路面施工過程平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用分析

為了提升瀝青路面施工過程平整度，文章設計了一種部署于終壓雙鋼輪壓路機的平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用激光位移傳感器實時檢測路面縱斷面相對高程位移變化，利用振動加速度傳感器消除壓路機振動對激光位移傳感器的影響，建立了智能采集縱斷面相對高程位移標準差與連續(xù)式八輪儀采集的平整度線性回歸關系。結(jié)果表明：智能監(jiān)測系統(tǒng)采集的平整度與連續(xù)式八輪儀測試的平整度具有良好的相關性，可通過智能監(jiān)測系統(tǒng)對施工路面進行平整度監(jiān)測，具有較高的工程應用普及價值，有助于提升路面施工品質(zhì)。

平整度；監(jiān)測系統(tǒng)；激光位移傳感器；加速度傳感器

U491.1+16A541754

作者簡介：

許夏熒（1981—），碩士，高級工程師，主要從事公路建設和公路養(yǎng)護管理工作。

0" 引言

平整度是瀝青路面施工質(zhì)量控制的重要指標之一，其直接影響車輛行駛的舒適性，同時間接影響了行車安全［1］。車輛在平整度差的路面上高速行駛過程中會產(chǎn)生附加振動，此時車輛就會對路面產(chǎn)生慣性沖擊力，使路面容易出現(xiàn)疲勞損害；同時，不平整的路面容易積滯雨水，在長期水力耦合作用下易出現(xiàn)水損害，影響路面的使用壽命［2-3］。因此，在施工過程中及時監(jiān)控平整度，提升瀝青路面施工質(zhì)量具有重要的意義。

國內(nèi)傳統(tǒng)瀝青路面平整度檢測方法常采用三米直尺法、連續(xù)式平整度儀和車載式激光平整度儀檢測方法等［4-5］。三米直尺法需投入大量單點試驗的人力和時間，同時受試驗人員檢測水平影響，精度與效率不能滿足目前路面平整度檢測的要求［6］；連續(xù)式平整度儀和車載式激光平整度儀檢測方法常在施工后的瀝青路面進行檢測，無法在瀝青路面施工過程中進行監(jiān)測和及時反饋路面平整度數(shù)據(jù)，此時，現(xiàn)場施工人員無法及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的施工措施來提高路面平整度［7-9］，不利于在施工過程中控制瀝青路面質(zhì)量。

路面平整度可以通過檢測路面縱斷面的一條剖面曲線的凹凸量偏差值來反映，目前國內(nèi)研究學者對于快速檢測平整度方法常采用激光位移傳感器測量。趙康等［10］研究表明，多功能檢測車上的雙激光位移傳感器路面平整度檢測系統(tǒng)能有效消除車輛振動對平整度檢測產(chǎn)生的干擾，實現(xiàn)路面平整度準確、實時、全天候的采集和處理。許翠云［11］通過車載激光平整度儀的設計，采用加速度傳感器消除車體振動對激光位移傳感器的影響，實現(xiàn)高效率、高精度地采集平整度數(shù)據(jù)。張志遠［12］研究顯示以激光位移傳感器和加速度傳感器為主要組成部分的車載式路面平整度檢測系統(tǒng)采集的平整度數(shù)據(jù)與平整度儀相差不大。

針對上述瀝青路面施工過程中傳統(tǒng)平整度監(jiān)控方法較少的問題，考慮施工過程中平整度檢測的高效性和及時性，本文設計一種瀝青路面平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過在鋼輪壓路機上布設激光位移傳感器和振動加速度傳感器，激光位移傳感器能實時檢測其到路面的距離，振動加速度傳感器實時同步檢測壓路機機身振動位移，消除壓路機振動對激光位移傳感器的影響，得到更加精準的路面縱斷面相對高程位移，計算其路面平整度標準差，并分析與連續(xù)式平整度儀采集平整度標準差數(shù)據(jù)相關性，其成果可為提升瀝青路面施工質(zhì)量提供指導依據(jù)。

1" 監(jiān)控系統(tǒng)設計

本監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端和成果顯示端。數(shù)據(jù)采集端主要由激光傳感器和振動加速度傳感器組成，激光位移傳感器采集路面相對高程位移，在激光位移傳感器的同一安裝平臺上布設振動加速度傳感器，采集壓路機振動加速度信號，通過對振動加速度二次積分獲得壓路機振動產(chǎn)生的高程位移，對激光位移傳感器進行補償。由于傳感器采集的數(shù)據(jù)信號為電信號，需要將電信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理端的數(shù)據(jù)采集卡處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行存儲、處理及顯示。其監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.1" 系統(tǒng)硬件選型與設計

