宋宗華，武博文，何明虎，朱洪睿，薛力戈，張樂(lè)天

（1. 徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221000；2. 徐州徐工筑路機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

傳統(tǒng)的檢查壓實(shí)度的方法，諸如環(huán)刀法、灌沙法、水泡法等，都是在壓實(shí)結(jié)束后再對(duì)土壤進(jìn)行抽樣檢查，這些方法都要依賴(lài)細(xì)心熟悉的手工操作，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且只能提供在數(shù)量有限的測(cè)試點(diǎn)上獲得的結(jié)果，因此往往帶有較大的隨機(jī)性。同時(shí)，傳統(tǒng)的方法也不能在壓實(shí)進(jìn)行的過(guò)程中獲得壓實(shí)度的信息，因而在壓實(shí)不足時(shí)只能返工再壓，而在過(guò)度壓實(shí)時(shí)則浪費(fèi)能量。

長(zhǎng)期以來(lái)人們一直希望能有一種隨車(chē)檢測(cè)壓實(shí)度的裝置，并且可以實(shí)時(shí)顯示連續(xù)的壓實(shí)度結(jié)果，給操作人員以及施工工藝以指導(dǎo)。

70年代以來(lái)已先后有幾種隨車(chē)檢測(cè)裝置問(wèn)世，例如在世界專(zhuān)利W082/01905，瑞典專(zhuān)利SE424455（瑞典Dynapac公司），該壓實(shí)度的指標(biāo)是無(wú)量綱的諧波比，即壓實(shí)計(jì)值CMV，這種算法后來(lái)實(shí)踐證明不具有普遍應(yīng)用價(jià)值。

80年代BOMAG、AMMANN開(kāi)始制造連續(xù)控制壓實(shí)產(chǎn)品。其原理都是壓實(shí)計(jì)原理，采用諧波比類(lèi)指標(biāo)，如德國(guó)的10CMV。20世紀(jì)90年代后期，BOMAG引進(jìn)了土壤剛度測(cè)量的振動(dòng)模量Evib。1999年，AMMANN也引進(jìn)了土壤剛度參數(shù)ks（也稱(chēng)為KB）。Evib及ks的引進(jìn)，標(biāo)志著向更機(jī)械化與性能相關(guān)的土壤屬性（例如：土壤剛度/模量）測(cè)量的重大演變。至今各大主機(jī)廠商都設(shè)計(jì)出了自己隨車(chē)壓實(shí)度監(jiān)測(cè)裝置與算法，但是關(guān)于壓實(shí)度監(jiān)測(cè)的算法都存在不足，并不具備普遍性。

徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司結(jié)合壓實(shí)度大數(shù)據(jù)、車(chē)輛振動(dòng)參數(shù)、土壤屬性設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于大數(shù)據(jù)和相關(guān)度的壓實(shí)度隨車(chē)檢測(cè)算法與系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在項(xiàng)目立項(xiàng)初期，我們大量調(diào)研智能壓實(shí)（IC）行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。了解了當(dāng)前存在的技術(shù)瓶頸，在土壤力學(xué)、壓實(shí)施工工藝、信號(hào)系統(tǒng)3大領(lǐng)域進(jìn)行探索。發(fā)現(xiàn)目前頻域信息的相關(guān)度函數(shù)大量應(yīng)用在質(zhì)量檢測(cè)、參數(shù)評(píng)價(jià)。對(duì)頻域信息相關(guān)度的研究和分析成為當(dāng)下科學(xué)應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)一定的理論研究，結(jié)合智能壓實(shí)各種理論的既得理論結(jié)果，制定出一套基于相關(guān)度和大數(shù)據(jù)的路面壓實(shí)度檢測(cè)方案，并將該方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用。

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)分為5大模塊，振動(dòng)信號(hào)傳感器、信號(hào)變送器、壓實(shí)度計(jì)算模塊、人機(jī)界面、離線存儲(chǔ)。

振動(dòng)信號(hào)采集傳感器是用于將振動(dòng)輪的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，是整個(gè)系統(tǒng)最前端的輸入設(shè)備，如圖1所示。

圖1 壓實(shí)度隨車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

信號(hào)變送器是將原始振動(dòng)的電荷信號(hào)數(shù)字化并進(jìn)行傅里葉變換成頻域信息，通過(guò)CAN總線將頻域信息數(shù)據(jù)傳遞給壓實(shí)度計(jì)算模塊。壓實(shí)度計(jì)算模塊是相關(guān)度計(jì)算的核心模塊，預(yù)存了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是當(dāng)前土壤完全壓實(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。通過(guò)預(yù)存的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做相關(guān)度函數(shù)，輸出相關(guān)度。與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)度線性反映了當(dāng)前土壤的壓實(shí)度信息。人機(jī)界面輸出當(dāng)前土壤壓實(shí)度的數(shù)據(jù)，用于展示并指導(dǎo)當(dāng)前壓路機(jī)操作。離線存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)壓實(shí)振動(dòng)的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)處理計(jì)算后的相關(guān)度值，一方面用于積累數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化核心算法的基礎(chǔ)。同時(shí)采集的數(shù)據(jù)可以作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 核心算法軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包含兩大部分，一個(gè)是將傳感器獲取的時(shí)域信號(hào)處理成相對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)；另一個(gè)是將處理后的頻域信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做相關(guān)度計(jì)算，并得出最終的壓實(shí)度。

