基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的路面建設(shè)質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

魏力 閆世偉 嚴小平

【摘要】為提高道路路面建設(shè)管理水平，研究開發(fā)了基于車聯(lián)網(wǎng)的路面建設(shè)質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)，以車載主機為主體，及時將各傳感器的數(shù)據(jù)進行上傳，中心數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)參數(shù)，在電腦監(jiān)控平臺上直接可以看到施工車輛的位置、工作狀態(tài)。成功實現(xiàn)了路面建設(shè)質(zhì)量由低效率的人工事后檢測向?qū)崟r監(jiān)測、全過程控制的突破，大大提高了檢測效率及監(jiān)控水平，對提高管理效率，提高瀝青路面建設(shè)質(zhì)量將產(chǎn)生積極深遠的影響。

【關(guān)鍵詞】車聯(lián)網(wǎng)；質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)；公路施工

1 研究背景及意義

為提高道路路面建設(shè)管理水平和效率，提高路面建設(shè)質(zhì)量，本文研究開發(fā)了基于車聯(lián)網(wǎng)的路面施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)。目前路面施工建設(shè)階段質(zhì)量管理存在的主要問題是過于依賴最終質(zhì)量檢測，無法突出"過程要素、根源管理"，沒有實現(xiàn)施工質(zhì)量的"全過程控制"，特別是對路面壓實做不到過程控制。壓實是路面建設(shè)最重要的環(huán)節(jié)，路面各種性能（包括抗裂、抗車轍、抗疲勞、抗水破壞等）直接與壓實有密切關(guān)系。而目前路面壓實雖然規(guī)定了較詳細的施工工藝，但由于靠人工監(jiān)控碾壓遍數(shù)，導(dǎo)致碾壓設(shè)備很難真正按照設(shè)計規(guī)定實現(xiàn)預(yù)定的碾壓工藝，碾壓遍數(shù)難以確定，因此嚴重影響了路面的質(zhì)量。

針對上述情況，本文通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在國內(nèi)外首次實現(xiàn)了對生產(chǎn)路面壓實質(zhì)量實時的過程監(jiān)控，大大提高了檢測效率，節(jié)約了人工檢測成本。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在車-X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）之間，進行無線通訊和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)處理中心是實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能和支持數(shù)據(jù)發(fā)布的核心組成部分，其主要職責(zé)包括"接收、處理、存儲、管理、監(jiān)測"等，由數(shù)據(jù)處理模塊與下層技術(shù)支撐平臺（包括軟件開發(fā)環(huán)境、GIS服務(wù)、云計算、通訊接口等）組成。其由通訊模塊、計算模塊、業(yè)務(wù)接入模塊、存儲模塊等模塊組成，分別實現(xiàn)通訊、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、對外發(fā)布接口等核心功能。

系統(tǒng)主要是對水泥穩(wěn)定碎石、瀝青混合料碾壓過程進行監(jiān)控，以提高碾壓質(zhì)量。模塊主要包括如下幾個部分：

1）碾壓定位數(shù)據(jù)采集模塊。采用GPS定位數(shù)據(jù)可以得到壓路機碾壓數(shù)據(jù)，定位部分采用車載衛(wèi)星定位設(shè)備，用于準確定位設(shè)備所在位置，尤其是移動工作類設(shè)備可通過油耗儀和GNSS的軌跡描繪，化成軌跡及鋪蓋面積圖直觀的判斷機械設(shè)備工作狀況。在定位部分，選擇高精度雙星GPS芯片，可接收GPS+GLONASS衛(wèi)星信號；通過接收 Q-Base 參考站差分信息，可以實現(xiàn) 1.5米的分米級高精度定位。

2）碾壓振動數(shù)據(jù)采集模塊。施工車輛工作時的狀態(tài)，強振開關(guān)，弱振開關(guān)，功能可擴展為使用3軸加速度傳感器進行振動激振力檢測，根據(jù)不同機械設(shè)備的振動指標參數(shù)和路基路面的土壤顆粒的不同，看是否達到路面壓實度要求。

3）碾壓溫度數(shù)據(jù)采集模塊。在施工車輛安裝紅外溫度傳感器，進行無接觸式測量溫度（測量溫度0-300°、1秒鐘監(jiān)測3次，），經(jīng)過車載北斗主機的無線數(shù)據(jù)模塊傳輸至數(shù)據(jù)中心，在監(jiān)控平臺上實時顯示瀝青混合料的溫度，配合車輛定位的行駛軌跡，達到監(jiān)測路面攤鋪瀝青溫度的目的。

