基于數(shù)字化的高速公路路基施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究

宋營(yíng)軍， 唐建亞， 黎 享

（江蘇中路信息科技有限公司,江蘇 南京 211806）

引 言

路基填筑工程的壓實(shí)質(zhì)量對(duì)道路穩(wěn)定性和承載能力有顯著影響，通常采用現(xiàn)場(chǎng)“灌砂法”、“環(huán)刀法”等方式進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，以測(cè)得的壓實(shí)度、沉降量等指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)。但傳統(tǒng)的檢測(cè)方式呈現(xiàn)出事后檢測(cè)以及單點(diǎn)檢測(cè)的特點(diǎn)，無法做到過程控制與全域控制，難以滿足高質(zhì)量的發(fā)展要求［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［2-4］。該種技術(shù)通過采集振動(dòng)碾壓過程中的響應(yīng)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和處理，根據(jù)處理后的結(jié)果信息評(píng)估碾壓的質(zhì)量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)直觀的顯示在管理平臺(tái)和車載屏幕上，以此來指導(dǎo)填筑施工。我國(guó)于2017年公布了《公路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（JT/T 1127－2017），首次提出了關(guān)于高速公路路基工程智能壓實(shí)的振動(dòng)壓實(shí)值VCV，規(guī)定了公路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與功能、技術(shù)要求和試驗(yàn)方法［5］。

經(jīng)過40余年的發(fā)展和完善，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，其技術(shù)發(fā)展也邁向了更高階段，即智能壓實(shí)控制技術(shù)［6-8］。智能壓實(shí)控制技術(shù)是在填筑體碾壓過程中，在連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)識(shí)別和評(píng)估壓實(shí)程度的基礎(chǔ)上，采用人工智能技術(shù)建立決策和反饋控制體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)填筑過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和反饋控制以求壓實(shí)效率的自動(dòng)最優(yōu)。因此，如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)采集的路基壓實(shí)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，科學(xué)建立決策與反饋系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)施工人員的工作引導(dǎo)需求，進(jìn)而提高工程管理和施工技術(shù)水平，成為路基智能壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［9］。

現(xiàn)有研究關(guān)于路基智能壓實(shí)的評(píng)價(jià)模型研究相對(duì)較少，李陽等［10］在路基智能壓實(shí)技術(shù)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用研究中提出高速公路路基施工質(zhì)量管控系統(tǒng)輸出的監(jiān)測(cè)值可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、預(yù)測(cè)精度較高。趙富強(qiáng)等［11］在路基智能壓實(shí)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)在高速公路工程中的研究與應(yīng)用中提出了關(guān)于路基智能壓實(shí)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，為優(yōu)化高速公路路基工程智能碾壓系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提出了新的解決思路。賈荷柱等［12］在基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的公路工程施工質(zhì)量評(píng)估模型應(yīng)用中提出了一種基于AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重的模糊綜合評(píng)價(jià)法，來評(píng)定公路工程施工質(zhì)量。

本研究通過開展路基智能壓實(shí)技術(shù)的施工現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)應(yīng)用，將采集到的過程數(shù)據(jù)作為輸出參數(shù)，重點(diǎn)研究路基施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)的模型建立，形成具備自動(dòng)學(xué)習(xí)、智慧反饋的路基智能壓實(shí)反饋機(jī)制，初步探究了路基施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)分析模型的可行性。

1 施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

1.1 SVM算法理論

支持向量機(jī)（Support Vector Machines， SVM）是一個(gè)二類分類器，它的目標(biāo)是找到一個(gè)超平面，使用兩類數(shù)據(jù)離超平面越遠(yuǎn)越好，可形式化為一個(gè)求解凸二次規(guī)劃的問題，也等價(jià)于正則化的合頁損失函數(shù)的最小化問題，從而對(duì)新的數(shù)據(jù)分類更準(zhǔn)確，即使分類器更加健壯，SVM算法如圖1所示。

