陳顯龍,萬 勇,裴向宇

(1.武漢大學電子信息學院,湖北武漢 430079;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司,北京 100120)

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)的設計與研究

陳顯龍1,萬 勇1,裴向宇2

(1.武漢大學電子信息學院,湖北武漢 430079;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司,北京 100120)

將 3G通信技術、GPS技術、落錘式彎沉儀路面檢測技術相結合,實現(xiàn)了路面彎沉的快速檢測和定位,同時對路面檢測的各種數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)管理與分析研究,構成路面智能彎沉檢測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的研究與設計,可為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度等多種路面數(shù)據(jù)于一體的路面質量綜合評價系統(tǒng)打下基礎,從而真正實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的智能路面檢測系統(tǒng),為道路科學養(yǎng)護提供智能分析與應用。

落錘式彎沉儀;GPS;3G通信技術;路面巡檢;GIS

一、引 言

彎沉反應了路面整體強度質量,是優(yōu)化路面結構設計、路面施工驗收和制定科學的路面養(yǎng)護方案的重要指標。隨著我國公路養(yǎng)護數(shù)字化建設的推進,傳統(tǒng)的貝克曼梁式彎沉儀檢測速度慢、效率低,已無法滿足當前大規(guī)模的路網建設和養(yǎng)護的需要。

落錘式彎沉儀 (falling weight deflectometer,F WD)是一種路面彎沉無損檢測設備,它能較好地模擬行車過程中路面的真實受力情況,由計算機自動采集數(shù)據(jù),測試速度快、精度高。落錘式彎沉儀不僅可以獲得測點的最大彎沉信息,還可以獲取彎沉盆信息。它已逐步成為世界各國道路檢測的熱門儀器。目前圍繞落錘式彎沉儀的研究主要有:①利用檢測的彎沉反算路面各層材料的模量,分析路面各層結構的應力變化情況,為路面結構設計提供設計參數(shù);②評價路面整體強度,為道路養(yǎng)護管理提供科學依據(jù);③不僅用于半剛性、柔性路面的檢測,還可以用于水泥混凝土路面接縫傳力效果、路面板體脫空判斷。

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)將 3G、GPS、GIS、落錘式彎沉檢測技術相結合,實現(xiàn)了彎沉數(shù)據(jù)的快速采集和定位以及對檢測數(shù)據(jù)的實時管理和分析,為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度等于一體的路面質量綜合評價系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)源。

二、系統(tǒng)的總體架構

1.系統(tǒng)組成

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)由車載終端、通信鏈路、控制中心服務器和路面巡檢 GIS等組成。車載終端由落錘式車載彎沉儀、運載車、GPS接收機和計算機系統(tǒng)組成,主要負責彎沉數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)的測量和處理;3G通信鏈路負責車載終端與控制中心信息的實時交互;控制中心服務器是在總控制中心與互聯(lián)網和路面巡檢 GIS服務器相連接的計算機服務器。

車載彎沉儀采用 CFWD-10T車載式落錘彎沉儀,運載車采用全順 15座商務改裝車輛,GPS接收機采用 Trimble雙頻雙星接收機,無線通信模塊采用的是 3G無線網絡及終端,車載計算機采用研華嵌入式觸摸平板電腦。系統(tǒng)的總體結構如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2.工作原理

在運載車輛行駛過程中,GPS測量系統(tǒng)獲取車輛實時位置信息和速度信息,通過串口發(fā)送到車載計算機系統(tǒng)上。車載計算機系統(tǒng)通過無線通信模塊將接收到的坐標信息和速度信息發(fā)送到網絡服務器上。由控制中心服務器將車輛實時坐標信息和速度信息發(fā)送給路面巡檢 GIS,實現(xiàn)對檢測車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

到達測點后,做好測試準備,操作員操作彎沉儀進行彎沉測量,彎沉儀將位移傳感器、力傳感器和溫度傳感器采集到的最大彎沉、沖擊力和溫度等數(shù)據(jù)傳送給計算機,同時計算機讀取 GPS測量到的位置信息、速度信息。每個測點測試三次以上,計算機對檢測到的數(shù)據(jù)進行運算處理,將原始檢測數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)存入車載終端數(shù)據(jù)庫備份,同時通過 3G通信網絡將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心服務器上。控制中心服務器將測點的彎沉數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和其他信息寫入控制中心數(shù)據(jù)庫,并在路面巡檢GIS中進行實時展現(xiàn)。

3.設備的安裝

(1)計算機

計算機通過支架固定在運載車內部的操作臺上,由車上蓄電池進行供電。

(2)彎沉儀

彎沉儀安裝在運載車的后方,并與平板工控電腦相連,由車上蓄電池進行供電。

(3)GPS接收機

GPS接收機固定在操作臺下方。接收機的天線由吸盤固定在汽車車頂部,天線相位中心位于彎沉儀落錘中心軸線上。天線與接收機通過一根電纜線相連。

(4)3G模塊

3G模塊與車載工控計算機相連,實時傳輸彎沉、位置等信息。

三、系統(tǒng)的軟件設計

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)采用 C/S的架構設計,整體上可分為車載客戶端模塊和服務器端模塊兩部分。

