張麗麗, 張立宏

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2. 山西永力實(shí)業(yè)有限公司，山西 太原 030006）

瀝青路面的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度指標(biāo)是瀝青路面施工質(zhì)量控制的核心，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，壓實(shí)度不足是導(dǎo)致路面早期損害的主要原因之一（水損害、老化、車轍等等）［1-2］。目前傳統(tǒng)的碾壓工藝主要依據(jù)壓路機(jī)操作手的經(jīng)驗(yàn)估算壓實(shí)次數(shù)，通過(guò)施工完成后的壓實(shí)度檢測(cè)控制壓實(shí)質(zhì)量［3-4］，由于壓路機(jī)操作手無(wú)法及時(shí)獲取當(dāng)前路表溫度信息，僅按照順序進(jìn)行碾壓，部分路段的壓實(shí)效果達(dá)不到要求，并且事后取芯檢測(cè)壓實(shí)度的質(zhì)量控制方法不全面又滯后，無(wú)法滿足過(guò)程質(zhì)量控制的需求。

為解決傳統(tǒng)碾壓工藝所存在的問(wèn)題，本文基于高精度GPS（cm級(jí)精度）、紅外溫度傳感器等外部硬件設(shè)備，開(kāi)發(fā)了基于碾壓次數(shù)和碾壓溫度瀝青路面壓實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集碾壓過(guò)程中的壓實(shí)次數(shù)和路表溫度信息，并以彩圖的方式實(shí)時(shí)地反饋給操作手，避免欠壓和超壓，不僅提高了瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量，而且在提高施工效率、減少燃油消耗、保護(hù)環(huán)境方面都有積極的作用。

1 壓實(shí)關(guān)鍵控制參數(shù)分析

1.1 壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

目前已有的壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)主要包括CMV檢測(cè)系統(tǒng)、日本酒井（SAKAI）CCV、BOMAG的Evib［5-7］。CMV檢測(cè)系統(tǒng)利用振動(dòng)輪垂直加速度諧波分量，反映材料被壓實(shí)的程度，許多振動(dòng)壓路機(jī)制造商如Dynapae、Caterpillar都采用了CMV測(cè)試系統(tǒng)。日本酒井公司的CCV（Compaction Control Value）與CMV系統(tǒng)采用了類似的算法，與CMV系統(tǒng)相比，CCV較為完整地采用了加速度信號(hào)諧波分量。BOMAG認(rèn)為隨著鋪層材料的壓實(shí)，振動(dòng)輪與被壓材料之間的相互作用力將增大，振動(dòng)輪加速度信號(hào)特征的變化正是這種力學(xué)特性變化的反映，將檢測(cè)到的振動(dòng)輪加速度信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理并經(jīng)過(guò)由力學(xué)模型確定的軟件算法可計(jì)算出材料Evib，來(lái)表征材料壓實(shí)狀況。

目前，壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)已在土基、路基施工中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果［8］，但在瀝青面層壓實(shí)控制中應(yīng)用較少，且精度較差。分析其原因，主要包括兩個(gè)方面，一是實(shí)時(shí)壓實(shí)度檢測(cè)是基于振動(dòng)壓路機(jī)與被壓材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征，只適用于振動(dòng)壓路機(jī)，不能在膠輪壓路機(jī)中使用；二是路基厚度較大，材料較硬，可以準(zhǔn)確得到土壤剛度數(shù)據(jù)；但瀝青面層厚度小，瀝青混合料材料軟，剛度數(shù)據(jù)受土基、基層等影響，很難精確得到。

因此，考慮瀝青面層的特點(diǎn)，本文暫不考慮實(shí)時(shí)壓實(shí)度檢測(cè)，而是通過(guò)控制影響壓實(shí)度指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而控制瀝青路面的碾壓過(guò)程。