采用的核心算法1是快速傅氏變換（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。

核心算法2為相關(guān)度函數(shù)系數(shù)公式

m為1-300的編組序列下標(biāo)，Rxx（0）為當(dāng)前收到數(shù)據(jù)的自相關(guān)度函數(shù)數(shù)值，Ryy（0）為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自相關(guān)度函數(shù)數(shù)值，Rxy（m）為當(dāng)前數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的互相關(guān)度函數(shù)，ρxy（m）為相關(guān)函數(shù)系數(shù)函數(shù)。

最終對(duì)ρxy進(jìn)行循環(huán)比較，找出該函數(shù)的最大值，則此值為當(dāng)前數(shù)據(jù)的壓實(shí)度數(shù)值。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及測(cè)試方法

2.1 土壤試驗(yàn)條件準(zhǔn)備

試驗(yàn)用土的含水率應(yīng)為最佳含水率，允許偏差±3%。土壤鋪層厚度和取樣深度應(yīng)符合表1要求。試驗(yàn)前須進(jìn)行土槽土壤的翻松、平整、養(yǎng)護(hù)以及土壤含水率的調(diào)節(jié)。

表1 試驗(yàn)用土的翻松厚度和取樣深度

2.1.1 土壤的翻松、平整與養(yǎng)護(hù)

（1）利用翻松工具對(duì)壓實(shí)后的土壤按照要求的深度進(jìn)行翻松，試驗(yàn)段內(nèi)土壤應(yīng)翻松均勻。

（2）利用平整工具對(duì)翻松后的土壤進(jìn)行刮平，試驗(yàn)段內(nèi)不應(yīng)有坑洼和凸起土堆。

（3）翻松與平整后的土壤應(yīng)用防雨布進(jìn)行覆蓋，以保持水分。

2.1.2 土壤含水率的調(diào)節(jié)

（1）土壤翻松前，先用灑水管進(jìn)行均勻?yàn)⑺?，灑完水后蓋上防雨布，悶1天，再進(jìn)行翻松；

（2）完成土壤的翻松與平整后，進(jìn)行含水率測(cè)試，看含水率是否滿足要求；

（3）若含水率低于要求值，則灑水后蓋防雨布，悶2天，復(fù)測(cè)含水率；

（4）若含水率高于要求值，則白天開(kāi)窗晾曬，晚上蓋上防雨布，次日早上復(fù)測(cè)含水率；

（5）含水率達(dá)到要求值，開(kāi)始試驗(yàn)，若1天不能完成試驗(yàn)，晚上須用防雨布將試驗(yàn)段土壤蓋上。

2.2 振動(dòng)加速度傳感器的安裝

振動(dòng)加速度傳感器應(yīng)安裝在壓路機(jī)鋼輪振動(dòng)軸軸承正上方，安裝需牢固。具體安裝位置如圖2所示。

圖2 振動(dòng)傳感器安裝位置

2.3 碾壓與數(shù)據(jù)采集

具體的碾壓與數(shù)據(jù)采集步驟為：

（1）樣機(jī)處于工作質(zhì)量狀態(tài)、起振，壓路機(jī)以最低擋速度行駛。

（2）先靜碾2遍，然后振動(dòng)碾壓6個(gè)來(lái)回共計(jì)12遍。

（3）在每遍碾壓過(guò)程中采集土壓力數(shù)據(jù)與振動(dòng)數(shù)據(jù)；

（4）每完成1個(gè)來(lái)回碾壓后，進(jìn)行密實(shí)度測(cè)試。結(jié)合密實(shí)度的計(jì)算方法計(jì)算實(shí)際的壓實(shí)度。

2.4 壓實(shí)度的測(cè)試與計(jì)算

用環(huán)刀法進(jìn)行。儀器設(shè)備：環(huán)刀內(nèi)徑70mm，高52mm，壁厚2mm；天平感量0.01g；環(huán)蓋、擊錘、修土刀、鐵鍬等。

試驗(yàn)步驟：

（1）將取樣面上的松散土壤清除干凈，把已知質(zhì)量的環(huán)刀平放在該面上，然后將環(huán)蓋放在環(huán)刀上，用擊錘將環(huán)刀垂直打入土中，至土樣伸出環(huán)刀為止。

（2）拿掉擊錘和環(huán)蓋，將環(huán)刀和土樣一起挖出，削去兩端余土，使土樣與環(huán)刀口面齊平。

（3）擦凈環(huán)刀外壁，稱(chēng)環(huán)刀與土樣質(zhì)量，精確至0.1g，然后從土樣中心處取2個(gè)30g左右的土樣，按照4.5.1的方法測(cè)定其土的含水率。

