連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用優(yōu)勢

林國利，陸永明，程經(jīng)緯

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511400)

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連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用優(yōu)勢

林國利，陸永明，程經(jīng)緯

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511400)

針對土方填筑過程中壓實(shí)度的監(jiān)控需求，綜合高精度GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)和連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)，研發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)全過程監(jiān)控的壓實(shí)管理系統(tǒng)，介紹了整個(gè)壓實(shí)管理系統(tǒng)的組成和各個(gè)子系統(tǒng)的功能，然后從所有子系統(tǒng)協(xié)同工作的作業(yè)流程上展現(xiàn)了管理系統(tǒng)的整體性。在碾壓這一核心子系統(tǒng)中，通過壓實(shí)工藝指標(biāo)監(jiān)控和壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控，能夠有效地控制壓實(shí)作業(yè)的施工質(zhì)量。連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)能夠?qū)ν练焦こ踢M(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，是BIM系統(tǒng)在土方壓實(shí)工程中的重大嘗試，具有重大的應(yīng)用前景和優(yōu)勢。

GNSS技術(shù)；連續(xù)壓實(shí)控制；全過程；BIM

公路鐵路路基、水利工程大壩和堤基等類型的工程項(xiàng)目中，土方的壓實(shí)程度和均勻性直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量，因此，壓實(shí)度管理一直是工程界和科研界極為關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的檢測手段只是局部的事后抽檢，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，且數(shù)據(jù)的記錄和管理方法落后，因此迫切需要建立更完善、更科學(xué)的監(jiān)測管理系統(tǒng)。

針對智能壓實(shí)管理系統(tǒng)如今已經(jīng)有了很多研究和探索。早在1975年，瑞典就根據(jù)壓路機(jī)振動輪的響應(yīng)信號研制了壓實(shí)度計(jì)，并開始在工程項(xiàng)目中應(yīng)用[1]。武漢大學(xué)黃聲享等指出了GPS定位技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測壓路機(jī)在碾壓施工中的工作狀態(tài)[2-3]。但是將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合并形成成熟產(chǎn)品的研究卻少之又少。

本文利用壓實(shí)度計(jì)的連續(xù)壓實(shí)控制[4](continue compaction control，CCC)和北斗高精度定位技術(shù)，結(jié)合微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)等現(xiàn)代科技，建成了連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)。連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)是集合了土方工程施工中的運(yùn)料管理、攤鋪管理和碾壓管理的全過程多方位智能監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

1 連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的組成和功能

連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)針對工程實(shí)際的需求，綜合考慮運(yùn)料、攤鋪、碾壓、點(diǎn)抽檢和施工資料歸檔等施工過程，建立了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)。其中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過高精度衛(wèi)星定位設(shè)備和各類傳感器采集數(shù)據(jù)并在平板電腦上顯示，包括運(yùn)料車載子系統(tǒng)、攤鋪車載子系統(tǒng)、碾壓車載子系統(tǒng)和點(diǎn)抽檢子系統(tǒng)；后臺管理系統(tǒng)在后臺服務(wù)器上運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)展示子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的各系統(tǒng)之間通過無線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，并通過數(shù)據(jù)庫存儲和共享數(shù)據(jù)資源，達(dá)到科學(xué)管理的目的，如圖1所示。

1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1.1 運(yùn)料車載子系統(tǒng)

管理者根據(jù)現(xiàn)場需要的材料類型和數(shù)量對運(yùn)料車進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度；運(yùn)料車司機(jī)通過手持GPS設(shè)備，接收并確認(rèn)運(yùn)送的材料、路線和目的地；同時(shí)后臺服務(wù)器也會實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)料車的工作情況，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)場材料的科學(xué)管理，如圖2所示。

圖2 運(yùn)料車載子系統(tǒng)

1.1.2 攤鋪車載子系統(tǒng)