1.2 碾壓次數(shù)與壓實(shí)度相關(guān)性分析

碾壓次數(shù)決定對(duì)同一點(diǎn)施壓的次數(shù)，受瀝青黏度阻力及粒料間阻力等因素的影響，施壓一次很難使內(nèi)部顆粒達(dá)到最大的位移量，必須重復(fù)施壓才能達(dá)到理想值，因此一般在碾壓速度和壓力一定的情況下，碾壓遍數(shù)越多壓實(shí)效果越好。但當(dāng)混合料的密實(shí)度達(dá)到一定值后，再增加遍數(shù)就不會(huì)有明顯的效果［9］。以某道面工程為例，工程的碾壓方案為：初壓，鋼輪壓路機(jī)碾壓1遍；復(fù)壓，鋼輪壓路機(jī)2遍，膠輪壓路機(jī)1遍；終壓，靜壓收面2遍。檢測(cè)方案為：每隔50 m選取某一橫斷面，壓路機(jī)每來(lái)回碾壓算一遍，緊接著迅速讀取數(shù)據(jù)并作記錄，待碾壓結(jié)束后整理對(duì)應(yīng)橫斷面的密度測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢(shì)

由檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，密度明顯增大，且在1~4遍內(nèi)密度呈直線增加，碾壓5遍后密度慢慢趨于平衡，變化幅度較小。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，初壓時(shí)壓實(shí)度為85%以上，復(fù)壓時(shí)為95%左右，尤其在碾壓2~4遍時(shí)壓實(shí)度增加明顯，最終趨于平衡時(shí)超過(guò)最大理論密度98%，滿足規(guī)范要求。因此，針對(duì)此工程碾壓以5~7遍為宜，不宜過(guò)多。

1.3 碾壓溫度與壓實(shí)度相關(guān)性分析

碾壓溫度是壓實(shí)質(zhì)量控制的關(guān)鍵，直接決定路面成型的質(zhì)量［5］，溫度過(guò)高，塑性越大，越容易壓實(shí)，平整度越好；但溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致混合料隆起、裂紋以及前輪推料等問(wèn)題。而溫度過(guò)低時(shí)，需要的壓力較大，碾壓工作變得較為困難，且容易產(chǎn)生很難消除的輪跡，造成路面不平整。

某項(xiàng)目瀝青路面施工過(guò)程中（攤鋪完成后），每隔1 min測(cè)1次瀝青混合料的溫度，得到的熱拌瀝青混合料溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出，瀝青混合料溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低，要想達(dá)到較好的壓實(shí)效果，必須把握碾壓時(shí)機(jī)，盡可能在高溫狀態(tài)下完成碾壓。

圖2 壓實(shí)過(guò)程中瀝青混合料溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

1.4 碾壓速度與壓實(shí)度相關(guān)性分析

在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，被壓材料的顆粒由靜止的初始狀態(tài)變化為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一個(gè)過(guò)程，碾壓速度直接影響單位面積內(nèi)振動(dòng)輪對(duì)被壓材料的壓實(shí)時(shí)間。碾壓速度快時(shí)，生產(chǎn)率高，但所得到的壓實(shí)度低，并且容易導(dǎo)致路面的不平整。因此，既想達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，又要保持較高的生產(chǎn)率，就必須合理地選擇工作行駛速度和碾壓遍數(shù)。

2 硬件設(shè)備選型及開(kāi)發(fā)

根據(jù)前文分析的壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵控制參數(shù)的需求，本文在調(diào)研相關(guān)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件模塊，其中包括中心控制模塊、電源模塊、衛(wèi)星定位模塊、溫度傳感模塊，如圖3所示。

2.1 中心控制模塊

本文中心控制模塊基于通用的工控機(jī)，進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)模設(shè)計(jì)，保留系統(tǒng)需要的衛(wèi)星數(shù)據(jù)輸入接口、紅外路面溫度檢測(cè)接口、振動(dòng)加速度計(jì)擴(kuò)展接口，減少工控機(jī)的多余端口，在控制器主板上，預(yù)留振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡位置。此外接口采取了防抖動(dòng)措施，避免施工中振動(dòng)而導(dǎo)致通信接口脫落的情況。其設(shè)備接口圖如圖4所示。

圖3 硬件模塊設(shè)計(jì)圖

圖4 中心控制模塊接口

2.2 衛(wèi)星接收模塊

在施工過(guò)程中，位置信息、碾壓次數(shù)信息以及速度信息主要由衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)組成。本系統(tǒng)采用了基于基站和移動(dòng)站的差分定位技術(shù)，經(jīng)過(guò)后期的路面試驗(yàn)，采用差分設(shè)備作為衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊，能夠達(dá)到厘米級(jí)精度的位置信息采集，可以有效地將位置信息轉(zhuǎn)換為碾壓次數(shù)信息。

