吳定略，唐建亞，盛 帆

(1.廣東長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510000;2.江蘇中路信息科技有限公司，江蘇 南京 211100)

路基路面壓實是現(xiàn)代高速公路建設(shè)中的重要一環(huán)，路基路面壓實度是保證路基路面成功投入使用的重要組成部分。為了保證路面質(zhì)量，每類壓路機都會對應(yīng)的碾壓遍數(shù)的規(guī)定。碾壓遍數(shù)的差異將直接影響路面工作區(qū)域內(nèi)的碾壓均勻度，平整度也會因為碾壓均勻度不能達到目標值而受到較大的影響。

傳統(tǒng)的路基路面壓實遍數(shù)主要是由施工單位或者監(jiān)理單位來進行抽樣的檢查，而壓路機操作手在進行碾壓工作時，普遍都是根據(jù)自身多年的操作經(jīng)驗。依照這種的工作模式，會造成路基路面一定程度上的均勻度與平整度的不合格，不能保證施工的整體施工質(zhì)量，也大大加大施工單位、監(jiān)理單位與業(yè)主單位的抽樣檢查的難度。

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，智能壓實技術(shù)也在國內(nèi)形成一定量的發(fā)展熱潮，但是單純的智能壓實僅僅是得到相關(guān)的壓實部分的參數(shù)信息，無法直觀地顯示出施工過程中的壓實情況。獲得的參數(shù)信息通常包括壓實速度、壓實溫度、壓實位置等信息，如何將全部的信息結(jié)合到一體，則是現(xiàn)代GPS技術(shù)與傳統(tǒng)壓實技術(shù)相結(jié)合需要突破的難題。

通常情況下，傳統(tǒng)的GPS所獲得的位置信息往往和GIS系統(tǒng)相結(jié)合，例如數(shù)字城市、數(shù)字旅游等等。結(jié)合簡單的智能壓實所采集的各項參數(shù)信息，則可通過類似GIS模式的壓實狀態(tài)展示效果表征智能壓實的綜合信息，這部分的表現(xiàn)形式可以歸納為智能壓實的柵格地圖展示方式。

1 基于柵格地圖的智能壓實遍數(shù)計算方法

1.1 柵格地圖簡介

柵格地圖也稱之為光柵圖像，指在空間和亮度上都已經(jīng)離散化的圖像。完整的一幅柵格地圖可被認為是一個矩陣，矩陣中的任意元素對應(yīng)圖像中的一個點，相應(yīng)的數(shù)值代表該單元的參數(shù)值。相對于其他的地圖表現(xiàn)形式，柵格圖具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、易于算法計算、輸出方法簡便，成本較低等優(yōu)勢，且廣泛運用于各類地圖。

1.2 基于柵格地圖的智能壓實遍數(shù)計算方法

1.2.1 道路線性柵格化

所有道路的線性都是由道路的平面曲線要素所構(gòu)成，包括直線、緩和曲線、圓曲線等。根據(jù)道路的曲線要素的參數(shù)，建立道路中線的二維數(shù)據(jù)模型，再根據(jù)道路的設(shè)計寬度，則可建立相應(yīng)的道路線性模型，道路二維線性模型，如圖1所示。

圖1 道路二維線性模型

根據(jù)圖1道路二維線性模型所示，首先要判斷模型兩端的最遠端。在此線性模型中，K0+0和K20+400兩點為該道路線性模型的兩端的最遠點，則分別以K0+0和K20+400兩點分別做豎直的垂線L1,L2?？傮w框架將線性模型整體包含，K0+0和K20+400則是該矩形的兩個端點。再根據(jù)矩形的寬，均分n個7 mm長的等間距線，在L1和L2上也均分出n個7 mm的等間距線，將該矩形平分成若干7 mm×7 mm的小方格，此過程則稱之為道路二維線性模型柵格化，道路二維線性模型柵格化，如圖2所示。

將線性模型柵格化后，整條道路都會由若干個小方格組成，并且在這條道路線性中，以不同的屬性值來定義這條道路在柵格圖中的走向，這個過程稱之為柵格圖的屬性化，柵格圖中道路的屬性值，如圖3所示，道路的線性模型將方格圈出一片，定義為1，則這片區(qū)域為道路的數(shù)。道路的線性將方格切割開，有的包含的柵格的面積大于1/2，有的小于1/2，根據(jù)面積占優(yōu)法，則定義面積大于1/2的方格賦值1，面積小于1/2的方格不賦值。

