倪仕文，彭衛(wèi)平，王 蟬，史宏波，郝耘慶，田剛衛(wèi)

(1.武漢大學(xué)流體機(jī)械與動(dòng)力工程裝備技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072；2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710000；3.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西西安710000)

0 引 言

土石壩是世界大壩工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩填筑碾壓施工質(zhì)量，直接影響大壩的運(yùn)行安全。在土石壩施工過(guò)中，每個(gè)施工倉(cāng)面的碾壓遍數(shù)、碾壓速度、壓實(shí)厚度、和激振力等是影響碾壓施工質(zhì)量的重要因素。碾壓施工質(zhì)量的監(jiān)控就是對(duì)上述碾壓參數(shù)的監(jiān)控。但是，傳統(tǒng)方法僅僅是單純的依靠監(jiān)理和現(xiàn)場(chǎng)施工人員來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的控制，誤差大、效率低。因此，開(kāi)發(fā)具有實(shí)時(shí)、高效、高精度等特點(diǎn)的土石壩碾壓施工質(zhì)量自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)具有十分重要的意義。

圖1 碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)土石壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究還相對(duì)較少。在國(guó)外相關(guān)研究主要集中在道路碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控方面[1]。Oloufa等[2，3]基于全球定位技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)瀝青路面材料的壓實(shí)質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Hossain等[5]將智能壓實(shí)控制(Intelligent Compaction Control， ICC)技術(shù)應(yīng)用于堪薩斯高速公路路基的施工項(xiàng)目中；Qinwu Xu等[6]對(duì)智能道路施工的自適應(yīng)質(zhì)量控制和對(duì)路面材料密度的接受度進(jìn)行了研究。但是土石壩的施工質(zhì)量參數(shù)以及施工工藝和道路施工有所差異，現(xiàn)有的技術(shù)不能完全適用于土石壩的碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控。國(guó)內(nèi)劉經(jīng)南、黃聲享等[7，8]針對(duì)混凝土面板堆石壩施工特點(diǎn)， 開(kāi)發(fā)的面板堆石壩填筑質(zhì)量的 GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；鐘登華、崔博等[9- 11]針對(duì)高心墻堆石壩固有施工特點(diǎn)研發(fā)出心墻堆石壩填筑碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；李洋洋等[12]對(duì)基于測(cè)量機(jī)器人的碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了研究。本文基于現(xiàn)有的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新技術(shù)深入研究土石壩填筑碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)以及工程應(yīng)用問(wèn)題。

1 土石壩填筑碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能規(guī)劃

系統(tǒng)以壩面碾壓施工設(shè)備為監(jiān)控對(duì)象，監(jiān)控對(duì)大壩填筑碾壓質(zhì)量有影響的碾壓質(zhì)量過(guò)程參數(shù)，從而確保工程建設(shè)質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和可視化顯示倉(cāng)面碾壓機(jī)械運(yùn)行軌跡、速度、振動(dòng)狀態(tài)。

(2)實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算和可視化顯示倉(cāng)面任意位置處的碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)后高程。

(3)當(dāng)碾壓機(jī)械運(yùn)行速度、振動(dòng)狀態(tài)、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度等過(guò)程參數(shù)不達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警信息顯示不達(dá)標(biāo)的原因和具體內(nèi)容等，并在現(xiàn)場(chǎng)分控中心PC監(jiān)控終端上實(shí)時(shí)顯示以及將報(bào)警信息采用屏幕顯示和語(yǔ)音播報(bào)的方式同時(shí)提醒和告知駕駛員，同時(shí)把該報(bào)警信息存入施工異常數(shù)據(jù)庫(kù)備查。

(4)在每倉(cāng)施工結(jié)束后，輸出碾壓質(zhì)量圖形報(bào)表，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實(shí)厚度圖和壓實(shí)后高程圖等，作為倉(cāng)面質(zhì)量驗(yàn)收的參考材料。

1.2 系統(tǒng)總體方案

土石壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由碾壓機(jī)移動(dòng)站、定位基準(zhǔn)站、3G無(wú)線通訊數(shù)據(jù)鏈路、總控中心及現(xiàn)場(chǎng)分控站等組成，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。基準(zhǔn)站和移動(dòng)站實(shí)物如圖2所示，其中移動(dòng)站由碾壓設(shè)備上的高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)、振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、報(bào)警裝置等組成。