2.3 溫度傳感模塊

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試論證，系統(tǒng)最終采用工業(yè)級(jí)的紅外溫度傳感器—美國(guó)雷泰RAYCML TV3型溫度傳感器進(jìn)行路面溫度采集，該型號(hào)溫度傳感器檢測(cè)溫度范圍為-20 ℃~500 ℃，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工溫度要求。

3 軟件控制系統(tǒng)功能模塊開(kāi)發(fā)研究

軟件控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢分析模塊，其中數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括溫度數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集和處理。

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集和處理模塊

溫度數(shù)據(jù)采集和處理模塊接收溫度傳感器串口設(shè)備采集的溫度數(shù)據(jù)，并將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集和處理模塊

系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是NMEA0183格式，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。GPS位置數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)量化、平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。

（1）GPS數(shù)據(jù)解析

系統(tǒng)接收到的位置信息數(shù)據(jù)是NMEA 0183格式，需要進(jìn)一步處理成系統(tǒng)需要的GPS位置信息。系統(tǒng)啟動(dòng)后，GPS移動(dòng)站會(huì)不斷地發(fā)送NMEA0183格式的數(shù)據(jù)包，它是一組包含有各種地理位置信息的字符串，控制系統(tǒng)只解析和本系統(tǒng)相關(guān)的信息，包括推薦最小定位信（GPRMC）和GPS定位信息（GPGGA）［13］。

（2）數(shù)據(jù)量化

壓路機(jī)碾壓次數(shù)彩圖實(shí)時(shí)展示是本項(xiàng)目的核心。為了提高顯示速率，數(shù)據(jù)采集和處理模塊在對(duì)GPS數(shù)據(jù)分析之后，將其同步量化壓縮；然后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)量化，一定程度上減少了數(shù)據(jù)量，保證了項(xiàng)目的精度。

（3）平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

GPS采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，而顯示給操作手的是平面坐標(biāo)彩圖，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可實(shí)時(shí)顯示壓路機(jī)的碾壓次數(shù)軌跡、碾壓速度和碾壓溫度，實(shí)時(shí)顯示界面設(shè)計(jì)圖如圖5所示；界面的上方實(shí)時(shí)顯示碾壓溫度和碾壓速度，主體界面顯示碾壓次數(shù)軌跡圖。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊展示圖設(shè)計(jì)

碾壓次數(shù)軌跡實(shí)時(shí)顯示是項(xiàng)目的核心技術(shù)。由于壓路機(jī)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，路面單位面積壓路機(jī)經(jīng)過(guò)的次數(shù)一直在改變，這給壓實(shí)次數(shù)統(tǒng)計(jì)帶來(lái)了很大的困難，同時(shí)由于數(shù)據(jù)采集頻繁，計(jì)算量大，單位時(shí)間處理數(shù)據(jù)量大是本項(xiàng)目實(shí)時(shí)碾壓次數(shù)展示的瓶頸。為了解決問(wèn)題，本文采用了以下核心技術(shù)。

（1）數(shù)據(jù)量化和監(jiān)測(cè)視野縮小

本項(xiàng)目在采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)行了數(shù)據(jù)量化處理，這在一定程度了壓縮了數(shù)據(jù)處理的量。通過(guò)縮小監(jiān)測(cè)視野，在滿足施工實(shí)時(shí)檢測(cè)的范圍同時(shí)，大大減少了工控機(jī)單位時(shí)間處理的數(shù)據(jù)量，為壓路機(jī)碾壓次數(shù)實(shí)時(shí)展示奠定了重要的基礎(chǔ)。

（2）alpha通道畫筆繪圖技術(shù)

傳統(tǒng)的繪圖模式采用路段分塊繪圖技術(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)展示碾壓次數(shù)。由于衛(wèi)星傳回的壓路機(jī)軌跡點(diǎn)離散點(diǎn)，首先需要根據(jù)壓路機(jī)寬度連接并擴(kuò)展為與壓路機(jī)等寬的面路徑，如果以秒為單位累加，數(shù)據(jù)會(huì)急劇增加，直至超出工控機(jī)運(yùn)算速率造成死機(jī)，導(dǎo)致實(shí)時(shí)顯示失敗。

