楊 杰，馮云龍，馬子媛，張靜曉，史小麗，李 慧

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011； 2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.長安大學經(jīng)濟與管理學院，陜西 西安 710064； 4.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061；5.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，公路交通基礎設施建設正如火如荼的開展，路面施工質量管理成為人們?nèi)找骊P注的問題[1]。目前傳統(tǒng)瀝青路面檢測常采用人工記錄的方法，存在明顯滯后性，施工中關鍵工序缺乏有效的實時監(jiān)管，無法及時發(fā)現(xiàn)和整改施工過程中出現(xiàn)的質量問題，導致部分瀝青路面產(chǎn)生早期病害、縮短使用壽命[2]。因此，開展瀝青路面數(shù)字化施工質量管理研究對路面施工質量控制具有重要意義[3]。

目前，各行業(yè)都在加快信息化技術發(fā)展步伐，為推動行業(yè)數(shù)字化發(fā)展發(fā)揮重要作用，如Sun等[4]將建筑信息模型應用于建筑工程質量管理中進行質量評價。Zhong等[5]將物聯(lián)網(wǎng)技術用于橋梁施工管理分析中收集信息。這些信息化技術為公路工程瀝青路面施工數(shù)字化監(jiān)測技術的發(fā)展奠定基礎。瀝青路面施工數(shù)字化監(jiān)測技術能實現(xiàn)遠程跟蹤控制，由過去的結果檢查轉變?yōu)檫^程控制，確?？刂乒方ㄔO質量。Hu[6]利用智能壓實儀檢測路面壓實計數(shù)值(CMV)，并探究CMV與瀝青路面密度間的關系。周文歡等[7]提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的路面施工質量指標體系，采用層次分析法確定各指標權重，并劃分綜合評價等級。Hosseini等[8]明確生產(chǎn)和施工質量控制指標，并分析路面施工質量控制指標與路面病害指標間的關系。Zhou等[9]運用一致性校驗方法建立瀝青路面質量過程控制數(shù)據(jù)分析體系，以實現(xiàn)瀝青路面質量過程的動態(tài)控制。

現(xiàn)有研究中，學者們主要圍繞瀝青混凝土路面施工過程數(shù)字化監(jiān)測設備展開，但缺少對路面施工全過程質量控制工具的研究。同時，現(xiàn)有評價方法未充分考慮路面信息化技術監(jiān)測的各環(huán)節(jié)工藝指標與路面施工質量間的關系，無法直觀判斷路面施工質量。

為實現(xiàn)瀝青混凝土路面施工全過程質量管理，本文運用北斗定位、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感等技術開發(fā)瀝青混凝土路面質量數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，并利用5G無線網(wǎng)絡實時采集與傳輸瀝青混凝土路面施工過程中主要設備采集的關鍵參數(shù)。通過對參數(shù)進行實時、動態(tài)的二次挖掘，建立數(shù)據(jù)分析評價模塊，提出路面數(shù)字化施工質量指數(shù)PCQ，建立基于粒子群優(yōu)化徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡監(jiān)測指標與PCQ的關系模型，為量化評價瀝青混凝土路面質量提供新途徑和方法。

1 瀝青混凝土路面質量動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 通信技術

在公路建設項目中，由于施工設備分布較離散，采用有線寬帶網(wǎng)絡的方式往往不能完全滿足施工現(xiàn)場移動性機械的需要。因此，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性和精確性，瀝青混凝土路面質量動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用5G(3GPP)無線通信網(wǎng)絡收集和傳輸數(shù)據(jù)。5G通信網(wǎng)絡在傳輸速率、覆蓋范圍及低延遲方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[10]，傳輸速率可達10Gbit/s，大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率。同時將通信延時降低到1ms左右，有效解決數(shù)據(jù)傳輸延遲的問題。

1.2 瀝青混合料拌合質量控制系統(tǒng)

