論路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)太原東二環(huán)高速品質(zhì)工程的作用

李 峰

（山西路橋東二環(huán)高速公路有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

路面數(shù)字化施工改變了傳統(tǒng)的施工管理模式。主要體現(xiàn)在：從時(shí)間和空間角度上滿足了監(jiān)管者對(duì)項(xiàng)目路面現(xiàn)場施工的管理需求；從傳統(tǒng)抽檢點(diǎn)模式改為數(shù)字化監(jiān)控面模式對(duì)施工質(zhì)量的控制需求；從經(jīng)驗(yàn)化要求改為程序化生產(chǎn)改變了對(duì)人的技能掌握要求；從機(jī)械、原材料的控制滿足了施工對(duì)成本的控制；從項(xiàng)目數(shù)字化改變了對(duì)問題分析處理方法；從路面全方位生命周期記錄為BIM預(yù)留數(shù)據(jù)接口。而傳統(tǒng)的路面施工，受環(huán)境因素影響太大，因此在施工過程中一定會(huì)或多或少地對(duì)質(zhì)量造成一定的影響，故而會(huì)導(dǎo)致一定的返工可能，增加額外的施工成本。并且傳統(tǒng)路面施工在正式使用后，一旦出現(xiàn)一些問題比如裂縫、坑槽等，要找到原因和從本質(zhì)解決問題都非常困難，這樣就造成了公路的使用壽命不高，甚至可能導(dǎo)致某些嚴(yán)重事故。但是目前國內(nèi)大部分的公路建設(shè)采用的還是傳統(tǒng)的建設(shè)方式，而這種建設(shè)方式的技術(shù)局限性很大，對(duì)過程質(zhì)量沒有任何監(jiān)控能力；采用人工管理的方式，效率太低、成本太高、施工周期太長、控制手段太少，攤鋪碾壓過程基本都是經(jīng)驗(yàn)化施工。

從21 世紀(jì)開始，國內(nèi)也開始陸續(xù)研究公路路面的數(shù)字化施工手段，希望借助一些數(shù)字化設(shè)備實(shí)現(xiàn)全過程的可視化管控，并且實(shí)時(shí)地進(jìn)行質(zhì)量反饋，便于及時(shí)做質(zhì)量糾正。至今為止，國內(nèi)也有了一套較為成熟，有科學(xué)依據(jù)的路面數(shù)字化施工管控程序。數(shù)字化施工是目前在國內(nèi)施工領(lǐng)域的一項(xiàng)新興的技術(shù)應(yīng)用。所謂數(shù)字化施工，主要依靠北斗高精度定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場施工動(dòng)態(tài)模擬化技術(shù)等手段將即時(shí)信息加以整合處理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目現(xiàn)場管理做到統(tǒng)一化、協(xié)調(diào)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 工程概括

太原市東二環(huán)高速公路是山西省規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)中重要組成部分。該項(xiàng)目路線為南北走向，項(xiàng)目起點(diǎn)太原市陽曲縣凌井店鄉(xiāng)南莊村北，以樞紐立交形式與平陽高速（京昆）相接，并與太原北二環(huán)高速公路相連，終點(diǎn)以樞紐立交形式與太舊高速公路相接，并與龍城高速公路相連，途徑陽曲、壽陽、榆次等地區(qū)縣，涉及2 個(gè)地市27 個(gè)自然村，路線全長共33.199 km。

該項(xiàng)目全線采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h。主要工程共設(shè)置3 處互通式立體交叉，分別為凌井店、龍白兩處樞紐式互通立交，南莊互通一處一般互通式立交，服務(wù)區(qū)、收費(fèi)管理站、管理分中心、養(yǎng)護(hù)工區(qū)各1 處；特大、大中橋共10 365 m/41 座，其中特大橋1 088 m/1 座。

該項(xiàng)目建成后，作為G55 高速公路一部分，將會(huì)替代已運(yùn)營的太原東環(huán)高速功能，很大幅度地緩解東環(huán)高速交通壓力，對(duì)完善山西省內(nèi)以及我國國家高速公路網(wǎng)有很重要的意義。