為解決以上問(wèn)題，本文摒棄以路面ID為依據(jù)的路段分塊繪圖方法，采取根據(jù)壓路機(jī)軌跡用彩色畫筆直接畫圖的方法［11-12］，彩色畫筆利用壓路機(jī)的折返點(diǎn)作為畫筆的起點(diǎn)和終點(diǎn)，利用壓路機(jī)的寬度作為畫筆的寬度，利用畫筆的alpha通道疊加原理，將壓實(shí)次數(shù)信息記錄在alpha通道中，通過(guò)讀取alpha值，并將alpha值轉(zhuǎn)換成RGB值，將畫面轉(zhuǎn)化成直觀的彩色色碼圖。

3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊

歷史數(shù)據(jù)查詢和分析模塊主要用于施工完成后，對(duì)當(dāng)天或者固定某一段時(shí)間內(nèi)碾壓次數(shù)均勻性情況進(jìn)行分析。系統(tǒng)以彩圖的方式展示給用戶，用戶通過(guò)彩圖可以查看當(dāng)天或某一段時(shí)間內(nèi)的整體施工情況、碾壓次數(shù)不足區(qū)域以及碾壓不均勻區(qū)域，為下一步的施工管理提供輔助支持。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試與分析

為了檢測(cè)系統(tǒng)合理性和穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次模擬測(cè)試，并在嘉興環(huán)城東路改造工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

嘉興環(huán)城東路改造工程初壓采用1臺(tái)鋼輪壓路機(jī)，復(fù)壓采用2臺(tái)膠輪壓路機(jī)，終壓采用1臺(tái)鋼輪壓路機(jī)。本次測(cè)試時(shí)間為一天，分別在初壓的鋼輪壓路機(jī)和復(fù)壓1號(hào)膠輪壓路機(jī)安裝了2臺(tái)設(shè)備。

通過(guò)本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出以下結(jié)論：（1）在硬件設(shè)備穩(wěn)定性方面：各項(xiàng)設(shè)備在高溫、強(qiáng)振的情況下都可以正常進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和運(yùn)算分析工作 ；（2）在實(shí)時(shí)監(jiān)控控制程序穩(wěn)定性方面：在碾壓過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集和處理碾壓次數(shù)、溫度和速度數(shù)據(jù)，并以彩圖的方式實(shí)時(shí)展示給操作手，可以指導(dǎo)操作手施工；（3）初壓?jiǎn)闻_(tái)鋼輪壓路機(jī)的碾壓次數(shù)彩圖如圖6所示，從彩圖可以看出，單臺(tái)鋼輪壓路機(jī)整體碾壓不均勻，碾壓效果不是很好，初壓只有1臺(tái)鋼輪壓路機(jī)，碾壓不及時(shí)，應(yīng)增加1臺(tái)壓路機(jī)；（4）復(fù)壓1號(hào)膠輪壓路機(jī)碾壓次數(shù)彩圖如圖7所示，整體比較均勻，但是碾壓路面的邊緣均勻性狀況不是很好。通過(guò)碾壓次數(shù)彩圖，可以很好地指導(dǎo)操作手，達(dá)到更好的碾壓效果。

圖6 初壓鋼輪壓路機(jī)碾壓次數(shù)彩圖

圖7 復(fù)壓1號(hào)膠輪壓路機(jī)碾壓次數(shù)彩圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文開(kāi)發(fā)的基于碾壓次數(shù)和碾壓溫度的瀝青路面壓實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析系統(tǒng)，一方面能夠在施工過(guò)程中實(shí)時(shí)指導(dǎo)操作手完成預(yù)定的碾壓次數(shù)，避免欠壓或者超壓，提高瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量；另一方面還可以分析在施工完成后，某一段路或某一段時(shí)間內(nèi)碾壓均勻性情況，為下一步的施工管理提供輔助支撐。

（2）實(shí)體工程測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在高溫、強(qiáng)震的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足實(shí)際工程需要。

（3）通過(guò)碾壓次數(shù)彩圖可以直觀地看出碾壓次數(shù)均勻性狀況，然而如何準(zhǔn)確判定均勻性區(qū)域和不均勻區(qū)域，還需要進(jìn)一步提出碾壓均勻性控制指標(biāo)和控制方法，并將其方法納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動(dòng)判定碾壓均勻性區(qū)域和不均勻性區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)碾壓次數(shù)均勻性的準(zhǔn)確判定。

（4）關(guān)于后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本文僅實(shí)現(xiàn)了碾壓次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，建議進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)分析功能，如碾壓溫度彩圖分析、碾壓速度分析等。

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