瀝青混合料拌合過程實時監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、5G網(wǎng)絡傳輸模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，該子系統(tǒng)可動態(tài)監(jiān)測拌合站內(nèi)原材料、瀝青與混合料的質量，通過在出料倉旁邊安裝SBW系列溫度變送器，在減料倉篩分系統(tǒng)上安裝METTLER—TOLEDOIND系列稱重傳感器等傳感設備，構建拌合站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實時采集攪拌站生產(chǎn)過程中使用的骨料用量、瀝青用量、混合料拌合溫度和出料溫度，以計算每盤的油石比和級配，并通過拌合樓控制室內(nèi)的工控計算機，將采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h程中心服務器。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊，向管理人員提供專業(yè)的數(shù)據(jù)分析表和混合料級配曲線，可及時直觀掌握每盤瀝青混合料的質量和溫度信息。

1.3 瀝青混合料運輸質量控制系統(tǒng)

瀝青混合料運輸質量控制系統(tǒng)由車載定位子系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及對講子系統(tǒng)組成(見圖1)?；诒倍犯呔榷ㄎ患夹g，在瀝青混凝土運輸車輛上安裝GNSS定位模塊，可跟蹤監(jiān)督瀝青混凝土運輸全程，并能采集運輸車輛信息、駕駛員信息、運輸軌跡和運輸速度信息。利用射頻識別技術(RFID)在運料車、拌合站現(xiàn)場及攤鋪現(xiàn)場安裝標簽和閱讀器，可采集開始運輸時間、結束運輸時間，從而有效掌握運輸周期。通過溫度傳感器可實時監(jiān)測瀝青混凝土運輸過程中的瀝青混合料溫度。

圖1 瀝青混合料運輸質量控制系統(tǒng)架構

1.4 瀝青混凝土路面攤鋪質量控制系統(tǒng)

瀝青混合料攤鋪質量控制系統(tǒng)由熨平板實時跟蹤定位、集成控制機、5G無線通訊網(wǎng)絡、溫度采集系統(tǒng)等部分構成?；诒倍犯呔榷ㄎ患夹g，借助載波相位差分RTK實時動態(tài)控制系統(tǒng)，在施工現(xiàn)場和施工機具上分別安裝基準站和流動站，以傳送坐標信息數(shù)據(jù)，獲得攤鋪軌跡、攤鋪速度和攤鋪時長。另外，通過在攤鋪機上安裝多點紅外熱成像設備，可獲取瀝青混合料整體鋪面溫度，以便監(jiān)控攤鋪溫度、鋪面均勻性。同時，LED屏作為系統(tǒng)顯示終端，可使操作人員獲得可視化攤鋪信息，并指導施工作業(yè)。

1.5 瀝青混凝土路面碾壓質量控制系統(tǒng)

瀝青混凝土路面碾壓質量控制系統(tǒng)主要設備包括移動站、溫度傳感器、振動傳感器。該子系統(tǒng)基于RTK技術，通過設置基站和車載移動站，利用差分定位和三角定位原理對壓路機位置進行厘米級定位，定位精度水平方向達1～3cm，垂直方向精度達2～5cm，以此不間斷采集路面碾壓過程中的碾壓遍數(shù)、碾壓速度和行進方向數(shù)據(jù)。利用紅外溫度傳感器和加速度傳感器，可實時采集碾壓溫度、壓路機振動頻率和壓實度值(VCV)，并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳送至遠程中心服務器。利用壓路機駕駛室內(nèi)的可視化操作系統(tǒng)，將碾壓信息發(fā)送至顯控終端的車載顯示屏，可實時反饋瀝青混凝土路面碾壓狀態(tài)信息，以指導操作人員達到預期的壓實狀態(tài)。數(shù)字化改造后的瀝青混凝土路面攤鋪機及壓路機如圖2所示。

圖2 數(shù)字化改造后的瀝青混凝土路面攤鋪機和壓路機

2 基于多維數(shù)據(jù)源與瀝青混凝土路面施工質量的耦合模型

2.1 數(shù)字化施工質量評價指標體系

通過瀝青混凝土路面質量動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠準確獲得瀝青混合料生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的關鍵控制參數(shù)[11]，以綜合評價路面數(shù)字化施工質量?；诖?，通過深入分析路面數(shù)字化施工過程關鍵技術指標，遵循既便于檢測，又能反映最終路面質量的原則，建立可量化的瀝青混凝土路面數(shù)字化施工質量評價指標體系，如圖3所示。