通過GNSS衛(wèi)星定位接收機(jī)實(shí)時(shí)記錄攤鋪車作業(yè)過程中的水平位置和高程數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序計(jì)算得到攤鋪車的工作軌跡和攤鋪厚度，并在強(qiáng)固型車載平板電腦上以不同的顏色顯示車輛作業(yè)軌跡上的攤鋪厚度和攤鋪高層，保證攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的均勻性，如圖3所示。攤鋪數(shù)據(jù)信息會進(jìn)一步上傳到后臺服務(wù)器，生成攤鋪專題圖。

1.1.3 碾壓車載子系統(tǒng)

碾壓車載子系統(tǒng)是整個(gè)連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的核心部分。如圖4所示，該子系統(tǒng)與攤鋪車載子系統(tǒng)一樣，首先綜合GPS天線接收的差分?jǐn)?shù)據(jù)和安裝在碾軋車頂?shù)腉NSS衛(wèi)星定位裝置實(shí)時(shí)采集壓路機(jī)的定位信息[6]，在作業(yè)軌跡上以不同的顏色顯示碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度等信息。除此之外，還要通過連續(xù)壓實(shí)度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控土方的壓實(shí)度，并以不同的顏色在作業(yè)軌跡上連續(xù)顯示出來(如圖5所示)，指導(dǎo)壓路機(jī)有針對性地進(jìn)行碾壓施工。

圖3 攤鋪車載子系統(tǒng)

圖4 碾壓車設(shè)備安裝示意圖

施工數(shù)據(jù)同樣上傳至服務(wù)器，生成碾壓專題圖和施工質(zhì)量報(bào)告，根據(jù)施工質(zhì)量報(bào)告結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)和后續(xù)管理。

圖5 碾壓車載子系統(tǒng)

1.1.4 點(diǎn)抽檢子系統(tǒng)

手持GPS設(shè)備可以顯示碾壓結(jié)果地圖，針對碾壓薄弱區(qū)和不均勻區(qū)域找到需要檢測的特征點(diǎn)進(jìn)行抽檢，利用定位技術(shù)在地圖上找到抽檢點(diǎn)，并利用傳統(tǒng)的灌砂、灌水等檢測方法得到工程資料，保存和上傳到數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)抽檢子系統(tǒng)

1.2 后臺管理系統(tǒng)

1.2.1 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的主要功能是對施工區(qū)進(jìn)行前期處理并為車載子系統(tǒng)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

首先施工場地的CAD圖紙會通過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并以此與衛(wèi)星定位坐標(biāo)匹配。

如圖7所示，在數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中加載實(shí)際工程的CAD圖紙，從中選取施工區(qū)域并將該區(qū)域劃分網(wǎng)格。在工作過程中每個(gè)網(wǎng)格被賦予相應(yīng)空間的屬性信息，包括位置信息、高程信息等。作業(yè)過程中通過網(wǎng)格屬性的變化計(jì)算得到攤鋪厚度、碾壓厚度、碾壓變數(shù)等信息，且網(wǎng)格顏色的變化是顯示施工狀態(tài)的直觀手段。網(wǎng)格數(shù)據(jù)的處理結(jié)果直接保存到數(shù)據(jù)庫中，支持其他子系統(tǒng)對網(wǎng)格屬性信息的輸入和展示。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)還負(fù)責(zé)為車載子系統(tǒng)和點(diǎn)抽檢子系統(tǒng)生成配置文件，作為相應(yīng)子系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)。

1.2.2 實(shí)時(shí)展示子系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示攤鋪?zhàn)鳂I(yè)和碾壓作業(yè)，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，通過GPS實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)計(jì)算顯示碾壓點(diǎn)的攤鋪厚度，實(shí)時(shí)顯示攤鋪?zhàn)鳂I(yè)軌跡；碾壓作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)自動統(tǒng)計(jì)和計(jì)算任意位置處的碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度和壓實(shí)度傳感器測到的壓實(shí)度等數(shù)據(jù)，并考慮土方壓實(shí)的分層施工情況在地圖上分層可視化顯示(如圖8所示)，同時(shí)可供用戶在線查詢。