圖1 SVM算法示意圖

SVM是一個(gè)廣義線性分類器，通過修改SVM的核函數(shù)，可使它成為實(shí)質(zhì)上的非線性分類器。SVM理論提供了一種避開高維空間的復(fù)雜性，直接用此空間的內(nèi)積函數(shù)，再利用在線性可分的情況下的求解方法直接求解對(duì)應(yīng)的高維空間的決策問題。

1.2 評(píng)價(jià)模型的建立

路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)模型的建立思想是通過智能壓實(shí)控制技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到集成控制器中，集成控制器對(duì)實(shí)時(shí)采集過來的施工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、校正，最后將道路線性數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、智能振動(dòng)測(cè)值數(shù)據(jù)作為路基施工質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的模型的訓(xùn)練樣本集D，采用機(jī)器學(xué)習(xí)SVM算法，進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，尋求質(zhì)量評(píng)價(jià)模型參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果。路基智能壓實(shí)施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的核心函數(shù)為：

式中w表示路基最小劃分道路柵格壓實(shí)穩(wěn)定性；z表示路基最小劃分道路柵格壓實(shí)均勻性；m，n為修正系數(shù)，取值區(qū)間均為0～1。

路基最小劃分單元的壓實(shí)穩(wěn)定性w為：

式中φ表示路基最小格子碾壓遍數(shù)特定值的樣本占總樣本的比例；γ表示最小格子被碾壓最后一遍后振動(dòng)VCV特定值出現(xiàn)次數(shù)之和占總樣本的比例。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)段基本工況

本研究以黑龍江省綏大高速為依托工程，黑龍江省綏化至大慶高速公路是黑龍江省高速公路網(wǎng)中規(guī)劃的重要省級(jí)主干線高速公路，是黑龍江“一帶一路”陸海絲綢之路戰(zhàn)略規(guī)劃中的重點(diǎn)項(xiàng)目。試驗(yàn)段選取了綏大高速公路項(xiàng)目第一工區(qū)第一合同段，樁號(hào)區(qū)間K8+600～K8+800填土路基，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為200 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該工程分層填筑厚度為30 cm，碾壓遍數(shù)控制在6遍以上，碾壓速度控制在2.5～3.0 km/h，路基壓實(shí)度應(yīng)不小于93%。為保證試驗(yàn)條件的一致性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段的壓實(shí)機(jī)械參數(shù)保持相同。本試驗(yàn)中，壓路機(jī)的工作質(zhì)量為22 t，激振頻率為28 Hz /33 Hz，激振力為374 kN /290 kN，工作寬度為2130 mm。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集

路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是基于衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并對(duì)整個(gè)壓實(shí)施工過程中的多個(gè)系統(tǒng)信息進(jìn)行智能整合，從而為操作手提供高效、高質(zhì)、快速的壓實(shí)作業(yè)引導(dǎo)，為業(yè)主及監(jiān)理提供強(qiáng)大的信息管理平臺(tái)。智能壓實(shí)設(shè)備通過記錄振動(dòng)碾壓過程中振動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行解調(diào)分析和指標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域內(nèi)的壓實(shí)指標(biāo)采集顯示。本試驗(yàn)采用的路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)由定位、采集和顯示系統(tǒng)三部分組成。

2.2.1 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)包括厘米級(jí)高精度GNSS定位主機(jī)S100（如圖2所示）和全頻段圓盤天線，主要工作是采用GPS載波相位差分技術(shù)，實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法?；鶞?zhǔn)站通過網(wǎng)絡(luò)將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站（壓路機(jī)端）。流動(dòng)站（壓路機(jī)端）不僅通過網(wǎng)絡(luò)接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

圖2 高精度GNSS主機(jī)S100

2.2.2 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)主要設(shè)備包括GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、壓實(shí)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置、集成控制器和供電電源等。通過GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤定位壓路機(jī)的空間三維坐標(biāo)，同時(shí)安裝在壓路機(jī)振動(dòng)輪上的壓實(shí)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置（如圖3所示），自動(dòng)采集并計(jì)算壓路機(jī)振動(dòng)頻率和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)（VCV值），與壓路機(jī)的坐標(biāo)信息經(jīng)集成控制器融合后，通過DTU經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，供后續(xù)分析使用。

