王靜偉, 姜 華, 周躍峰

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

壓實作業(yè)廣泛應用于公路、水利水電等基礎工程建設，壓實度是壓實質量判定重要參數(shù)，也是工程質量的重要指標之一。目前壓路機作業(yè)過程主要依靠操作人員依據(jù)工作經(jīng)驗進行作業(yè)，壓實過程中容易出現(xiàn)漏壓、欠壓、過壓及壓實不均勻等現(xiàn)象。完工后，多采用鉆芯抽樣有損檢測，對壓實路面的密實度進行檢測，存在檢測周期長、檢測結果不能真實全面地反映全路段壓實質量等現(xiàn)實問題。部分路段即使存在壓實質量問題，也存在返工難且易造成資源浪費等問題。針對當前工程建設壓實作業(yè)所存在的問題，提出了一種能對壓實作業(yè)過程進行實時監(jiān)測且有效指導壓實作業(yè)的新型動態(tài)智能壓實系統(tǒng)。本設計依據(jù)壓實作業(yè)管理的實際應用問題，采用高精度GPS、LoRa/WIFI無線通信技術，結合紅外傳感技術，實現(xiàn)壓路機作業(yè)過程實時數(shù)據(jù)采集、壓實遍數(shù)統(tǒng)計、壓實區(qū)域統(tǒng)計及作業(yè)質量的評估。近年來北斗定位技術及高精度GPS、GIS、傳感器、4G等技術成熟及覆蓋率提升，為本設計研究及應用奠定技術及應用基礎，為適應工程施工壓實現(xiàn)場需要，本設計采用雙模式GPS對碾壓過程作業(yè)的壓路機進行高精度實時動態(tài)定位，采用LoRa技術實現(xiàn)壓路機之間組網(wǎng)，支持多臺壓路機的協(xié)同作業(yè)，LoRa技術具備遠距離、大容量通信，抗干擾性能好，擴展傳感網(wǎng)絡方便，支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，支持測距和定位，適用于壓實作業(yè)等野外特殊應用環(huán)境。

1 總體設計

本設計主要包含壓實數(shù)據(jù)信息采集層、壓實數(shù)據(jù)傳輸層及應用層3個工作層，系統(tǒng)總體設計如圖1所示，其中壓實數(shù)據(jù)信息采集層主要包括壓實溫度傳感器、壓實度傳感器、振動傳感器、RTK接收器、天線、聲像預警裝置、本地服務端、本地顯示終端，以工業(yè)級高性能ARM32作為核心處理器，實現(xiàn)各模塊數(shù)據(jù)匯總、本地分析展示，可用于壓路機運動狀態(tài)更新、壓實遍數(shù)及壓實質量評估等。采用實時動態(tài)定位控制系統(tǒng)、壓實傳感監(jiān)測技術、紅外溫度傳感技術，通過本地顯示終端上應用軟件實時處理獲取的壓路機實時精確位置信息及姿態(tài)信息，以圖形、數(shù)值、聲音等多種形式顯示壓實過程碾壓次數(shù)(碾壓遍數(shù))、壓實度測量值(CMV)、碾壓溫度、碾壓速度、碾壓行進方向等信息，正確指導操作人員合理進行壓實作業(yè)。

壓實數(shù)據(jù)傳輸層主要包括LoRa/Wi-Fi數(shù)據(jù)組網(wǎng)、4G數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)?，用于各壓路機之間的數(shù)據(jù)共享及監(jiān)測數(shù)據(jù)有效遠程傳輸?shù)取?/p>

應用層主要包括應用服務、數(shù)據(jù)服務、動態(tài)預警服務及管控云服務平臺訪問等。以地圖(GIS)為背景，采用計算機圖形和數(shù)值動態(tài)展示壓路機作業(yè)信息，管理人員可通過條件查詢壓實作業(yè)線路軌跡及作業(yè)回放、基礎信息查詢、壓實質量合格率、不合格及合格區(qū)域圖形等操作，有效提升管理者對施工機械作業(yè)信息的統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)質量的過程化控制管理，提高質量問題源頭的可查性等。

圖1 系統(tǒng)設計總結構圖Figure 1 Systems design summary composition

2 系統(tǒng)組成

本設計智能壓實管控系統(tǒng)主要分為智能壓實控制系統(tǒng)(壓路本地端)和智能壓實管理系統(tǒng)(應用服務端)兩部分設計，壓路本地端(施工現(xiàn)場壓路機)主要以部署在壓路機上壓實智能控制系統(tǒng)軟件和各模塊硬件設備為主；應用服務端主要由系統(tǒng)云服務平臺和管理服務器(數(shù)據(jù)服務器和應用服務器)組成，具體設計組成結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計組成結構圖Figure 2 System design composition diagram