GPS基準(zhǔn)站的主要設(shè)備包括GNSS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)和供電電源等，是整個(gè)監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”?？偪刂行挠煞?wù)器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全備份系統(tǒng)等組成，是碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)場(chǎng)分控站設(shè)置在大壩施工現(xiàn)場(chǎng)或附近值班房，通常24 h常駐監(jiān)理，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并針對(duì)質(zhì)量偏差情況向現(xiàn)場(chǎng)管理人員發(fā)出糾偏指令。其具體監(jiān)控方法如下：

(1)碾壓機(jī)機(jī)載GNSS定位設(shè)備與激振力監(jiān)測(cè)設(shè)備以1 Hz對(duì)碾壓機(jī)進(jìn)行三維空間定位與振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)3 G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

(2)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)， 服務(wù)器端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)分析判斷碾壓機(jī)的行車速度、激振力輸出是否超標(biāo)， 并通過(guò)駕駛室報(bào)警器發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。

(3)根據(jù)定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制碾壓機(jī)的行進(jìn)軌跡，根據(jù)碾壓軌跡自動(dòng)計(jì)算碾壓遍數(shù)，并在位于監(jiān)控中心客戶端壩面施工數(shù)字地圖上實(shí)時(shí)顯示倉(cāng)面任意位置的碾壓遍數(shù)；根據(jù)上下兩碾壓層高程監(jiān)測(cè)值，動(dòng)態(tài)計(jì)算各碾壓層的壓實(shí)厚度，實(shí)時(shí)繪制碾壓高程與壓實(shí)厚度分布圖形。

(4)通過(guò)監(jiān)控客戶端與監(jiān)控成果圖形報(bào)告顯示漏碾、超厚區(qū)域，指導(dǎo)相關(guān)人員做出現(xiàn)場(chǎng)反饋與控制措施。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 碾壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸技術(shù)

實(shí)現(xiàn)碾壓過(guò)程信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在施工過(guò)程中需要對(duì)碾壓設(shè)備的動(dòng)態(tài)三維位置坐標(biāo)、定位時(shí)間以及激蕩力輸出狀態(tài)，進(jìn)行精確穩(wěn)定的采集和傳輸。采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的碾壓信息實(shí)時(shí)采集和傳輸裝置，具體采集和傳輸?shù)姆椒ㄈ缦拢?/p>

(1)固定的GPS基準(zhǔn)站和安裝在碾壓設(shè)備上的移動(dòng)站按照一定的時(shí)間間隔同時(shí)接收來(lái)自GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，然后基站將接收到的定位信息利用無(wú)線傳輸單元(Data Transfer unit， DTU)和NtripCaster將差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)紾PS移動(dòng)站，并通過(guò)提前設(shè)置好的差分程序利用載波相位差技術(shù)(Real-time kinematic， RTK)對(duì)定位信息進(jìn)行計(jì)算和修正，從而使定位精度達(dá)到厘米級(jí)。同時(shí)， 碾壓設(shè)備上的激振力監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)獲取碾壓機(jī)械的激振力輸出狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)把高低電平的模擬信號(hào)識(shí)別為數(shù)字信號(hào)。最后通過(guò)移動(dòng)站上的DTU采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將定位信息和振動(dòng)狀態(tài)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器上的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)獲取數(shù)據(jù)之后，即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，繪制碾壓軌跡線， 計(jì)算行車速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)高程等壓實(shí)參數(shù)， 用于碾壓質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。

(2)DTU采用的是一種應(yīng)用層協(xié)議Ntrip協(xié)議來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電臺(tái)傳輸或者“直接的”GSM/CDMA 通訊。Ntrip是在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，所有的 RTK數(shù)據(jù)格式(NCT、RTCM、CMR、CMR+等)都能被傳輸。Ntrip系統(tǒng)組成如圖3所示，其主要由 NtripServer(RTK參考站)、NtripCaster(處理數(shù)據(jù)流)和NtripClient(RTK流動(dòng)站)3個(gè)部分組成，且具有無(wú)范圍限制、數(shù)據(jù)安全、容易共享參考站等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 Ntrip系統(tǒng)組成

