[1]，對正在進行作業(yè)的公路路面施工機械的運行狀態(tài)、位置、施工進度、施工質(zhì)量控制參數(shù)等信息進行監(jiān)測[2]，并實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行統(tǒng)計、分析，所得的監(jiān)控結(jié)果可用于指導施工，從而確保施工質(zhì)量。根據(jù)公路路面施工機械作業(yè)方式的要求，開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，可以更方便地實現(xiàn)施工機械的實時監(jiān)控，對工程質(zhì)量進行實時動態(tài)管理；通過對施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，還可提高企業(yè)施工管理水平和效率 [3-4]。

1 公路路面施工監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)及原理

公路路面施工監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)由原材料生產(chǎn)測控子系統(tǒng)、攪拌站生產(chǎn)測控子系統(tǒng)、瀝青運輸測控子系統(tǒng)、攤鋪測控子系統(tǒng)、壓實測控子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

公路路面施工質(zhì)量測控評定與反饋系統(tǒng)各子系統(tǒng)通過先進的無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)視頻采集的信息、視頻信號傳輸?shù)娇刂浦行模M行記錄、數(shù)據(jù)處理與分析、圖像監(jiān)視，實現(xiàn)報警、監(jiān)視、提出工藝改進方案、管理、評價等功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 原材料生產(chǎn)測控子系統(tǒng)

原材料生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)由安裝在石灰?guī)r加工廠和玄武巖加工廠以及材料存儲廠內(nèi)的攝像頭和3G終端構(gòu)成，實現(xiàn)對集料生產(chǎn)、使用過程的監(jiān)控，通過材料加工過程、運輸環(huán)節(jié)、倒運、集料存儲量、使用過程的實時視頻，對材料來源進行智能監(jiān)管，防止未準入或不合格料進場、使用廢料等違規(guī)現(xiàn)象發(fā)生，實現(xiàn)對原材料加工工藝流程、人員操作、運輸車輛等的監(jiān)控。

對原料生產(chǎn)廠（碎石廠和改性瀝青設(shè)備）除了視頻監(jiān)控外，還需要對原材料抽檢、試驗設(shè)備精度和試驗員資質(zhì)進行測控，將瀝青材料、碎石材料的試驗報告按照原材料參數(shù)的標準表錄入路面建設(shè)信息管理系統(tǒng)，確保原材料的質(zhì)量。其中碎石材料錄入?yún)?shù)應(yīng)包括級配、強度、含泥量、針片狀含量等；瀝青材料的錄入?yún)?shù)應(yīng)包括針入度、軟化度、延度和含蠟量等。

1.2 攪拌站生產(chǎn)測控子系統(tǒng)

1.2.1 穩(wěn)定土攪拌站測控系統(tǒng)

骨料和水泥供給的準確性和均勻性是影響穩(wěn)定土混合料級配的重要因素之一，而骨料和水泥的計量準確性是由對各自計量系統(tǒng)的合理標定來保證的，因而標定就顯得尤為重要。穩(wěn)定土攪拌站安裝、調(diào)試就位后，必須對骨料電子皮帶秤、水泥螺旋秤和水計量流量標定后，才能生產(chǎn)混合料。穩(wěn)定土攪拌站參數(shù)采集系統(tǒng)是用工控機、觸摸屏和擴展通訊接口構(gòu)建硬件，實現(xiàn)與穩(wěn)定土攪拌站和3G模塊的通訊；采集系統(tǒng)軟件的構(gòu)建主要包括攪拌站通訊協(xié)議的解析、3G模塊通訊、網(wǎng)絡(luò)命令傳輸、參數(shù)統(tǒng)計分析模塊、參數(shù)顯示模塊等功能設(shè)計。盡管信息化控制系統(tǒng)服務(wù)器中心具備數(shù)據(jù)管理的功能，但考慮到攪拌站監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，在工控機上仍然需要構(gòu)建有針對性的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，監(jiān)控混合料產(chǎn)量、配比、原材料消耗以及設(shè)備故障信息等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)通過監(jiān)控子系統(tǒng)對水泥和沙石等原材料在進料、混合料生產(chǎn)過程等環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，采集到的數(shù)據(jù)信息和視頻數(shù)據(jù)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的視頻服務(wù)器用于存儲監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)信息的存儲、分析。用戶通過監(jiān)控中可以瀏覽、分析生產(chǎn)和施工中的數(shù)據(jù)信息，通過監(jiān)控中心的視頻服務(wù)也可以實時查看生產(chǎn)、施工現(xiàn)場的視頻圖像。

