利用柵格地圖智能評(píng)判路面壓實(shí)程度的方法

吳定略，唐建亞，盛 帆

(1.廣東長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510000;2.江蘇中路信息科技有限公司，江蘇 南京 211100)

路基路面壓實(shí)是現(xiàn)代高速公路建設(shè)中的重要一環(huán)，路基路面壓實(shí)度是保證路基路面成功投入使用的重要組成部分。為了保證路面質(zhì)量，每類壓路機(jī)都會(huì)對(duì)應(yīng)的碾壓遍數(shù)的規(guī)定。碾壓遍數(shù)的差異將直接影響路面工作區(qū)域內(nèi)的碾壓均勻度，平整度也會(huì)因?yàn)槟雺壕鶆蚨炔荒苓_(dá)到目標(biāo)值而受到較大的影響。

傳統(tǒng)的路基路面壓實(shí)遍數(shù)主要是由施工單位或者監(jiān)理單位來(lái)進(jìn)行抽樣的檢查，而壓路機(jī)操作手在進(jìn)行碾壓工作時(shí)，普遍都是根據(jù)自身多年的操作經(jīng)驗(yàn)。依照這種的工作模式，會(huì)造成路基路面一定程度上的均勻度與平整度的不合格，不能保證施工的整體施工質(zhì)量，也大大加大施工單位、監(jiān)理單位與業(yè)主單位的抽樣檢查的難度。

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，智能壓實(shí)技術(shù)也在國(guó)內(nèi)形成一定量的發(fā)展熱潮，但是單純的智能壓實(shí)僅僅是得到相關(guān)的壓實(shí)部分的參數(shù)信息，無(wú)法直觀地顯示出施工過(guò)程中的壓實(shí)情況。獲得的參數(shù)信息通常包括壓實(shí)速度、壓實(shí)溫度、壓實(shí)位置等信息，如何將全部的信息結(jié)合到一體，則是現(xiàn)代GPS技術(shù)與傳統(tǒng)壓實(shí)技術(shù)相結(jié)合需要突破的難題。

通常情況下，傳統(tǒng)的GPS所獲得的位置信息往往和GIS系統(tǒng)相結(jié)合，例如數(shù)字城市、數(shù)字旅游等等。結(jié)合簡(jiǎn)單的智能壓實(shí)所采集的各項(xiàng)參數(shù)信息，則可通過(guò)類似GIS模式的壓實(shí)狀態(tài)展示效果表征智能壓實(shí)的綜合信息，這部分的表現(xiàn)形式可以歸納為智能壓實(shí)的柵格地圖展示方式。

1 基于柵格地圖的智能壓實(shí)遍數(shù)計(jì)算方法

1.1 柵格地圖簡(jiǎn)介

柵格地圖也稱之為光柵圖像，指在空間和亮度上都已經(jīng)離散化的圖像。完整的一幅柵格地圖可被認(rèn)為是一個(gè)矩陣，矩陣中的任意元素對(duì)應(yīng)圖像中的一個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)的數(shù)值代表該單元的參數(shù)值。相對(duì)于其他的地圖表現(xiàn)形式，柵格圖具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于算法計(jì)算、輸出方法簡(jiǎn)便，成本較低等優(yōu)勢(shì)，且廣泛運(yùn)用于各類地圖。

1.2 基于柵格地圖的智能壓實(shí)遍數(shù)計(jì)算方法

1.2.1 道路線性柵格化

所有道路的線性都是由道路的平面曲線要素所構(gòu)成，包括直線、緩和曲線、圓曲線等。根據(jù)道路的曲線要素的參數(shù)，建立道路中線的二維數(shù)據(jù)模型，再根據(jù)道路的設(shè)計(jì)寬度，則可建立相應(yīng)的道路線性模型，道路二維線性模型，如圖1所示。