圖8 實(shí)時(shí)展示子系統(tǒng)

1.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)

發(fā)布子系統(tǒng)是一個(gè)Web網(wǎng)頁系統(tǒng)，管理員通過該系統(tǒng)可進(jìn)行人員管理、施工區(qū)管理、車輛管理及GNSS設(shè)備管理，并且可以查看當(dāng)前工程完成進(jìn)度及質(zhì)量參數(shù)。但是工程信息要求具有真實(shí)性，即使是管理員也只具有查看權(quán)限，此類信息都是通過車載系統(tǒng)生成的信息，記錄著工程的施工情況，不能進(jìn)行增刪改操作。

1.3 工作流程

連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對土方工程的全過程連續(xù)管理。如圖9所示，首先數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)根據(jù)工程實(shí)際需求預(yù)先設(shè)置車輛、人員和施工區(qū)的配置文件信息；將配置文件加載到車載子系統(tǒng)，車載子系統(tǒng)在作業(yè)工程中實(shí)時(shí)采集位置軌跡信息、攤鋪和壓實(shí)信息，這些信息可以在車載平板電腦上顯示并根據(jù)后臺的反饋結(jié)果對施工車輛進(jìn)行管理；同時(shí)采集到的信息經(jīng)過無線傳輸至實(shí)時(shí)展示子系統(tǒng)中展示和生成評估報(bào)告；根據(jù)顯示和報(bào)告結(jié)果，尋找需要抽檢的特征點(diǎn)，抽檢后將抽檢結(jié)果錄入點(diǎn)抽檢系統(tǒng)；如果符合施工標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)束該作業(yè)層施工，并在數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)中發(fā)布工程數(shù)據(jù)。

圖9 連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的工作流程

2 壓實(shí)指標(biāo)控制

土方壓實(shí)工程管理中最核心的就是壓實(shí)度指標(biāo)的監(jiān)控，連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)除了能夠全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄所有施工機(jī)械作業(yè)的時(shí)間、位置和工作質(zhì)量，還針對碾壓這一核心過程同時(shí)進(jìn)行壓實(shí)工藝指標(biāo)監(jiān)控和壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控[7-8]，并且能夠在現(xiàn)場車載平板和后臺服務(wù)器實(shí)時(shí)顯示和管理。施工質(zhì)量狀況將在自動生成的報(bào)告中顯示，指導(dǎo)傳統(tǒng)檢測項(xiàng)目的進(jìn)行，并將傳統(tǒng)檢測方法得到的結(jié)果錄入系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)管理。

2.1 壓實(shí)工藝指標(biāo)監(jiān)控

壓實(shí)工藝指標(biāo)監(jiān)控是一種宏觀的監(jiān)控方法，傳統(tǒng)的監(jiān)控方法是人工測量和記錄碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資料不準(zhǔn)確、不全面；而且填筑材料和壓實(shí)機(jī)械不同，很難憑經(jīng)驗(yàn)確定壓實(shí)狀態(tài)，無法做到科學(xué)管理[9]。

在連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)中，車載平板和后臺計(jì)算機(jī)都能夠?qū)崟r(shí)顯示碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度等壓實(shí)工藝指標(biāo)，不同位置的碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度會根據(jù)衛(wèi)星定位技術(shù)在地圖上相應(yīng)的位置以不同的顏色表示，直觀可視化的控制方法可以有效地避免漏壓、欠壓和過壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控

壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)控可以直接反映土方的壓實(shí)度指標(biāo)，但是傳統(tǒng)的檢測方法(灌砂法、彎沉法等)都是事后局部點(diǎn)的抽檢[10]，無法做到實(shí)時(shí)管理，也無法保證抽檢結(jié)果的代表性。只能通過加大抽檢數(shù)量增加檢測結(jié)果的可靠性，但是這些檢測方法都是破壞性檢測且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，紙質(zhì)的施工資料也不方便保存和管理。

