智能路面彎沉檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

陳顯龍,萬 勇,裴向宇

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢 430079;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司,北京 100120)

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

陳顯龍1,萬 勇1,裴向宇2

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢 430079;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司,北京 100120)

將 3G通信技術(shù)、GPS技術(shù)、落錘式彎沉儀路面檢測技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了路面彎沉的快速檢測和定位,同時對路面檢測的各種數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)管理與分析研究,構(gòu)成路面智能彎沉檢測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的研究與設(shè)計,可為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度等多種路面數(shù)據(jù)于一體的路面質(zhì)量綜合評價系統(tǒng)打下基礎(chǔ),從而真正實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的智能路面檢測系統(tǒng),為道路科學(xué)養(yǎng)護提供智能分析與應(yīng)用。

落錘式彎沉儀;GPS;3G通信技術(shù);路面巡檢;GIS

一、引 言

彎沉反應(yīng)了路面整體強度質(zhì)量,是優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、路面施工驗收和制定科學(xué)的路面養(yǎng)護方案的重要指標(biāo)。隨著我國公路養(yǎng)護數(shù)字化建設(shè)的推進,傳統(tǒng)的貝克曼梁式彎沉儀檢測速度慢、效率低,已無法滿足當(dāng)前大規(guī)模的路網(wǎng)建設(shè)和養(yǎng)護的需要。

落錘式彎沉儀 (falling weight deflectometer,F WD)是一種路面彎沉無損檢測設(shè)備,它能較好地模擬行車過程中路面的真實受力情況,由計算機自動采集數(shù)據(jù),測試速度快、精度高。落錘式彎沉儀不僅可以獲得測點的最大彎沉信息,還可以獲取彎沉盆信息。它已逐步成為世界各國道路檢測的熱門儀器。目前圍繞落錘式彎沉儀的研究主要有:①利用檢測的彎沉反算路面各層材料的模量,分析路面各層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況,為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計參數(shù);②評價路面整體強度,為道路養(yǎng)護管理提供科學(xué)依據(jù);③不僅用于半剛性、柔性路面的檢測,還可以用于水泥混凝土路面接縫傳力效果、路面板體脫空判斷。

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)將 3G、GPS、GIS、落錘式彎沉檢測技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了彎沉數(shù)據(jù)的快速采集和定位以及對檢測數(shù)據(jù)的實時管理和分析,為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度等于一體的路面質(zhì)量綜合評價系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)源。

二、系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.系統(tǒng)組成

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)由車載終端、通信鏈路、控制中心服務(wù)器和路面巡檢 GIS等組成。車載終端由落錘式車載彎沉儀、運載車、GPS接收機和計算機系統(tǒng)組成,主要負(fù)責(zé)彎沉數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測量和處理;3G通信鏈路負(fù)責(zé)車載終端與控制中心信息的實時交互;控制中心服務(wù)器是在總控制中心與互聯(lián)網(wǎng)和路面巡檢 GIS服務(wù)器相連接的計算機服務(wù)器。

車載彎沉儀采用 CFWD-10T車載式落錘彎沉儀,運載車采用全順 15座商務(wù)改裝車輛,GPS接收機采用 Trimble雙頻雙星接收機,無線通信模塊采用的是 3G無線網(wǎng)絡(luò)及終端,車載計算機采用研華嵌入式觸摸平板電腦。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.工作原理

在運載車輛行駛過程中,GPS測量系統(tǒng)獲取車輛實時位置信息和速度信息,通過串口發(fā)送到車載計算機系統(tǒng)上。車載計算機系統(tǒng)通過無線通信模塊將接收到的坐標(biāo)信息和速度信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。由控制中心服務(wù)器將車輛實時坐標(biāo)信息和速度信息發(fā)送給路面巡檢 GIS,實現(xiàn)對檢測車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

到達測點后,做好測試準(zhǔn)備,操作員操作彎沉儀進行彎沉測量,彎沉儀將位移傳感器、力傳感器和溫度傳感器采集到的最大彎沉、沖擊力和溫度等數(shù)據(jù)傳送給計算機,同時計算機讀取 GPS測量到的位置信息、速度信息。每個測點測試三次以上,計算機對檢測到的數(shù)據(jù)進行運算處理,將原始檢測數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)存入車載終端數(shù)據(jù)庫備份,同時通過 3G通信網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心服務(wù)器上?？刂浦行姆?wù)器將測點的彎沉數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和其他信息寫入控制中心數(shù)據(jù)庫,并在路面巡檢GIS中進行實時展現(xiàn)。

3.設(shè)備的安裝

(1)計算機

計算機通過支架固定在運載車內(nèi)部的操作臺上,由車上蓄電池進行供電。

(2)彎沉儀

彎沉儀安裝在運載車的后方,并與平板工控電腦相連,由車上蓄電池進行供電。

(3)GPS接收機

GPS接收機固定在操作臺下方。接收機的天線由吸盤固定在汽車車頂部,天線相位中心位于彎沉儀落錘中心軸線上。天線與接收機通過一根電纜線相連。

(4)3G模塊

3G模塊與車載工控計算機相連,實時傳輸彎沉、位置等信息。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)采用 C/S的架構(gòu)設(shè)計,整體上可分為車載客戶端模塊和服務(wù)器端模塊兩部分。