圖1 道路二維線性模型

根據(jù)圖1道路二維線性模型所示，首先要判斷模型兩端的最遠(yuǎn)端。在此線性模型中，K0+0和K20+400兩點(diǎn)為該道路線性模型的兩端的最遠(yuǎn)點(diǎn)，則分別以K0+0和K20+400兩點(diǎn)分別做豎直的垂線L1,L2?？傮w框架將線性模型整體包含，K0+0和K20+400則是該矩形的兩個(gè)端點(diǎn)。再根據(jù)矩形的寬，均分n個(gè)7 mm長(zhǎng)的等間距線，在L1和L2上也均分出n個(gè)7 mm的等間距線，將該矩形平分成若干7 mm×7 mm的小方格，此過(guò)程則稱之為道路二維線性模型柵格化，道路二維線性模型柵格化，如圖2所示。

將線性模型柵格化后，整條道路都會(huì)由若干個(gè)小方格組成，并且在這條道路線性中，以不同的屬性值來(lái)定義這條道路在柵格圖中的走向，這個(gè)過(guò)程稱之為柵格圖的屬性化，柵格圖中道路的屬性值，如圖3所示，道路的線性模型將方格圈出一片，定義為1，則這片區(qū)域?yàn)榈缆返臄?shù)。道路的線性將方格切割開，有的包含的柵格的面積大于1/2，有的小于1/2，根據(jù)面積占優(yōu)法，則定義面積大于1/2的方格賦值1，面積小于1/2的方格不賦值。

因?yàn)榉礁竦倪呴L(zhǎng)較短，則可認(rèn)為道路的線性是以直線的形式切割方格。經(jīng)過(guò)線性切割之后，方格由規(guī)則的三角形或者梯形組成。

圖2 道路二維線性模型柵格化

圖3 柵格圖中道路的屬性值

1.2.2 道路柵格坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算

在建立道路線性模型時(shí)，可知道路中線的全部坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在根據(jù)平移原理，則可推出道路全部的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所有的道路模型數(shù)據(jù)都基于項(xiàng)目的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，此處以WGS-84坐標(biāo)為例。A點(diǎn)(X1，Y1)為中線上的某一點(diǎn)，B(X2,Y2)、C(X3,Y3)點(diǎn)則分別平移的點(diǎn)，根據(jù)距離計(jì)算式為：

(1)

求出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)式(1)距離計(jì)算公式，則可求出柵格地圖中各個(gè)方格的坐標(biāo)，這時(shí)的道路柵格地圖則為一種具有屬性值的柵格地圖，也稱之為矢量化。

1.2.3 壓實(shí)遍數(shù)計(jì)算

壓路機(jī)定位設(shè)備的原理是利用RTK技術(shù)來(lái)對(duì)壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中的軌跡、速度和平面坐標(biāo)等等進(jìn)行系統(tǒng)的采集工作。RTK也隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，采集坐標(biāo)的頻率也得到了很大的提升，現(xiàn)如今已經(jīng)達(dá)到1 s/次的速度。因?yàn)镽TK采集數(shù)據(jù)的頻率很高，連續(xù)性較好，所以我們可以根據(jù)RTK采集的坐標(biāo)點(diǎn)繪制出壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中行進(jìn)的軌跡等。

RTK在采集過(guò)程中，采集的是一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。所以在前期的安裝過(guò)程中，一般會(huì)將RTK的接收機(jī)安置在壓路機(jī)車頂?shù)闹虚g位置，這樣采集的數(shù)據(jù)則是壓路機(jī)中央的數(shù)據(jù)。和道路平移的原理類似，可以根據(jù)壓路機(jī)的輪軸的直徑，得出兩邊點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣壓路機(jī)在實(shí)際的碾壓過(guò)程中默認(rèn)為一條線的碾壓載體，道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)，如圖4所示。

在圖4道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)中，壓路機(jī)的軌跡由數(shù)條直線構(gòu)成，因?yàn)閴郝窓C(jī)在行駛的過(guò)程中，RTK采集的是壓路機(jī)中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖4 道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)

在柵格圖中，壓路機(jī)的軌跡則是根據(jù)輪軸的兩邊的坐標(biāo)走過(guò)的軌跡形成的一個(gè)工作面來(lái)體現(xiàn)。當(dāng)壓路機(jī)的工作面經(jīng)過(guò)某一個(gè)方格時(shí)，判斷是否超過(guò)方格本身面積的1/2，若工作面占方格的面積超過(guò)1/2，則可認(rèn)為壓路機(jī)碾壓過(guò)這一區(qū)域，將賦予這一方塊新的屬性值；若不足1/2，認(rèn)為壓路機(jī)未曾碾壓過(guò)這片區(qū)域，該方塊的屬性值保持原樣。