2.1 智能壓實控制系統(tǒng)

智能壓實控制系統(tǒng)主要分為智能壓實控制硬件設計和智能壓實控制軟件設計兩部分組成。

a.硬件組成。

硬件主要作為數(shù)據(jù)采集及機載終端顯示，包括北斗/GPS信號接收器RTK、天線、壓實度傳感器、工業(yè)級LT-05A紅外溫度傳感器、LoRa/WIFI無線通信模塊、GPRS/4G通信模塊、中心控制顯示端、聲像預警裝置等。壓實控制系統(tǒng)硬件設計組成如圖3所示；壓實控制系統(tǒng)現(xiàn)場部署效果如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設計結構圖Figure 3 Hardware design diagram of the system

圖4 系統(tǒng)硬件設計部署效果圖Figure 4 Hardware design and deployment effect diagram of the system

b.軟件組成部分。

智能壓實控制系統(tǒng)的功能主要由主程序控制完成，其程序設計流程圖如圖5所示。系統(tǒng)進入工作狀態(tài)前對各模塊進行初始化工作，其后判斷各模塊工作狀態(tài)及通信是否正常，通信正常后，各模塊進行壓實數(shù)據(jù)采集并判斷數(shù)據(jù)是否有效，對壓實數(shù)據(jù)進行本地存儲分析及顯示，并對壓實數(shù)據(jù)進行判定超限值顯示預警，同時進行數(shù)據(jù)組包遠程傳輸。軟件設計過程設置有中斷請求，方便其他拓展功能的實現(xiàn)。本設計為更好適用于實際壓實作業(yè)環(huán)境，使得具備長壽命和運行穩(wěn)定性，不僅在硬件設計上須做出特殊設計，還需在軟件方面進行相關設計。由于各壓路機間采用無線組網(wǎng)拓撲設計，在壓路機位置信息長期不更新(在同一位置或變化范圍很小)和數(shù)據(jù)傳輸完畢一定時間內(nèi)，部分模塊自動進入待機模式，保障設備使用壽命及長期穩(wěn)定運行。

圖5 智能壓實控制系統(tǒng)設計軟件流程圖Figure 5 Software flow chart of intelligent compaction control system design

壓路機顯示終端采用高分辨率液晶屏幕及多視圖界面，以圖形、數(shù)值和聲音信號等方式顯示作業(yè)壓路機的3D位置、CMV(壓實測量)值、振動頻率、碾壓遍數(shù)、碾壓行進方向、碾壓溫度、碾壓速度等信息，直觀化引導壓路機操作人員進行正確壓實作業(yè)。

2.2 智能壓實管理系統(tǒng)

智能壓實管理系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術搭建的綜合化施工管控云服務平臺，主要面向政府質量監(jiān)督結構、建設單位、監(jiān)理單位、施工單位等。主要由數(shù)據(jù)存儲分析中心和應用平臺組成，數(shù)據(jù)存儲分析中心是各施工壓實數(shù)據(jù)匯總管理中心，是整個系統(tǒng)的大腦核心。應用平臺主要實現(xiàn)壓實數(shù)據(jù)在線查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、碾壓過程動態(tài)回放等，見圖6。

圖6 智能壓實系統(tǒng)軟件應用圖

智能壓實管理系統(tǒng)支持多平臺部署、多終端(PC、APP)訪問，可視化交互反應壓實過程，管理者及時有效獲取壓實信息及有效控制壓實作業(yè)質量，可用于用于碾壓過程作業(yè)管理及施工質量信息管理系統(tǒng)。

3 應用案例分析

智能壓實管控系統(tǒng)通過項目的實際運用，依據(jù)試驗參數(shù)及使用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，能有效指導壓路機操作人員進行全方位的碾壓，有效減少了碾壓過程出現(xiàn)的漏壓、過壓等情況，合理提升了夜間施工效率及質量控制。通過在多條高速的應用，體現(xiàn)本設計具備良好經(jīng)濟社會效益，以某高速應用案例進行分析，從碾壓速度、壓實質量、碾壓溫度等進行分析。