為了從源頭上控制路面施工質(zhì)量，在確保施工進(jìn)度的情況下追求優(yōu)良的施工品質(zhì)，故在太原東二環(huán)高速公路上結(jié)合了數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，由質(zhì)量過程管控替代原本的事后檢測。并且降低人工成本，提高施工效率，保證施工安全，另外還附加持續(xù)化監(jiān)測，動(dòng)態(tài)預(yù)警和實(shí)時(shí)糾偏能力。這套系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目上的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的路面施工規(guī)則，開創(chuàng)了智能化施工的時(shí)代，在打造品質(zhì)工程和優(yōu)良工程中起到了關(guān)鍵性的推動(dòng)作用。

2 路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的介紹

路面數(shù)字化施工質(zhì)量智能監(jiān)測系統(tǒng)利用智能遠(yuǎn)程施工數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)、現(xiàn)場施工過程追溯技術(shù)幫助提高路面施工質(zhì)量，通過提供遠(yuǎn)程管理和施工過程回溯手段提升施工質(zhì)量、把控施工質(zhì)量。智能監(jiān)測系統(tǒng)有兩個(gè)核心特點(diǎn)，分別是“遠(yuǎn)程施工質(zhì)量監(jiān)控”和“現(xiàn)場施工實(shí)時(shí)追溯”，通過這兩個(gè)核心點(diǎn)管理施工作業(yè)的施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、施工過程，以及為達(dá)成施工目標(biāo)提供有效幫助。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面施工混合料（瀝青、水穩(wěn)）生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)料車運(yùn)輸（軌跡、運(yùn)料次數(shù)、單次運(yùn)料時(shí)間）、攤鋪數(shù)據(jù)（溫度、速度、軌跡）、壓實(shí)（速度、變數(shù)、厚度）的大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的采集、傳輸、交互分析、追溯，同時(shí)完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)持久化的儲(chǔ)存及施工現(xiàn)場可視化的展現(xiàn)，最終可以極大地幫助并強(qiáng)化監(jiān)管層對(duì)施工質(zhì)量和進(jìn)度的掌控。

2.1 系統(tǒng)在東二環(huán)項(xiàng)目應(yīng)用效果

2.1.1 提高施工效率

通過對(duì)路面施工各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量和施工進(jìn)度信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測，優(yōu)化各個(gè)施工區(qū)域調(diào)度效率，確保路面材料從生產(chǎn)到施工全過程各指標(biāo)值的合格率，全面提升施工全周期的管理效率、施工效率。

2.1.2 保障施工進(jìn)度

利用系統(tǒng)在施工期間不間斷提供的對(duì)作業(yè)前場和后場業(yè)務(wù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析、偏差自動(dòng)預(yù)警功能，確保施工各級(jí)監(jiān)管人員在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能夠詳細(xì)了解并掌握路面工程施工過程是否存在各項(xiàng)指標(biāo)值異常、各工藝層施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)監(jiān)控等關(guān)鍵信息。

2.1.3 實(shí)現(xiàn)過程回溯

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定路面施工工藝及各施工工藝所對(duì)應(yīng)的施工業(yè)務(wù)管理、技術(shù)管理要求，全過程自動(dòng)采集作業(yè)現(xiàn)場所有生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并同步到云存儲(chǔ)中心進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)篩選、清洗的二次加工。確保在路面施工環(huán)節(jié)的各個(gè)階段均可對(duì)歷史作業(yè)過程、業(yè)務(wù)參數(shù)、施工工藝、預(yù)報(bào)預(yù)警進(jìn)行回溯和重放，為監(jiān)管層的復(fù)盤工作提供可視化、強(qiáng)有力的決策依據(jù)。

2.1.4 完善施工大數(shù)據(jù)

使用光電全息顯微鏡對(duì)薄膜的變形進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。圖7為未施加壓力時(shí)，薄膜的干涉圖形和3D圖形。我們可以看出在沒有施加壓力的情況下，壓力傳感器的薄膜仍然存在約為0.25μm的微小變形，這是由于加工后存在殘余應(yīng)力所導(dǎo)致。壓力傳感器在壓強(qiáng)為15kPa下的干涉圖形及3D圖形如圖8所示。在施加壓力不同的情況下，對(duì)薄膜最大變形量進(jìn)行測量，能夠得知薄膜最大變形量與所施加壓強(qiáng)的變化關(guān)系，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著對(duì)薄膜所施加的壓力的增大 （實(shí)際上通過控制應(yīng)變片變形薄膜表面上作用的氣體壓強(qiáng)大小來控制壓力），薄膜的變形加大。