由于壓路機(jī)行駛的過(guò)程中，不會(huì)一直是直行的狀態(tài)，所以運(yùn)行的軌跡不會(huì)一直是規(guī)則的矩形。RTK采集的時(shí)間為1 s，因?yàn)闀r(shí)間很短，所以當(dāng)t=1 s時(shí)，我們可以認(rèn)為在1 s的時(shí)間內(nèi)，壓路機(jī)走過(guò)的軌跡為規(guī)則的矩形。1 s內(nèi)壓路機(jī)走過(guò)的軌跡(放大)如圖5所示。

圖5 1 s內(nèi)壓路機(jī)走過(guò)的軌跡(放大)

在圖5中，當(dāng)t=1 s壓路機(jī)走過(guò)的軌跡(放大)中，矩形的四點(diǎn)分別為壓路機(jī)輪軸的兩邊點(diǎn)，則我們可以判斷這塊矩形的工作區(qū)域覆蓋了方格的面積為多少。最后，根據(jù)面積最大占優(yōu)法決定該區(qū)域內(nèi)哪些方格的面積被覆蓋大于或小于1/2。屬性值變化(放大)，如圖6所示，面積大于等于1/2的方格，定義該方格的定義值為2，小于1/2的區(qū)域的方格定義值不變，依舊為1。

圖6 屬性值變化(放大)

面積占優(yōu)法的定義是占用面積與本身面積的比較。計(jì)算面積依舊使用坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算，因?yàn)椴杉臅r(shí)間較短，可以認(rèn)為矩形的寬是一條直線，所以方格會(huì)被規(guī)則的分割成三角形或者梯形。根據(jù)式(1)距離計(jì)算式，求得碾壓軌跡的寬度，再通過(guò)計(jì)算由軌跡的寬和范圍內(nèi)的方格組成的圖像面積與方格的面積做比較。

當(dāng)柵格中的方格屬性值變化過(guò)一次，則可以認(rèn)為此區(qū)域的碾壓遍數(shù)為1。經(jīng)過(guò)連續(xù)不斷的軌跡工作面覆蓋方格面，方格中的屬性值也會(huì)隨著變化。若這時(shí)的方格屬性值為n，屬性值的變化數(shù)則為n-1，則相應(yīng)的碾壓遍數(shù)為

N=n-1/2.

(2)

1.2.4 壓實(shí)遍數(shù)占比計(jì)算

當(dāng)壓路機(jī)完成一個(gè)工作區(qū)域，這片區(qū)域中所有碾壓過(guò)的地方都會(huì)被賦予不同的屬性值(1，2，3…)。在道路施工系統(tǒng)內(nèi)，選擇整條道路中的這一段工作區(qū)域。計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)所有的涵蓋擁有各類屬性值方格，記為總數(shù)。分別將各類屬性的方格的數(shù)量與總數(shù)相比較，則可以得出該區(qū)域內(nèi)不同的壓實(shí)遍數(shù)的占比情況。碾壓后效果圖(放大)，如圖7所示。

圖7 碾壓后效果圖(放大)

在圖7碾壓后效果圖(放大)中，總共由47個(gè)方格，代表著這塊區(qū)域由47個(gè)方格構(gòu)成。其中，屬性值為2的方格數(shù)為21個(gè)，屬性值為3的方格數(shù)為3個(gè)，屬性值為7的方格數(shù)為5個(gè)，屬性值為9的方格數(shù)為1個(gè)。式(3)為屬性值方格占比計(jì)算式

(3)

求得碾壓1遍的占比為44%，碾壓3遍的占比為10%。以此類推，各類的屬性值方格的占比情況都可以求出。

1.2.5 壓實(shí)遍數(shù)的表現(xiàn)方法

在統(tǒng)計(jì)各個(gè)屬性值的方格之后，整條道路會(huì)有若干個(gè)帶有不同屬性值的方格組成。屬性值是由碾壓的情況決定，所以不同的屬性值代表的就是不同的碾壓遍數(shù)。在質(zhì)量體系中，我們通過(guò)定義不同屬性值帶有的方格中的顏色深淺，也就是可以通過(guò)不同顏色分塊來(lái)決定該區(qū)域的不同碾壓遍數(shù)。