圖3 壓實(shí)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置

2.2.3 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)包括路基壓實(shí)引導(dǎo)平板和遠(yuǎn)程PC監(jiān)控系統(tǒng)組成，現(xiàn)場(chǎng)操作手，可以通過路基壓實(shí)引導(dǎo)平板，實(shí)時(shí)掌握路基壓實(shí)質(zhì)量狀況，是否存在漏壓或欠壓情況，及時(shí)調(diào)整壓實(shí)施工工藝，保證路基壓實(shí)質(zhì)量。項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)、施工管理人員和監(jiān)理人員，可通過PC端監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)施工狀況，并根據(jù)路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，及時(shí)做出科學(xué)合理的施工決策。路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集展示流程，如圖4所示。

圖4 路基智能壓實(shí)數(shù)據(jù)采集展示流程圖

為了保證路基智能施工評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過在壓路機(jī)設(shè)備上安裝北斗GNSS高精度定位設(shè)備與壓實(shí)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置等設(shè)備對(duì)路基壓實(shí)過程各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)等手段將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)（如圖5所示），同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和清洗。目前路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要采集的路基施工過程數(shù)據(jù)包括：壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)速度、振動(dòng)壓實(shí)值VCV、經(jīng)緯度信息等。

圖5 路基智能壓實(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 評(píng)價(jià)模型對(duì)比分析

通過智能壓實(shí)控制技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段數(shù)據(jù)采集并上傳至管理平臺(tái)后臺(tái)，應(yīng)用公式（1）對(duì)施工全域統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到基于本工況條件下的評(píng)價(jià)模型，并輸出結(jié)果得到路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)f。

針對(duì)施工區(qū)間的路基工程開展技術(shù)狀況檢測(cè)與調(diào)查，具體調(diào)查方式采用人工調(diào)查與自動(dòng)化檢測(cè)方式相結(jié)合的方式，調(diào)查內(nèi)容根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018）確定，計(jì)算得到路基技術(shù)狀況指數(shù)SCI為95分，質(zhì)量評(píng)定結(jié)果為優(yōu)。

評(píng)定結(jié)果表明本研究提出的評(píng)價(jià)模型，在基于本工況條件下得到的碾壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)，施工碾壓后的路基質(zhì)量在壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性以及穩(wěn)定性均有一定質(zhì)量保證，其技術(shù)狀況指數(shù)SCI評(píng)定結(jié)果為優(yōu)，說明本文所提出的路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)f具備較高的可靠度，具有一定的可行性。另外，通過路基智能施工質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)時(shí)繪制高速公路路基施工過程質(zhì)量圖如圖6所示，可直觀指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作手實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工，圖中對(duì)應(yīng)格子顏色越深說明其公路路基施工過程質(zhì)量越好，反之顏色越淺則公路路基施工過程質(zhì)量越差。

圖6 K8+600～K8+800施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)效果圖

4 結(jié)束語

本文基于智能壓實(shí)控制技術(shù)，以提升路基壓實(shí)施工過程質(zhì)量控制效果為目標(biāo)，通過在試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)采集施工碾壓數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，將道路線形數(shù)據(jù)、碾壓參數(shù)數(shù)據(jù)以及振動(dòng)測(cè)值作為訓(xùn)練參數(shù)，形成了路基智能壓實(shí)施工過程質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，并對(duì)試驗(yàn)段段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模擬。模擬結(jié)果得到的路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)f與路基技術(shù)狀況指數(shù)SCI評(píng)價(jià)結(jié)果高度一致，表明研究模型在基于本工況的訓(xùn)練環(huán)境下所得的評(píng)價(jià)模型具備一定的可靠性。