1.車載客戶端模塊

車載客戶端模塊負責彎沉采集和處理,檢測車行駛速度和測點位置的測量和處理,檢測數(shù)據(jù)的存儲、檢索和生產報表,客戶端與服務器的通信等功能。車載客戶端模塊由客戶端網絡通信模塊、彎沉業(yè)務模塊、GPS業(yè)務模塊、坐標轉換模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報表模塊以及日志管理等模塊組成(見圖 2)。

1)客戶端網絡通信模塊:負責客戶端與服務器通信鏈接的建立和維護,數(shù)據(jù)協(xié)議解析和重組?？蛻舳司W絡通信模塊將檢測到的位置、道路代碼、速度、彎沉等信息打包后發(fā)送給服務器。

圖2 車載客戶端模塊

2)彎沉業(yè)務模塊:負責彎沉參數(shù)設置、彎沉儀控制和監(jiān)測、彎沉數(shù)據(jù)讀取和處理。它將彎沉儀測量參數(shù)和指令發(fā)送給彎沉儀,接收和處理彎沉儀發(fā)送給計算機的狀態(tài)數(shù)據(jù)和彎沉數(shù)據(jù)。

3)GPS業(yè)務模塊:GPS接收機通過串口輸出NMEA-0813標準 GPS定位語句(GGA語句)和地面速率語句(VTG語句),客戶端通過解析串口的 GGA語句和VTG語句獲取檢測車瞬時的位置和速度。

4)坐標轉換模塊:將 GPS測量到的WGS-84坐標轉換為地方坐標系坐標。

5)數(shù)據(jù)庫管理模塊:負責彎沉數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)的存儲、查詢和維護。

6)報表模塊:提供檢測數(shù)據(jù)的查詢、顯示、生成報表和打印報表等功能。

7)日志管理模塊:負責建立和維護系統(tǒng)工作日志。

2.服務器端模塊

服務器端模塊主要功能是維護和管理服務器與車載客戶端和路面巡檢 GIS的通信,接收、解析和存儲車載客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù),將接收到的數(shù)據(jù)重組打包發(fā)送給路面巡檢 GIS。服務器端模塊由服務器端網絡通信模塊、協(xié)議解析與合成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報表模塊以及日志管理等模塊組成(見圖 3)。

圖3 服務器端模塊

1)服務器端網絡通信模塊:負責建立和維護服務器與客戶端以及服務器與路面巡檢 GIS的通信,數(shù)據(jù)接收和發(fā)送,傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和重組。

2)數(shù)據(jù)庫管理模塊:負責服務器上彎沉數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)的存儲、查詢和維護。

3)報表模塊:該模塊與車載客戶端的功能一樣,提供檢測數(shù)據(jù)的查詢、生成報表和打印報表等功能。

4)日志管理模塊:負責服務器工作日志的維護和管理。

3.數(shù)據(jù)庫設計

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)庫。車載客戶端通過應用程序接口層和數(shù)據(jù)庫管理層建立與數(shù)據(jù)庫服務器的查詢、更新,并將查詢結果和錯誤消息傳送回應用層。車載客戶端各業(yè)務模塊,即彎沉采集模塊、GPS模塊、報表生成模塊和網絡通信模塊通過應用程序接口給數(shù)據(jù)庫管理程序發(fā)送更新或查詢請求,數(shù)據(jù)庫管理程序受到請求后,解析 SQL語句,生成存取計劃,控制并發(fā)操作,將查詢結果傳送回應用程序。

服務器端的網絡數(shù)據(jù)接收程序協(xié)調客戶端的通信請求,為每個客戶端請求建立合法通信渠道,同時管理多種客戶請求線程。數(shù)據(jù)庫管理程序則處理每個客戶的數(shù)據(jù)請求,解析 SQL語句,生成存取計劃,控制并發(fā)操作,保障數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)庫模型如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫模型

四、結束語

智能路面彎沉檢測系統(tǒng)通過 GPS獲取測點的坐標、位置信息,減少了測試員工作量,提高了彎沉檢測的效率。而且通過路面巡檢 GIS對檢測車輛進行統(tǒng)一的監(jiān)控和調度,以及彎沉數(shù)據(jù)的實時展示等應用,為將來建立集路面彎沉、車轍和平整度于一體的路面質量綜合評價系統(tǒng)的建立提供了數(shù)據(jù)源。此外還能自動對彎沉數(shù)據(jù)進行處理,生成彎沉檢測報告。

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[4] 荊根強.新型公路智能檢測系統(tǒng)的設計與應用[J].筑路機械與施工機械化,2008,21(1):24-26.

[5] 張慧,韋金辰,徐定杰.利用通訊控件實現(xiàn)車載 GPS監(jiān)控系統(tǒng)中的串行通訊 [J].應用科技,2002,29(4): 25-27.

Intelligent PavementDeflection Detection System:Design and Development

CHEN Xianlong,WAN Yong,PEIXiangyu

0494-0911(2010)07-0027-03

P208

B

2010-06-07

陳顯龍(1976—),男,湖北隨州人,碩士生,主要從事 3S技術在智能電網、智能交通領域的應用與系統(tǒng)集成研究。