通過路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的上線應(yīng)用，助力項(xiàng)目建設(shè)單位對(duì)路面施工作業(yè)全過程管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、精細(xì)化。通過系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)應(yīng)用，確保項(xiàng)目路面各施工工藝相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長久留存，推動(dòng)并完善集團(tuán)公司對(duì)施工項(xiàng)目建設(shè)期大數(shù)據(jù)積累，通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析技術(shù)最終提升對(duì)施工質(zhì)量和成本的有效控制。

2.2 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖1）

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 瀝青混合料拌和站生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

瀝青混合料站監(jiān)測管理系統(tǒng)監(jiān)測管理以下數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行分析反饋[1]：

a）瀝青混合料拌和站熱料倉料位監(jiān)控。

b）瀝青混合料全生產(chǎn)過程配合比等參數(shù)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控、分析（見表1）。

c）瀝青混合料瀝青含量（油石比）指標(biāo)值監(jiān)控、分析。

d）瀝青混合料拌和站出料口料溫度達(dá)標(biāo)監(jiān)控。

e）瀝青單純和料級(jí)配曲線走向繪制及分析（見s圖2）。

表1 瀝青混合料全生產(chǎn)過程參數(shù)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控

圖2 瀝青混和料級(jí)配比、油石比、溫度實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控

2.4 混合料運(yùn)輸過程質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

首先通過在混合料拌和站、混合料運(yùn)輸車輛、施工作業(yè)現(xiàn)場攤鋪機(jī)終端上安裝部署設(shè)備信息識(shí)別系統(tǒng)完成對(duì)進(jìn)場機(jī)械的甄別（見圖3）；其次通過高精度北斗定位及跟蹤系統(tǒng)對(duì)終端機(jī)構(gòu)設(shè)備運(yùn)作及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方面定位及跟蹤（見圖4）。通過這兩個(gè)監(jiān)測環(huán)節(jié)，確保每一車混合料從裝車、運(yùn)輸、攤鋪全過程混合料溫度、運(yùn)輸軌跡、過程用時(shí)、現(xiàn)場作業(yè)施工實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控、監(jiān)測，同時(shí)也為后期的施工作業(yè)薄弱區(qū)及薄弱環(huán)節(jié)的工程施工質(zhì)量問題追溯提供了真實(shí)的數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

通過混合料運(yùn)輸過程質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)提供的電子圍欄控制功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混合料運(yùn)輸車輛在混合料運(yùn)輸過程中出現(xiàn)超出已設(shè)定好的電子圍欄范圍或長時(shí)間停車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以手機(jī)短信方式自動(dòng)進(jìn)行違規(guī)狀態(tài)預(yù)警及報(bào)警。

圖3 混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪過程識(shí)別設(shè)備

圖4 施工車輛定位及動(dòng)態(tài)跟蹤

2.5 東二環(huán)路面攤鋪碾壓質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)

東二環(huán)路面施工攤鋪碾壓質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)作為項(xiàng)目路面水穩(wěn)層的攤鋪碾壓、瀝青層的攤鋪碾壓施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測控制的重要組成部分。通過信息化軟件系統(tǒng)與智能化物聯(lián)網(wǎng)硬件相結(jié)合（見圖5），實(shí)現(xiàn)后臺(tái)施工工藝關(guān)鍵參數(shù)的集中管理與調(diào)用，完成作業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線采集處理，過程中做到了后臺(tái)參數(shù)與前端數(shù)據(jù)同步對(duì)比分析，第一時(shí)間為作業(yè)監(jiān)管人員推送質(zhì)量評(píng)價(jià)信息。

圖5 施工設(shè)備智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)將項(xiàng)目路面作業(yè)施工現(xiàn)場為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行全過程、全方位的監(jiān)管。首先，在施工過程中針對(duì)水穩(wěn)、瀝青層攤鋪、壓實(shí)作業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的工藝信息設(shè)置；其次，針對(duì)攤鋪機(jī)和壓路機(jī)操作手可通過車載工業(yè)平板所展示的實(shí)時(shí)施工作業(yè)模擬畫面提供現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量把控的可視化施工輔助（見圖6、圖7）；再者，攤鋪、碾壓系統(tǒng)平臺(tái)同步實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)并展示現(xiàn)場各工藝施工作業(yè)模擬畫面及對(duì)應(yīng)的包括攤鋪溫度、速度、位置及壓實(shí)遍數(shù)、溫度、速度、軌跡等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總（見圖8、圖9、圖10），并為質(zhì)量回溯提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 施工作業(yè)機(jī)械設(shè)備工作信息可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控