3.1 碾壓速度應用分析

試驗一(無智能壓實管控系統(tǒng)指導)：壓路機已安裝智能壓實管控系統(tǒng)設備，操作員仍按照以往作業(yè)習慣進行碾壓作業(yè)。

試驗二(有智能壓實管控系統(tǒng)指導)：壓路機操作員在壓實智能管控系統(tǒng)的指導下進行碾壓作業(yè)。

經(jīng)過對上面層初壓有無監(jiān)控的對比分析，碾壓速度結果見表1和圖9。

表1 上面層初壓速度監(jiān)測結果Table 1 Monitoring results of initial pressure velocity in upper layer監(jiān)控情況上面層SMA-13測試次數(shù)均值變異系數(shù)無監(jiān)控103.20.151有監(jiān)控102.70.027

圖7 上面層初壓速度監(jiān)測結果Figure 7 Monitoring results of initial pressure velocity in upper layer

從表1和圖7分析得知，采用智能壓實管控系統(tǒng)的碾壓速度較未采用該系統(tǒng)條件下的碾壓速度勻速性得到顯著控制，避免碾壓速度過快或過慢等人為因素影響，說明智能壓實管控系統(tǒng)在對于控制路面碾壓質量均衡性效果顯著。

3.2 碾壓質量應用分析

從圖8～圖10分析得知，采用智能壓實管控系統(tǒng)碾壓過程不存在漏壓情況，未采用該系統(tǒng)碾壓作業(yè)均存在一定程度的漏壓區(qū)域，充分說明采用智能壓實管控系統(tǒng)對于保證路面全方位碾壓及碾壓質量控制具有顯著效果。

圖8 面層初壓漏壓情況Figure 8 The initial pressure and leakage of the upper layer

圖9 碾壓無監(jiān)管存在漏壓Figure 9 Pressure leak in unregulated rolling

圖10 智能壓實系統(tǒng)監(jiān)管下無漏壓Figure 10 No leakage pressure under the supervision of Intelligent compaction system

3.3 碾壓溫度應用分析(見表2和圖11)

試驗一(無智能壓實管控系統(tǒng)指導)：不采用智能壓實管控系統(tǒng)對上面層現(xiàn)場碾壓溫度進行測量。

表2 上面層壓實溫度監(jiān)測結果Table 2 Monitoring results of compaction temperature of upper layer監(jiān)控情況上面層SMA-13測試次數(shù)均值/℃變異系數(shù)無監(jiān)控201630.008有監(jiān)控201650.005

試驗二(有智能壓實管控系統(tǒng)指導)：采用智能壓實管控系統(tǒng)進行監(jiān)控時對現(xiàn)場碾壓溫度進行測量。

從表2和圖11分析得知，采用智能壓實管控系統(tǒng)較未采用智能壓實管控系統(tǒng)的碾壓作業(yè)的壓實溫度高，且溫度變化范圍小。

圖11 上面層路面碾壓溫度監(jiān)測結果Figure 11 Monitoring results of rolling temperature of upper pavement

4 結論

系統(tǒng)采用高精度GPS/LoRa技術、傳感技術等設計的施工動態(tài)壓實管控系統(tǒng)，可對壓路機碾壓作業(yè)實現(xiàn)全程過程的監(jiān)控，實時顯示壓實作業(yè)的路面狀況，正確合理指導壓實作業(yè)。該系統(tǒng)可為施工、監(jiān)理、建設單位、政府質量監(jiān)督機構等各方提供更全面的壓實過程信息，提高壓實質量和工作效率，是未來工程施工信息發(fā)展趨勢，同時在工程建設中具有良好經(jīng)濟社會效益。

a. 對壓實過程進行實時動態(tài)監(jiān)控，及時有效反映混合料的壓實質量，將碾壓過程中的壓實遍數(shù)、速度、溫度、軌跡等關鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測終端顯示，引導操作員按照規(guī)定進行壓實作業(yè)，有效控制碾壓質量均衡性，避免漏壓、欠壓等發(fā)生，保證路面整體質量。

b. 碾壓溫度實時監(jiān)控顯示，有助于碾壓速度、碾壓時間合理的分配，實現(xiàn)壓路機碾壓過程有序合理的調度及協(xié)同作業(yè)，減少不必要過壓等現(xiàn)象，提高效率減少能耗，節(jié)約成本。

c. 智能預警及壓實數(shù)據(jù)信息化平臺管理，提升了壓實數(shù)據(jù)信息化管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)利用價值，有效地解決了壓實數(shù)據(jù)信息監(jiān)管和施工質量的正確評定問題。在未來路面施工信息化管理的應用中具有廣闊的應用前景。