方格中顏色屬性(放大)，如圖8所示，方格的屬性值為3，它對(duì)應(yīng)的方格顏色屬性為藍(lán)色，屬于顏色較深的部分。方格的屬性值為7，它對(duì)應(yīng)的方格顏色屬性為紅色，屬于顏色較鮮艷的部分。所以，方格中的顏色越鮮艷，代表該區(qū)域的碾壓遍數(shù)越多。

圖8 方格中顏色屬性(放大)

1.2.6 壓實(shí)遍數(shù)合格率分析

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004》中，對(duì)壓實(shí)遍數(shù)與速度標(biāo)注了詳細(xì)的要求。壓路機(jī)壓實(shí)分為初壓、復(fù)壓和終壓三種模式，每種模式都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的壓實(shí)要求。初壓類的壓路機(jī)在壓實(shí)過(guò)程中，壓路機(jī)壓實(shí)的遍數(shù)不應(yīng)超過(guò)往返3遍，速度應(yīng)保持在2～4 km/h范圍內(nèi)。復(fù)壓類的壓路機(jī)在壓實(shí)過(guò)程中，壓路機(jī)壓實(shí)的遍數(shù)不應(yīng)超過(guò)往返2遍，速度應(yīng)保持在4～6 km/h范圍內(nèi)。終壓類的壓路機(jī)在壓實(shí)過(guò)程中，壓路機(jī)壓實(shí)的遍數(shù)不應(yīng)超過(guò)往返2遍，速度應(yīng)保持在4～6 km/h范圍內(nèi)。

根據(jù)規(guī)范的要求，可以得出質(zhì)量較高的壓實(shí)遍數(shù)，在每米樁號(hào)的統(tǒng)計(jì)情況下，應(yīng)屬于7～9遍。相應(yīng)的情況分析下，小于4遍是質(zhì)量較差(欠壓)的壓實(shí)情況，5～9遍是質(zhì)量較高(正常)的壓實(shí)情況，大于10遍是質(zhì)量較差(超壓)的壓實(shí)情況。根據(jù)計(jì)算處理后得出的壓實(shí)軌跡圖，可以清晰地反映出道路的實(shí)際壓實(shí)情況，不同的顏色對(duì)應(yīng)不同的壓實(shí)遍數(shù)，在圖8中獲取哪些區(qū)域的壓實(shí)遍數(shù)沒有符合規(guī)范的要求，根據(jù)規(guī)范的要求添加相應(yīng)的壓實(shí)遍數(shù)。

2 工程應(yīng)用效果

本計(jì)算方法，可應(yīng)用于不同工作面的壓實(shí)監(jiān)管，在江蘇江廣改擴(kuò)建、廣西貴合高速、黑龍江北富高速等工程項(xiàng)目中應(yīng)用，取得較好的效果，鋼輪膠輪壓實(shí)遍數(shù)效果圖，如圖9所示。

圖9 鋼輪膠輪壓實(shí)遍數(shù)效果圖

通過(guò)運(yùn)用智能壓實(shí)遍數(shù)柵格地圖的計(jì)算方法，通過(guò)工程樁號(hào)信息可查詢?cè)摌短?hào)下的壓實(shí)遍數(shù)的統(tǒng)計(jì)情況，并以更加生動(dòng)的展示效果表現(xiàn)該施工樁號(hào)的壓實(shí)情況。

3 結(jié) 論

智能壓實(shí)遍數(shù)的計(jì)算依據(jù)柵格地圖的計(jì)算方法求得，對(duì)混合料碾壓過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、結(jié)合、表現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)混合料壓實(shí)的直觀展現(xiàn)，其對(duì)于提高路面施工質(zhì)量、提高工程管理效率等有著積極意義。且柵格地圖技術(shù)較為成熟、智能壓實(shí)系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊信息傳輸高速，使得該計(jì)算方法具有較高的推廣價(jià)值。

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