圖7 路面施工作業(yè)過程可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控

圖8 路面施工生產(chǎn)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

圖9 路面施工工藝達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)

圖10 施工機(jī)械設(shè)備工作量統(tǒng)計(jì)

3 應(yīng)用效果

路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)在東二環(huán)高速公路項(xiàng)目上的應(yīng)用，本質(zhì)是為了提高施工質(zhì)量、確保施工安全、減少人工成本、降低機(jī)械損耗，過程管控代替事后檢測，全面提高了施工作業(yè)數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。通過這次應(yīng)用，我們也獲得了一些成效。

3.1 提高了施工質(zhì)量

通過系統(tǒng)中實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，確保了路面施工過程符合管理規(guī)范要求。系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)監(jiān)控過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)施工過程作業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與規(guī)范參數(shù)出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)自動(dòng)通過現(xiàn)場報(bào)警、平臺(tái)預(yù)警、短信息提醒等手段通知相關(guān)人員，對(duì)施工工藝、方法及時(shí)糾偏，使施工過程的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)。

3.2 提升了施工效率

在東二環(huán)高速項(xiàng)目路面施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，完成了施工質(zhì)量、施工進(jìn)度數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測，過程中優(yōu)化了工料之間的調(diào)度，減少資源浪費(fèi)。通過系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)的收集，利用智能薄弱區(qū)分析，做到了有針對(duì)性檢測，避免返工與識(shí)判，從而提升了工程項(xiàng)目整體管理效率和施工效率。

3.3 提供施工質(zhì)量回溯手段

系統(tǒng)的上線應(yīng)用過程中采集了施工過程所有數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)于集團(tuán)公司指定的云數(shù)據(jù)中心，過程中或后期可隨時(shí)利用原始數(shù)據(jù)對(duì)歷史施工過程、作業(yè)參數(shù)、施工工藝等資料進(jìn)行回溯與重放。

3.4 降低施工成本

系統(tǒng)的上線應(yīng)用，為企業(yè)基于精確的施工項(xiàng)目現(xiàn)場各作業(yè)環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)用做到了充分的儲(chǔ)備，同時(shí)通過系統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)度分析、攤鋪壓實(shí)分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、車輛數(shù)據(jù)等分析模塊，協(xié)助完成施工成本的核算，為業(yè)主單位優(yōu)化建設(shè)成本提供了決策支持。

3.5 為項(xiàng)目路面全生命周期運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持

通過系統(tǒng)上線應(yīng)用，完成對(duì)路面施工過程中所采集到的所有施工作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行長久保存，為項(xiàng)目后期養(yǎng)護(hù)運(yùn)營過程中提供準(zhǔn)確、全面的原始施工數(shù)據(jù)。

4 主要研究結(jié)論

a）路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的引入，使整個(gè)路面施工質(zhì)量和效率比傳統(tǒng)施工提高40%以上。主要體現(xiàn)在：拌和站生產(chǎn)監(jiān)管（后場）使材料生產(chǎn)合格率達(dá)到95%以上；材料運(yùn)輸監(jiān)管（銜接）提高了材料生產(chǎn)后場和施工前場之間材料供應(yīng)效率協(xié)調(diào)問題，同時(shí)也解決了合格混合料和施工前場不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的混合料失溫問題；攤鋪壓實(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管使操作手在施工過程中科學(xué)地參考平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保證了攤鋪狀態(tài)下的機(jī)械作業(yè)速度和混合料攤鋪的溫度，同時(shí)監(jiān)管壓路機(jī)在碾壓時(shí)的速度、溫度、變數(shù)，通過硬性數(shù)據(jù)監(jiān)管路面攤鋪碾壓的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

b）路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的上線應(yīng)用，針對(duì)傳統(tǒng)的路面施工管理及人員管理存在的盲點(diǎn)做了有效補(bǔ)充，并且對(duì)后期可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題有了更明顯的責(zé)任追究機(jī)制，有助于提高路面施工過程的質(zhì)量控制管理水平。