（4）濕密度及干密度按式（4）、（5）計(jì)算

式中 ρ——濕密度，g/cm3；

ρd——干密度，g/cm3；

m0——環(huán)刀與土合質(zhì)量，g；

mh——環(huán)刀質(zhì)量，g；

V——環(huán)刀體積，cm3。計(jì)算值精確到0.01。

（5）試驗(yàn)結(jié)果記入附表中。

（6）壓路機(jī)壓實(shí)后，土壤的壓實(shí)度按照式（6）計(jì)算，結(jié)果記入附表中。

式中 δ——壓實(shí)度；

ρd——干密度，g/cm3；

ρdmax——最大干密度，g/cm3。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

經(jīng)過(guò)2個(gè)月測(cè)試與試驗(yàn)，我們將研究院的土槽平均分成4塊試驗(yàn)路段，共獲得有效原始頻譜數(shù)據(jù)1560個(gè)，每1個(gè)頻譜數(shù)據(jù)中包含有該土槽試驗(yàn)條件下的0~300Hz的幅頻特性。并獲得原始振動(dòng)傳感器離線采集數(shù)據(jù)20組，這20組數(shù)據(jù)中包含了最原始的車(chē)輛振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域信息，為以后大數(shù)據(jù)分析建庫(kù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，完成對(duì)試驗(yàn)土壤實(shí)際密實(shí)度數(shù)據(jù)的采集，獲得147組環(huán)刀測(cè)試數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)的密實(shí)度方法計(jì)算出相應(yīng)的壓實(shí)度參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與整理，獲得以下結(jié)論：

（1）密實(shí)度隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而逐漸上升，并在偶數(shù)遍對(duì)路面進(jìn)行環(huán)刀測(cè)量壓實(shí)度的方法，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，壓實(shí)度呈明顯上升趨勢(shì)。

圖3 小振壓實(shí)實(shí)測(cè)壓實(shí)度數(shù)據(jù)

（2）奇、偶遍數(shù)需要分開(kāi)比較，因?yàn)榍拜喰D(zhuǎn)的方向不同會(huì)使得振動(dòng)方向的力矩有所偏差，造成振動(dòng)能量不一致，結(jié)果如圖4所示。

圖4 相關(guān)度函數(shù)系數(shù)隨遍數(shù)變化圖形

（3）自主研發(fā)的基于相關(guān)度系數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，將奇偶遍分開(kāi)，與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)一樣具有明顯的隨著遍數(shù)上升的趨勢(shì)，第2塊試驗(yàn)路段同樣是小振模式12遍壓實(shí)，奇偶遍測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5、圖6，大振8遍壓實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7、圖8。

（4）發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速時(shí)會(huì)對(duì)原相關(guān)度算法造成影響，使得振動(dòng)頻率的基頻在頻譜上發(fā)生偏移，導(dǎo)到計(jì)算出來(lái)的壓實(shí)度有所偏差。我們對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，將基頻數(shù)據(jù)及多次諧波數(shù)據(jù)平移到相同的基頻條件下，并通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證證明該方法可行。

圖5 偶數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖6 奇數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖7 偶數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖8 奇數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

（5）過(guò)多的大振雖然可以獲得更好地深層壓實(shí)效果，但是會(huì)造成表層土壤嚴(yán)重振動(dòng)，如圖9中分別為12遍小振與8遍大振的實(shí)測(cè)密實(shí)度。

圖9 不同振幅實(shí)測(cè)壓實(shí)度曲線

（6）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)最終的壓實(shí)效果起著決定性的因素，對(duì)于第4塊試驗(yàn)路段，采用8遍大振、4遍小振的壓實(shí)工藝，表層壓實(shí)度得到明顯提高，但是中層壓實(shí)度效果不如之前單純8遍大振的效果，分析后發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是含水率較低的原因，如圖10所示。

圖10 不同振幅實(shí)測(cè)壓實(shí)度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）奇、偶遍數(shù)需要分開(kāi)比較，因?yàn)榍拜喰D(zhuǎn)的方向不同會(huì)使得振動(dòng)方向的力矩有所偏差，造成振動(dòng)能量不一致。

（2）使用基于相關(guān)度函數(shù)系數(shù)的計(jì)算方法來(lái)評(píng)估當(dāng)前路面的壓實(shí)度，并且在基本接近壓實(shí)的狀態(tài)下仍能定量的區(qū)分出壓實(shí)度的差異，最終壓實(shí)相關(guān)度高達(dá)98%以上。

（3）將基頻數(shù)據(jù)及多次諧波數(shù)據(jù)平移到相同的基頻條件下，可以有效解決由于發(fā)動(dòng)機(jī)掉速對(duì)原相關(guān)度算法造成的影響。

到目前為止進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)雖取得關(guān)鍵性的階段成果，但是也存在一些局限性因素造成的問(wèn)題。后續(xù)需要繼續(xù)進(jìn)行施工工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一方面是通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化本系統(tǒng)方法在不同壓實(shí)材料上的核心算法，另一方面是大量積累壓實(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，為壓實(shí)度的云計(jì)算模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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