因為該平整度監(jiān)測系統(tǒng)所采用的設備均由其他部件組裝構(gòu)成，所以需要對系統(tǒng)涉及的監(jiān)測設備進行選型與設計，下面對平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)的主要硬件選型與設計進行分析。

1.1.1" 激光位移傳感器

為了精確識別路面縱向斷面曲線變化情況，獲得路面相對高程信息，本文選用激光位移傳感器為松下HG-C1200。該傳感器采用高精度CMOS影像傳感器、反射鏡的新型光學系統(tǒng)和鋁鑄外殼，采集精度高，同時能減少外殼變形和溫度不穩(wěn)定因素的影響，還能適應瀝青路面高溫施工的環(huán)境要求。該傳感器具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

路面施工過程平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用分析/許夏熒，覃金壽，劉" 宇，姚新宇

從表1可知，HG-C1200型激光位移傳感器測試距離范圍為（200±80）mm，因此，布設在鋼輪壓路機的激光位移傳感器，離地面高度宜控制在200 mm左右。

1.1.2" 振動加速傳感器

為了消除壓路機機身振動產(chǎn)生的高程位移對激光位移傳感器采集的縱斷面高程信息影響，本文選用上海澄科公司的CT101110LC型壓電式加速度傳感器進行振動加速度檢測。該傳感器具有頻率范圍寬，測量精度高，信號穩(wěn)定，底座變形和熱瞬變不敏感等特點，適合瀝青路面施工環(huán)境要求。具體實物圖如圖3所示。

1.1.3" 多功能數(shù)據(jù)采集卡

考慮本研究采用兩種不同類型的傳感器，在數(shù)據(jù)采集過程中需要保證振動加速度傳感器和激光位移傳感器能同時同步進行采集，因此本研究多功能數(shù)據(jù)采集卡選用USB-1608FS-Plus同步數(shù)據(jù)采集設備。該數(shù)據(jù)采集卡每個模擬輸入通道都有一個專用的16位A/D轉(zhuǎn)換器，所有輸入通道可同步獲取數(shù)據(jù)，因此能滿足同時同步數(shù)據(jù)采集的需求。

1.2" 系統(tǒng)軟件設計

本研究根據(jù)平整度監(jiān)控參數(shù)要求，開發(fā)設計出路面縱斷面高程位移監(jiān)測軟件，該軟件包括三大模塊，分別是采集參數(shù)配置、采集卡數(shù)據(jù)讀取與分析、數(shù)據(jù)保存與展示。軟件整體功能流程如圖4所示。

2" 工程應用

2.1" 平整度數(shù)據(jù)采集

根據(jù)瀝青路面施工工藝特點，終壓采用雙鋼輪壓路機進行收面整平，此時雙鋼輪壓路機一般設置靜壓，因此在終壓雙鋼輪壓路機上布設采集設備。壓路機振動對激光位移傳感器采集路面縱斷面相對高程位移影響較小，整平后表面平整度為瀝青路面施工最終的平整度。

本研究在廣西某在建項目瀝青路面中面層施工中的終壓雙鋼輪壓路機上布設采集設備，布設過程嚴格控制激光位移傳感器與振動加速度傳感器處于同一水平面上，并且保證激光位移傳感器安裝高度必須在測試距離范圍內(nèi)。

本研究采集了4個不同路段的瀝青路面中面層第1和第2車道長度為100 m的平整度。由于雙鋼輪壓路機起步階段處于加速狀態(tài)，機身抖動較大，因此為了保證雙鋼輪壓路機加速到速度較為穩(wěn)定狀態(tài)，本研究選取前6 s為壓路機加速階段，相當于前6 s屬于設備調(diào)試階段，在第7 s開始連續(xù)采集長度為100 m的路面縱斷面相對高程位移，雙鋼輪壓路機行走速度為5～7 km/h。以其中一個路段（路段編號A）為例進行數(shù)據(jù)采集和處理介紹，激光位移傳感器與振動加速度傳感器在第1和第2車道采集的原始數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示，其中橫坐標時間以秒為單位。