1.2.2 瀝青混凝土攪拌站監(jiān)控子系統(tǒng)

瀝青攪拌站監(jiān)控子系統(tǒng)由安裝在瀝青拌和樓控制系統(tǒng)中的3G數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和3G視頻攝像構(gòu)成，該子系統(tǒng)用于對瀝青混合料生產(chǎn)中所使用的集料配比、瀝青用量、纖維用量、瀝青和集料加熱溫度、拌和溫度、拌和時間和冷料轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的采集和傳送；對操作室實施視頻監(jiān)控，實現(xiàn)瀝青混合料攪拌站生產(chǎn)質(zhì)量的實時監(jiān)控和動態(tài)控制，對攪拌區(qū)域的工作環(huán)境、文明施工等進行全天候的實時監(jiān)測與監(jiān)控；同時實現(xiàn)攪拌站逐盤數(shù)據(jù)采集和分析，以便提供專業(yè)的分析數(shù)據(jù)和圖表，發(fā)現(xiàn)不合格混合料時及時進行報警提醒。

1.3 瀝青運輸測控子系統(tǒng)

瀝青運輸車監(jiān)控（圖3）主要是在瀝青運輸車上安裝衛(wèi)星定位器和瀝青罐液面高度監(jiān)視器，獲取運輸車位置、運行軌跡和瀝青罐液面高度等信息，以監(jiān)控瀝青運輸車的運輸狀況和罐內(nèi)瀝青的存量，確保瀝青運輸?shù)陌踩?/p>

1.4 攤鋪測控子系統(tǒng)

攤鋪及整平環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)主要是粒料基層與底基層攤鋪，級配料的離析直接影響碾壓成型后基層、底基層強度分布的均勻性，整平直接影響基層表面的平整度及基層厚度。攤鋪測控子系統(tǒng)如圖4所示。攤鋪機數(shù)據(jù)終端采集系統(tǒng)通過安裝在攤鋪機上的傳感器獲得攤鋪速度、厚度及攤鋪溫度，通過GPS模塊獲得經(jīng)緯度，得到施工點GPS坐標位置，通過攤鋪機駕駛室上方的視頻采集系統(tǒng)獲得攤鋪現(xiàn)場實況，實現(xiàn)對施工工藝的監(jiān)測。攤鋪機施工作業(yè)GPS軌跡如圖5所示；厚度和溫度檢測系統(tǒng)如圖6所示。

1.5 壓路機監(jiān)控信息化管理系統(tǒng)及原理

碾壓作為公路瀝青路面施工的最后一道工序，直接決定路面質(zhì)量的好壞。路面平整度是評價路面路用性能的重要指標，而碾壓工藝、碾壓機械的組合、碾壓方法以及操作人員的技術(shù)水平等決定著碾壓平整度的高低。碾壓溫度是碾壓過程的重要控制因素，碾壓溫度過高，會產(chǎn)生推擁、波浪、碾壓輪后的攤鋪層裂紋、平整度難以保證等問題；碾壓溫度過低，會造成骨料松散，影響路面的結(jié)構(gòu)強度[5-6]。

瀝青路面壓路機監(jiān)控系統(tǒng)在壓實過程中連續(xù)測量壓實度、碾壓溫度和碾壓遍數(shù)，用三維建模連續(xù)記錄壓實過程，并通過無線傳輸系統(tǒng)將壓實過程中的數(shù)據(jù)及時上傳到中心平臺。該系統(tǒng)主要用到壓實度傳感器、溫度傳感器、GPS、控制箱以及GPRS （ General Packet Radio Service）無線傳輸模塊，如圖7所示。集成了傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和計算機技術(shù)于一身的新一代隨車壓實質(zhì)量控制儀，配備了32位高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、三軸一體加速度傳感器，以及處理能力強大的嵌入式電腦。它實現(xiàn)了對壓實質(zhì)量和壓實速度的實時連續(xù)檢測，從根本上解決了欠壓和過壓的問題。endprint

碾壓溫度數(shù)據(jù)采集主要通過有可靠穩(wěn)定性的高精度紅外溫度傳感器來實現(xiàn)，可連續(xù)采集碾壓溫度，并實時記錄。

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于測量壓路機的位置、碾壓速度，并對碾壓遍數(shù)進行監(jiān)測及限速報警。碾壓速度數(shù)據(jù)采集主要采用有可靠穩(wěn)定性的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器或者通過高精度的GPS衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