在連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)中，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的應(yīng)用可使壓實(shí)度傳感器直接實(shí)時(shí)地檢測土方壓實(shí)狀態(tài)。壓路機(jī)振動輪對土方施加振動激勵時(shí)，由于土方的密實(shí)程度不同而得到不同的動態(tài)響應(yīng)，壓實(shí)度傳感器會根據(jù)振動響應(yīng)計(jì)算壓實(shí)度情況，壓實(shí)度情況也會根據(jù)定位結(jié)果以不同的顏色顯示在軌跡地圖上，從而進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)控。壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控更本質(zhì)地記錄了壓實(shí)工程的施工質(zhì)量，這是進(jìn)行機(jī)械調(diào)度和管理的直接依據(jù)，也是傳統(tǒng)抽檢項(xiàng)目選點(diǎn)的重要依據(jù)。

3 后續(xù)研究方向

3.1 智能化

隨著我國壓路機(jī)制造技術(shù)的日益成熟，在連續(xù)壓實(shí)度管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展智能壓實(shí)管理系統(tǒng)[11]。

可根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的土方壓實(shí)度情況調(diào)整壓路機(jī)振動輪內(nèi)偏心塊的相位角，對壓路機(jī)振動程度進(jìn)行調(diào)整，這樣有針對性地碾壓施工，可以保證土方壓實(shí)度的均勻性[12]。

高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用除了可以實(shí)時(shí)記錄工程機(jī)械的作業(yè)軌跡，還可以為自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用提供支持[13]。智能壓實(shí)管理系統(tǒng)的后續(xù)研究中可以綜合壓實(shí)度數(shù)據(jù)和衛(wèi)星定位信息，實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的自動碾壓。

3.2 三維可視化

連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)雖然已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)記錄工程機(jī)械的作業(yè)軌跡，但只是在平面網(wǎng)格上以不同顏色進(jìn)行展示。后續(xù)的研究目標(biāo)就是通過三維建模軟件，建立施工區(qū)的三維模型[14]，直觀地展示壓實(shí)狀態(tài)，這也是BIM技術(shù)在土方工程中更深層次的應(yīng)用[15]。

4 結(jié) 語

連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)集成了衛(wèi)星定位技術(shù)、連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)、微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)，針對土方工程施工的運(yùn)料、攤鋪、碾壓和抽檢的全過程，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)進(jìn)行綜合智能展示和管理，方便業(yè)主、監(jiān)理和施工各方實(shí)時(shí)全面地掌握施工進(jìn)度和質(zhì)量，準(zhǔn)確記錄和存儲工程資料，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，節(jié)約人工和成本，未來必然會有更大的研究和發(fā)展空間。

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Research and Application Advantages of Continuous Compaction Control System

LIN Guoli，LU Yongming，CHENG Jingwei

(Hi-Target Positioning Technology Co. Ltd.， Guangzhou 511400，China)

In order to meet the requirements of compactness in the earthwork reclamation construction, high precision positioning technology based on Global Navigation Satellite System(GNSS) and continuous compaction control(CCC) technology are both used to develop a compaction management system that can monitor the whole process. The composition of the compaction management system and functions of each subsystem are also introduced, and the integrity of the management system is embodied in the cooperative workflows of all subsystems. In the rolling subsystem which is the core of the system, the construction quality can be effectively controlled by compaction process index and compaction quality index. Continuous compaction management system can monitor and manage the whole process of earthwork. It is an important attempt of building information modeling(BIM) in the earthwork compaction project, which has great application prospects and advantages.

GNSS technology; continuous compaction control; whole process; BIM

林國利，陸永明，程經(jīng)緯.連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用優(yōu)勢[J].測繪通報(bào)，2017(6)：114-117.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0202.

2016-10-21

林國利(1982—)，男，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在土木工程方面的應(yīng)用。E-mail：lingl2002@126.com

程經(jīng)緯。E-mail:jwchengzhd@163.com

P208

A

0494-0911(2017)06-0114-04