1.車載客戶端模塊

車載客戶端模塊負(fù)責(zé)彎沉采集和處理,檢測車行駛速度和測點位置的測量和處理,檢測數(shù)據(jù)的存儲、檢索和生產(chǎn)報表,客戶端與服務(wù)器的通信等功能。車載客戶端模塊由客戶端網(wǎng)絡(luò)通信模塊、彎沉業(yè)務(wù)模塊、GPS業(yè)務(wù)模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報表模塊以及日志管理等模塊組成(見圖 2)。

1)客戶端網(wǎng)絡(luò)通信模塊:負(fù)責(zé)客戶端與服務(wù)器通信鏈接的建立和維護,數(shù)據(jù)協(xié)議解析和重組?？蛻舳司W(wǎng)絡(luò)通信模塊將檢測到的位置、道路代碼、速度、彎沉等信息打包后發(fā)送給服務(wù)器。

圖2 車載客戶端模塊

2)彎沉業(yè)務(wù)模塊:負(fù)責(zé)彎沉參數(shù)設(shè)置、彎沉儀控制和監(jiān)測、彎沉數(shù)據(jù)讀取和處理。它將彎沉儀測量參數(shù)和指令發(fā)送給彎沉儀,接收和處理彎沉儀發(fā)送給計算機的狀態(tài)數(shù)據(jù)和彎沉數(shù)據(jù)。

3)GPS業(yè)務(wù)模塊:GPS接收機通過串口輸出NMEA-0813標(biāo)準(zhǔn) GPS定位語句(GGA語句)和地面速率語句(VTG語句),客戶端通過解析串口的 GGA語句和VTG語句獲取檢測車瞬時的位置和速度。

4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊:將 GPS測量到的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系坐標(biāo)。

5)數(shù)據(jù)庫管理模塊:負(fù)責(zé)彎沉數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲、查詢和維護。

6)報表模塊:提供檢測數(shù)據(jù)的查詢、顯示、生成報表和打印報表等功能。

7)日志管理模塊:負(fù)責(zé)建立和維護系統(tǒng)工作日志。

2.服務(wù)器端模塊

服務(wù)器端模塊主要功能是維護和管理服務(wù)器與車載客戶端和路面巡檢 GIS的通信,接收、解析和存儲車載客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù),將接收到的數(shù)據(jù)重組打包發(fā)送給路面巡檢 GIS。服務(wù)器端模塊由服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)通信模塊、協(xié)議解析與合成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報表模塊以及日志管理等模塊組成(見圖 3)。

圖3 服務(wù)器端模塊

1)服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)通信模塊:負(fù)責(zé)建立和維護服務(wù)器與客戶端以及服務(wù)器與路面巡檢 GIS的通信,數(shù)據(jù)接收和發(fā)送,傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和重組。

2)數(shù)據(jù)庫管理模塊:負(fù)責(zé)服務(wù)器上彎沉數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲、查詢和維護。

3)報表模塊:該模塊與車載客戶端的功能一樣,提供檢測數(shù)據(jù)的查詢、生成報表和打印報表等功能。

4)日志管理模塊:負(fù)責(zé)服務(wù)器工作日志的維護和管理。

3.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)庫。車載客戶端通過應(yīng)用程序接口層和數(shù)據(jù)庫管理層建立與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的查詢、更新,并將查詢結(jié)果和錯誤消息傳送回應(yīng)用層。車載客戶端各業(yè)務(wù)模塊,即彎沉采集模塊、GPS模塊、報表生成模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過應(yīng)用程序接口給數(shù)據(jù)庫管理程序發(fā)送更新或查詢請求,數(shù)據(jù)庫管理程序受到請求后,解析 SQL語句,生成存取計劃,控制并發(fā)操作,將查詢結(jié)果傳送回應(yīng)用程序。

服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收程序協(xié)調(diào)客戶端的通信請求,為每個客戶端請求建立合法通信渠道,同時管理多種客戶請求線程。數(shù)據(jù)庫管理程序則處理每個客戶的數(shù)據(jù)請求,解析 SQL語句,生成存取計劃,控制并發(fā)操作,保障數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)庫模型如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫模型

四、結(jié)束語

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)通過 GPS獲取測點的坐標(biāo)、位置信息,減少了測試員工作量,提高了彎沉檢測的效率。而且通過路面巡檢 GIS對檢測車輛進行統(tǒng)一的監(jiān)控和調(diào)度,以及彎沉數(shù)據(jù)的實時展示等應(yīng)用,為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度于一體的路面質(zhì)量綜合評價系統(tǒng)的建立提供了數(shù)據(jù)源。此外還能自動對彎沉數(shù)據(jù)進行處理,生成彎沉檢測報告。

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[2] 中華人民共和國交通部.JTG F80—2004.公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:人民交通出版社,2005.

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[4] 荊根強.新型公路智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].筑路機械與施工機械化,2008,21(1):24-26.

[5] 張慧,韋金辰,徐定杰.利用通訊控件實現(xiàn)車載 GPS監(jiān)控系統(tǒng)中的串行通訊 [J].應(yīng)用科技,2002,29(4): 25-27.

Intelligent PavementDeflection Detection System:Design and Development

CHEN Xianlong,WAN Yong,PEIXiangyu

0494-0911(2010)07-0027-03

P208

B

2010-06-07

陳顯龍(1976—),男,湖北隨州人,碩士生,主要從事 3S技術(shù)在智能電網(wǎng)、智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用與系統(tǒng)集成研究。