因為方格的邊長較短，則可認為道路的線性是以直線的形式切割方格。經(jīng)過線性切割之后，方格由規(guī)則的三角形或者梯形組成。

圖2 道路二維線性模型柵格化

圖3 柵格圖中道路的屬性值

1.2.2 道路柵格坐標數(shù)據(jù)計算

在建立道路線性模型時，可知道路中線的全部坐標數(shù)據(jù)。在根據(jù)平移原理，則可推出道路全部的坐標數(shù)據(jù)。所有的道路模型數(shù)據(jù)都基于項目的當?shù)刈鴺讼?，此處以WGS-84坐標為例。A點(X1，Y1)為中線上的某一點，B(X2,Y2)、C(X3,Y3)點則分別平移的點，根據(jù)距離計算式為：

(1)

求出對應(yīng)的點的坐標。根據(jù)式(1)距離計算公式，則可求出柵格地圖中各個方格的坐標，這時的道路柵格地圖則為一種具有屬性值的柵格地圖，也稱之為矢量化。

1.2.3 壓實遍數(shù)計算

壓路機定位設(shè)備的原理是利用RTK技術(shù)來對壓路機在碾壓過程中的軌跡、速度和平面坐標等等進行系統(tǒng)的采集工作。RTK也隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，采集坐標的頻率也得到了很大的提升，現(xiàn)如今已經(jīng)達到1 s/次的速度。因為RTK采集數(shù)據(jù)的頻率很高，連續(xù)性較好，所以我們可以根據(jù)RTK采集的坐標點繪制出壓路機在碾壓過程中行進的軌跡等。

RTK在采集過程中，采集的是一個點的坐標。所以在前期的安裝過程中，一般會將RTK的接收機安置在壓路機車頂?shù)闹虚g位置，這樣采集的數(shù)據(jù)則是壓路機中央的數(shù)據(jù)。和道路平移的原理類似，可以根據(jù)壓路機的輪軸的直徑，得出兩邊點的坐標，這樣壓路機在實際的碾壓過程中默認為一條線的碾壓載體，道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)，如圖4所示。

在圖4道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)中，壓路機的軌跡由數(shù)條直線構(gòu)成，因為壓路機在行駛的過程中，RTK采集的是壓路機中心點的坐標。

圖4 道路線性圖中的碾壓軌跡(局部)

在柵格圖中，壓路機的軌跡則是根據(jù)輪軸的兩邊的坐標走過的軌跡形成的一個工作面來體現(xiàn)。當壓路機的工作面經(jīng)過某一個方格時，判斷是否超過方格本身面積的1/2，若工作面占方格的面積超過1/2，則可認為壓路機碾壓過這一區(qū)域，將賦予這一方塊新的屬性值；若不足1/2，認為壓路機未曾碾壓過這片區(qū)域，該方塊的屬性值保持原樣。

由于壓路機行駛的過程中，不會一直是直行的狀態(tài)，所以運行的軌跡不會一直是規(guī)則的矩形。RTK采集的時間為1 s，因為時間很短，所以當t=1 s時，我們可以認為在1 s的時間內(nèi)，壓路機走過的軌跡為規(guī)則的矩形。1 s內(nèi)壓路機走過的軌跡(放大)如圖5所示。

圖5 1 s內(nèi)壓路機走過的軌跡(放大)

在圖5中，當t=1 s壓路機走過的軌跡(放大)中，矩形的四點分別為壓路機輪軸的兩邊點，則我們可以判斷這塊矩形的工作區(qū)域覆蓋了方格的面積為多少。最后，根據(jù)面積最大占優(yōu)法決定該區(qū)域內(nèi)哪些方格的面積被覆蓋大于或小于1/2。屬性值變化(放大)，如圖6所示，面積大于等于1/2的方格，定義該方格的定義值為2，小于1/2的區(qū)域的方格定義值不變，依舊為1。

圖6 屬性值變化(放大)

面積占優(yōu)法的定義是占用面積與本身面積的比較。計算面積依舊使用坐標點的計算，因為采集的時間較短，可以認為矩形的寬是一條直線，所以方格會被規(guī)則的分割成三角形或者梯形。根據(jù)式(1)距離計算式，求得碾壓軌跡的寬度，再通過計算由軌跡的寬和范圍內(nèi)的方格組成的圖像面積與方格的面積做比較。

當柵格中的方格屬性值變化過一次，則可以認為此區(qū)域的碾壓遍數(shù)為1。經(jīng)過連續(xù)不斷的軌跡工作面覆蓋方格面，方格中的屬性值也會隨著變化。若這時的方格屬性值為n，屬性值的變化數(shù)則為n-1，則相應(yīng)的碾壓遍數(shù)為

N=n-1/2.