2.2 碾壓軌跡、遍數(shù)實(shí)時(shí)顯示算法

將GNSS天線安裝在碾壓機(jī)的車頂中心位置，然后將GPS的經(jīng)緯度以及高程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程坐標(biāo)，碾壓軌跡和區(qū)域是由每間隔1 s碾壓機(jī)的位置以及碾壓機(jī)的滾輪寬形成的多邊形組成，以像素為單位基于GDI+(Graphics Device Interface plus)在顯示器上繪制出代表碾壓區(qū)域的多邊形，為了計(jì)算碾壓遍數(shù)，將倉(cāng)面劃分網(wǎng)格(網(wǎng)格大小決定計(jì)算的精度，本文以單個(gè)像素點(diǎn)為一個(gè)網(wǎng)格)，碾壓遍數(shù)計(jì)算示意如圖4所示。

圖4 碾壓遍數(shù)計(jì)算

圖4中A、B2個(gè)區(qū)域分別為2個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的碾壓區(qū)域；多邊形abcdefg為2個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的碾壓區(qū)域。創(chuàng)建一個(gè)代表不同碾壓遍數(shù)的顏色庫(kù)，然后對(duì)碾壓區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)(即每一個(gè)像素點(diǎn))進(jìn)行實(shí)時(shí)判別是否處于該區(qū)域。若在該區(qū)域，則該網(wǎng)格Rij(i=1， 2， …，m；j=1， 2， …，n)增加碾壓遍數(shù)1次。

2.3 碾壓速度計(jì)算

通過(guò)轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)和相應(yīng)的時(shí)間信息，可計(jì)算出碾壓機(jī)某個(gè)時(shí)刻的行走速度。設(shè)某碾壓機(jī)相鄰時(shí)刻ti與ti+1的定位坐標(biāo)分別為Pi(xi，yi，zi)和Pi+1(xi+1，yi+1，zi+1)，則兩點(diǎn)間碾壓機(jī)行走速度v為

(1)

式中，Δt=ti+1-ti?？紤]到時(shí)間間隔過(guò)短可能出現(xiàn)瞬間的速度劇烈變化，本文對(duì)其進(jìn)行平滑處理，取某時(shí)刻前5 s內(nèi)的平均速度為其瞬時(shí)速度。

2.4 碾壓厚度計(jì)算與顯示

碾壓厚度的計(jì)算首先根據(jù)施工倉(cāng)面的大小將倉(cāng)面劃分為m×n個(gè)矩形區(qū)域，然后選取5個(gè)采樣點(diǎn)，這5個(gè)點(diǎn)為該矩形區(qū)域內(nèi)最后時(shí)刻的5個(gè)碾壓坐標(biāo)點(diǎn)。用當(dāng)前5個(gè)采樣點(diǎn)的平均高程減去起始高程從而得到該區(qū)域的平均碾壓厚度，再將平均厚度顯示在每個(gè)矩形區(qū)域上，并且對(duì)每個(gè)矩形塊內(nèi)的像素點(diǎn)根據(jù)平均碾壓厚度的大小進(jìn)行灰度賦值，倉(cāng)面碾壓厚度顯示如圖5所示。

圖5 倉(cāng)面碾壓厚度計(jì)算

3 工程應(yīng)用

甘泉縣府村川水庫(kù)均質(zhì)土壩壩高35 m，壩頂寬7 m，最大底寬201.3 m，壩體最長(zhǎng)433 m。使用Visual Studio開(kāi)發(fā)工具和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，基于.net框架，并采用C/S結(jié)構(gòu)，利用上文提出的方法和技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了土石壩填筑碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。如圖6所示為該監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓機(jī)碾壓速度、碾壓高程、碾壓狀態(tài)、碾壓軌跡和碾壓遍數(shù)等的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了府村川水庫(kù)碾壓質(zhì)量監(jiān)控的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。

圖6 土石壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)土石壩填筑碾壓的施工特點(diǎn)，研發(fā)出了一套具有實(shí)時(shí)、高效、高精度等特點(diǎn)的土石壩碾壓施工質(zhì)量自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)土石壩壩體碾壓施工質(zhì)量全天候、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保了土石壩的施工質(zhì)量；數(shù)據(jù)信息采用基于NTRIP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議無(wú)線傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不易丟包，延遲低，不受移動(dòng)站數(shù)量和距離的限制；駕駛員可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的得知倉(cāng)面的具體碾壓情況，取代傳統(tǒng)的人工控制，節(jié)約人力成本，降低人為誤差，提高施工效率。隨著現(xiàn)代施工技術(shù)信息化和智能化的高速發(fā)展，本系統(tǒng)和技術(shù)在未來(lái)的水利水電工程建設(shè)中將會(huì)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。