（a）激光位移傳感器采集相對高程位移值

（b）振動加速度二次積分后位移有效值

從圖5、圖6可以看出，激光位移傳感器采集的位移均值是一個常數(shù)，而監(jiān)測系統(tǒng)在壓路機行駛過程受振動影響發(fā)生上下移動，激光位移傳感器采集的位移均值需通過加速度二次積分進行補償，使采集的路面縱斷面相對高程位移與實際相符合。由于最終需要的結(jié)果是縱斷面相對高程曲線變化，因此對補償后激光位移傳感器采集的相對高程位移減去一個常數(shù)值不影響最終結(jié)果。本研究選擇該常數(shù)值為補償后的激光位移傳感器采集相對高程位移的平均值，處理后縱斷面相對高程曲線變化如圖7所示。

（a）激光位移傳感器采集相對高程位移值

（b）振動加速度二次積分后位移有效值

（a）第1車道相對高程曲線

（b）第2車道相對高程曲線

計算上述縱斷面相對高程曲線各點位移值標準差σ1，在智能監(jiān)測系統(tǒng)每采集一次后，使用連續(xù)式八輪儀測試對應路段平整度標準差σ2，結(jié)果如表2所示。

2.2" 相關性分析

為了表征智能監(jiān)測系統(tǒng)采集的平整度標準差σ1與連續(xù)式八輪儀測試平整度標準差σ2的關系，本研究采用線性回歸分析兩者相關性。將智能采集的平整度標準差σ1作為自變量x，八輪儀采集的平整度標準差σ2作為因變量y，得到回歸分析結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，智能監(jiān)測系統(tǒng)采集的平整度標準差與連續(xù)式八輪儀測試平整度標準差呈正相關，其回歸方程為：

y=0.79x-0.22（1）

該方程相關系數(shù)R2為0.97，表明該擬合方程優(yōu)良程度高，連續(xù)式八輪儀測試的平整度標準差與智能監(jiān)測系統(tǒng)采集的平整度標準差具有良好的相關性，因此可以通過本設計的智能監(jiān)測系統(tǒng)采集相對高程位移的標準差以反映路面平整度良好情況。

3" 結(jié)語

（1）本文建立了智能監(jiān)測系統(tǒng)采集的平整度與連續(xù)式八輪儀采集的平整度線性回歸模型，回歸方程為y=0.79x-0.22，擬合程度高。因此在不同型號的壓路機布設智能平整度監(jiān)測系統(tǒng)，通過找出其與八輪儀采集的平整度線性回歸關系，即可進行瀝青路面施工過程的平整度監(jiān)控。

（2）較傳統(tǒng)瀝青路面平整度檢測方法，本研究設計的平整度智能監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)濟適用，安裝方便，能高效和實時地檢測施工中路面的平整度，項目可根據(jù)平整度標準差目標值進行施工平整度控制，提升路面施工質(zhì)量。

［1］劉梓然.基于多傳感器融合的路面平整度檢測方法研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2022.

［2］謝" 浩，謝" 軍，湯" 旭，等.基于路面不平整度的車輛動荷載影響分析［J］.交通科學與工程，2023，39（3）：26-37.

［3］馮天時，王思涵，高" 暢，等.路面不平整度對車輛動態(tài)荷載的影響［J］.低溫建筑技術(shù)，2021，43（4）：111-113.

［4］劉宛予，張" 磊，謝" 凱.路面平整度檢測技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.工業(yè)計量，2007，17（1）：9-12.

［5］任傳亭，任廣海，李森哲.公路瀝青路面檢測技術(shù)發(fā)展綜述［J］.公路交通技術(shù)，2021，37（5）：29-34.

［6］薛榜利，張亞磊.關于公路路面平整度檢測和控制的研究［J］.科學技術(shù)創(chuàng)新，2020（21）：124-125.

［7］羅" 劍.瀝青路面平整度檢測技術(shù)研究［J］.工程與建設，2019，33（2）：234-235，2 395.

［8］葉碧芬.提高瀝青路面平整度的施工控制措施研究［J］.工程技術(shù)研究，2022，7（19）：132-134.

［9］郭" 姣.基于車載激光的道路平整度檢測系統(tǒng)研究［D］.北京：首都師范大學，2013.

［10］趙" 康，丁" 磊，王金洋.雙激光位移傳感器測量路面平整度系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.汽車實用技術(shù)，2012（5）：61-64.

［11］許翠云.車載激光平整度儀的設計與實現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學，2012.

［12］張志遠.激光路面平整度檢測系統(tǒng)研究［D］.太原：太原理工大學，2013.

20240408