(2)

1.2.4 壓實遍數(shù)占比計算

當壓路機完成一個工作區(qū)域，這片區(qū)域中所有碾壓過的地方都會被賦予不同的屬性值(1，2，3…)。在道路施工系統(tǒng)內(nèi)，選擇整條道路中的這一段工作區(qū)域。計算出該區(qū)域內(nèi)所有的涵蓋擁有各類屬性值方格，記為總數(shù)。分別將各類屬性的方格的數(shù)量與總數(shù)相比較，則可以得出該區(qū)域內(nèi)不同的壓實遍數(shù)的占比情況。碾壓后效果圖(放大)，如圖7所示。

圖7 碾壓后效果圖(放大)

在圖7碾壓后效果圖(放大)中，總共由47個方格，代表著這塊區(qū)域由47個方格構(gòu)成。其中，屬性值為2的方格數(shù)為21個，屬性值為3的方格數(shù)為3個，屬性值為7的方格數(shù)為5個，屬性值為9的方格數(shù)為1個。式(3)為屬性值方格占比計算式

(3)

求得碾壓1遍的占比為44%，碾壓3遍的占比為10%。以此類推，各類的屬性值方格的占比情況都可以求出。

1.2.5 壓實遍數(shù)的表現(xiàn)方法

在統(tǒng)計各個屬性值的方格之后，整條道路會有若干個帶有不同屬性值的方格組成。屬性值是由碾壓的情況決定，所以不同的屬性值代表的就是不同的碾壓遍數(shù)。在質(zhì)量體系中，我們通過定義不同屬性值帶有的方格中的顏色深淺，也就是可以通過不同顏色分塊來決定該區(qū)域的不同碾壓遍數(shù)。

方格中顏色屬性(放大)，如圖8所示，方格的屬性值為3，它對應(yīng)的方格顏色屬性為藍色，屬于顏色較深的部分。方格的屬性值為7，它對應(yīng)的方格顏色屬性為紅色，屬于顏色較鮮艷的部分。所以，方格中的顏色越鮮艷，代表該區(qū)域的碾壓遍數(shù)越多。

圖8 方格中顏色屬性(放大)

1.2.6 壓實遍數(shù)合格率分析

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004》中，對壓實遍數(shù)與速度標注了詳細的要求。壓路機壓實分為初壓、復(fù)壓和終壓三種模式，每種模式都對應(yīng)相應(yīng)的壓實要求。初壓類的壓路機在壓實過程中，壓路機壓實的遍數(shù)不應(yīng)超過往返3遍，速度應(yīng)保持在2～4 km/h范圍內(nèi)。復(fù)壓類的壓路機在壓實過程中，壓路機壓實的遍數(shù)不應(yīng)超過往返2遍，速度應(yīng)保持在4～6 km/h范圍內(nèi)。終壓類的壓路機在壓實過程中，壓路機壓實的遍數(shù)不應(yīng)超過往返2遍，速度應(yīng)保持在4～6 km/h范圍內(nèi)。

根據(jù)規(guī)范的要求，可以得出質(zhì)量較高的壓實遍數(shù)，在每米樁號的統(tǒng)計情況下，應(yīng)屬于7～9遍。相應(yīng)的情況分析下，小于4遍是質(zhì)量較差(欠壓)的壓實情況，5～9遍是質(zhì)量較高(正常)的壓實情況，大于10遍是質(zhì)量較差(超壓)的壓實情況。根據(jù)計算處理后得出的壓實軌跡圖，可以清晰地反映出道路的實際壓實情況，不同的顏色對應(yīng)不同的壓實遍數(shù)，在圖8中獲取哪些區(qū)域的壓實遍數(shù)沒有符合規(guī)范的要求，根據(jù)規(guī)范的要求添加相應(yīng)的壓實遍數(shù)。

2 工程應(yīng)用效果

本計算方法，可應(yīng)用于不同工作面的壓實監(jiān)管，在江蘇江廣改擴建、廣西貴合高速、黑龍江北富高速等工程項目中應(yīng)用，取得較好的效果，鋼輪膠輪壓實遍數(shù)效果圖，如圖9所示。

圖9 鋼輪膠輪壓實遍數(shù)效果圖

通過運用智能壓實遍數(shù)柵格地圖的計算方法，通過工程樁號信息可查詢該樁號下的壓實遍數(shù)的統(tǒng)計情況，并以更加生動的展示效果表現(xiàn)該施工樁號的壓實情況。

3 結(jié) 論

智能壓實遍數(shù)的計算依據(jù)柵格地圖的計算方法求得，對混合料碾壓過程中進行數(shù)據(jù)分析、結(jié)合、表現(xiàn)。實現(xiàn)混合料壓實的直觀展現(xiàn)，其對于提高路面施工質(zhì)量、提高工程管理效率等有著積極意義。且柵格地圖技術(shù)較為成熟、智能壓實系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)采集模塊信息傳輸高速，使得該計算方法具有較高的推廣價值。

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