路面壓實度數(shù)據(jù)采集則主要通過安裝在壓路機鋼輪上的振動加速度傳感器來實現(xiàn)，但對于采用靜壓方式工作的壓路機來說，目前還無能為力。采用現(xiàn)場比對標定法能夠比較滿意地解決隨機壓實傳感器對瀝青路面振動壓實的壓實度測定問題。另外，通過監(jiān)控壓路機碾壓遍數(shù)、碾壓溫度、碾壓速度，將會更好地控制壓實效果。控制箱（屏）不斷地將采集到的壓實度、碾壓遍數(shù)以及碾壓溫度數(shù)據(jù)顯示給操作手，來指導其工作。

2 工程應(yīng)用

錢江通道南接線段（即錢江大道高架高速公路）起于蕭山六工段，接過江隧道，往南經(jīng)蕭山江東、臨江工業(yè)園區(qū)，終于杭甬高速公路紹興齊賢，長27.7 km。其中高架路段長27.2 km，全線設(shè)新灣、齊賢2處樞紐，設(shè)六工段、黨灣、益農(nóng)3處互通；雙向六車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度為100 km·h-1。

對該路段的測試時間為2013年9月至11月，在中交西筑LB5000型瀝青攪拌站內(nèi)安裝攪拌站測控系統(tǒng)，包括信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖表分析系統(tǒng)等質(zhì)量測控信息化管理系統(tǒng)，通過測控主機獲取攪拌數(shù)據(jù)，并實時上傳數(shù)據(jù)中心。

在2臺ABG7620攤鋪機上安裝溫度、速度、厚度傳感器，測控主機安裝在駕駛樓，通過3G實時將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心；在其中1臺攤鋪機上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，隨時將現(xiàn)場施工視頻數(shù)據(jù)上傳后臺服務(wù)器。

在2臺BOMAG203壓路機上安裝加速度傳感器和GPS，實時測量壓實度、碾壓速度、碾壓位置，并上傳數(shù)據(jù)中心。

系統(tǒng)安裝使用后，瀝青混合料攪拌站測控系統(tǒng)能準確采集骨料、粉料、瀝青等材料的投放質(zhì)量，以及瀝青混合料的溫度、瀝青含量、施工現(xiàn)場攤鋪溫度、攤鋪速度、壓路機壓實度等重要技術(shù)指標，并能將施工數(shù)據(jù)實時上傳到后臺服務(wù)器。用戶可以在任意一臺電腦上查看實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、混合料溫度曲線、瀝青含量曲線，還可以查看現(xiàn)場操作情況等。通過采集的數(shù)據(jù)抽樣可以得到以下結(jié)論。

（1）瀝青混合料溫度曲線如圖8所示。在2013年10月18日的測試中，平均溫度是183.17 ℃，合格率為91.05%（在165 ℃～185 ℃范圍內(nèi)）。

（2）瀝青含量如圖9所示。平均瀝青含量為6.41%，合格率為96.76%。

（3）攪拌站混合料配合比數(shù)據(jù)監(jiān)控如圖10所示。

（4）壓實度如圖11所示。2013年10月22日14：55到17：00，平均壓實度為97.46%。

（5）碾壓速度如圖12所示。2013年10月22日14：50到17：00，平均碾壓速度為5.15 km·h-1，合格率為100%。

（6）攤鋪溫度如圖13所示。取樣時間內(nèi)攤鋪溫度的平均值為157.78 ℃，合格率為99.5%。

（7）攤鋪速度如圖14所示。2013年10月22日14：40到17：00，攤鋪速度為2～5 km·h-1，合格率為100%。

（8）攤鋪厚度如圖15所示。2013年10月22日16：08到17：01，碾壓厚度平均值為4.2 cm，合格率為68.09%。

3 結(jié)語

公路路面施工監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)用于公路路面工程，可實時監(jiān)控現(xiàn)場施工機械的作業(yè)狀況，隨時查看各施工路段施工機械的作業(yè)報表，及時對施工質(zhì)量進行遠程控制，避免或減少了施工質(zhì)量不合格帶來的返工等問題。監(jiān)控系統(tǒng)的使用節(jié)約了機械管理成本，提高了機械管理效率，同時對提高工程質(zhì)量和加快工程進度起到了積極的作用，為監(jiān)理單位和監(jiān)管職能部門加強過程監(jiān)控提供了強有力的手段，為整個工程留下永久翔實的真實資料，為工程總結(jié)及以后的養(yǎng)護提供可靠保障。

參考文獻：

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