4）碾壓數(shù)據(jù)無線傳輸模塊。通過數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）無線數(shù)據(jù)通信模塊，將壓路機中的數(shù)據(jù)通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）傳輸?shù)教幚矸?wù)器中，以便服務(wù)器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以控制現(xiàn)場設(shè)備進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)采集點的現(xiàn)場條件靈活選擇各種網(wǎng)絡(luò)，支持多信號通道的移動數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、展示，并通過各信號通道進行數(shù)據(jù)的發(fā)布，本系統(tǒng)支持各信號通道之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括中心數(shù)據(jù)模塊、服務(wù)器數(shù)據(jù)采集中間模塊和嵌入式數(shù)據(jù)采集控制終端。

5）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊包括以下功能。

（1）基于GPS定位的壓路機運行軌跡計算模塊，計算出每臺壓路機的運行軌跡，如圖2所示。

（2）每臺壓路機運行軌跡的圖形化處理。通過軌跡圖形系統(tǒng)將壓路機運行軌跡以圖形方式表現(xiàn)出來，以便直觀展示壓路機碾壓的實時狀況。

（3）路面壓實度實時統(tǒng)計分析。根據(jù)壓路機運行軌跡的狀況，判斷當(dāng)前路面是否出現(xiàn)漏壓、過壓等現(xiàn)象。例如碾壓遍數(shù)：在監(jiān)控平臺軟件上，使用經(jīng)過轉(zhuǎn)換WGS84坐標的路基路面地圖，依據(jù)施工樁號，將施工的路面任意劃定的矩形欄，指定一臺施工車輛，在欄內(nèi)的GPS軌跡累計里程，除以矩形欄的周長得出施工車輛來回的趟數(shù)。后以報表的方式導(dǎo)出。

（4）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送。通過網(wǎng)絡(luò)實時將以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送給項目管理人員，便于其及時準確決策。

6）項目管理部分

項目管理部分是用于項目管理、任務(wù)下達、任務(wù)反饋、質(zhì)量檢驗的信息系統(tǒng)，其由總部數(shù)據(jù)管理層、項目部項目管理層、現(xiàn)場任務(wù)管理及車載數(shù)據(jù)監(jiān)管層和車載移動終端監(jiān)控層構(gòu)成（見項目管理軟件結(jié)構(gòu)圖），以實現(xiàn)自上而下的數(shù)據(jù)監(jiān)控、管理和自下而上的數(shù)據(jù)上傳，以實現(xiàn)項目現(xiàn)場施工機械設(shè)備的智能化管理和監(jiān)控，減少項目實施風(fēng)險。從數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)上，本系統(tǒng)又分為車載移動終端、車載移動服務(wù)站、項目部數(shù)據(jù)管理中心和全局數(shù)據(jù)匯聚中心四級結(jié)構(gòu)。

3 本系統(tǒng)的特點

1）性能卓越。 該設(shè)備具有高度的自動化水平，監(jiān)測的準確度高，數(shù)據(jù)豐富，傳輸效率高。

2）安全性、穩(wěn)定性高。設(shè)備本身具有極高的安全與穩(wěn)定性。首先具有安全型的防爆、防塵、防水性能。其次，具有高抗干擾性，對施工現(xiàn)場干擾源、周圍環(huán)境無特殊要求，環(huán)境適應(yīng)性強。內(nèi)部電路高度集成化，器件故障率最小化，運行可靠。

3）操作簡單方便。系統(tǒng)所支持的軟件使用全中文菜單，具有良好的操作界面。配有無線監(jiān)測分站一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，安裝方便快捷。

4）豐富的輔助功能。該系統(tǒng)擁有查詢和報表輸出、打印功能簡單易操作；施工設(shè)備運動軌跡進行查詢；可按要求輸出各種信息報表；可遠程查看實時情況；同時可以顯示到現(xiàn)場LED顯示屏上。

4 結(jié)語

針對路基路面施工現(xiàn)場壓路機工作質(zhì)量控制存在的問題，采用壓路機上安裝本項目研發(fā)的基于車聯(lián)網(wǎng)的車載移動終端遠程監(jiān)控系統(tǒng)，再結(jié)合振動頻率專用傳感器，根據(jù)施工項目設(shè)定作業(yè)時間、行駛速度、振動頻率等參數(shù)，通過移動工作基站主機實時對各施工壓路機進行監(jiān)控與管理，在現(xiàn)有路面施工質(zhì)量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)由效率低的事后檢測向?qū)崟r控制監(jiān)測的突破。其對于提高瀝青路面質(zhì)量，提高管理效率，節(jié)約建設(shè)資金，保證施工過程監(jiān)測的真實性及可靠性，提高路面質(zhì)量評價客觀性等方面將產(chǎn)生深遠的影響。實現(xiàn)了公路工程質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)化，專業(yè)化的管理，并為各項施工決策提供可靠的依據(jù)。

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