圖3 瀝青混凝土路面數(shù)字化施工質量評價指標體系

本研究引入路面數(shù)字化施工質量指數(shù)PCQ，可準確表示瀝青混凝土路面質量：

(1)

式中：ωi為各指標權重；Pi為各分項指標值。

2.2 瀝青混凝土路面施工質量評價方法選擇

2.2.1質量度量方法選擇

通常采用合格率法作為路面質量度量方法，但該方法不能充分考慮數(shù)據(jù)分布情況和整體趨勢。相比合格率法，允許限值內(nèi)的百分率PWL法需綜合考慮樣本數(shù)據(jù)均值和標準差[12-13]，能有效反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動情況，PWL的計算結果能反映樣本母體滿足限制要求的百分率，并以此作為路面各分項指標質量得分。因此本研究采用PWL法量化路面質量，確保評價結果合理[14]。根據(jù)下式計算PWL的最終得分：

(2)

(3)

根據(jù)樣本數(shù)量n查詢PWL表，得出PWLW，PWLL值，可根據(jù)下式計算最終PWL值：

PWL=PWLW+PWLL-100%

(4)

式中：PWLW為QM對應的允許限值內(nèi)百分率；PWLL為QL對應的允許限值內(nèi)百分率。

2.2.2瀝青混凝土路面施工質量評價指標權重

本文采用主客觀相結合的方法計算指標綜合權重。首先采用層次分析法[15]，邀請專家對評價指標的重要性進行比較打分，確定主觀權重。其次，利用熵權法計算評價指標客觀權重。最后，耦合上述2種方法，計算評價指標的重要程度。

1)基于AHP的主觀賦權法

評價指標體系分為目標層、準則層和方案層。結合專家意見，利用1～9標度法對同一層級內(nèi)各指標的重要性進行兩兩比較打分，建立判斷矩陣A。根據(jù)計算判斷矩陣的最大特征根λmax對應特征向量W，進行歸一化處理后得到指標的客觀權重向量ω′=(ω1′,ω2′,…,ωn′)T。

(5)

為驗證判斷矩陣的合理性，根據(jù)下式計算一致性指標CI和一致性比例CR。當CR<0.1時，判斷矩陣的一致性滿足要求，表明權重有效。

(6)

(7)

式中：RI為隨機一致性指標。

2)基于EW的客觀賦權法

熵權法可利用熵反映信息的不確定性，通過信息熵理論計算指標權重大小。利用熵權法計算指標客觀權重時[16]，先設m個樣本與n個評價指標，初始決策矩陣為X=(xij)m×n，通過標準化后得到最終決策矩陣R=(rij)m×n，即矩陣如下：

(8)

(9)

根據(jù)下式計算第j項指標的熵值：

(10)

根據(jù)下式計算各指標的客觀權重：

(11)

3)主客觀耦合賦權法

通過耦合AHP和熵權法確定指標綜合權重，既充分考慮專家經(jīng)驗，又避免權重的主觀性，從而合理評價路面質量，真實反映路面情況[17]。因此，可根據(jù)下式計算主客觀因素的組合權重ωi：

(12)

3 基于改進粒子群優(yōu)化徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡的瀝青混凝土路面數(shù)字化施工質量評價模型

3.1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的評價模型建立

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(radical basic function，RBF)[18]是由輸入層、隱含層和輸出層構成的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，是理想的非線性問題計算工具，計算過程參考文獻[19]。本文將路面數(shù)字化施工質量評價指標PWL評分值作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型輸入層，并將組合權重計算所得的路面數(shù)字化施工質量指數(shù)PCQ作為模型輸出層。同時，將樣本分為訓練集和測試集，通過迭代訓練，根據(jù)均方誤差大小不斷優(yōu)化模型訓練參數(shù)。

3.2 基于IPSO-RBF的路面質量評價決策模型

為進一步提高神經(jīng)網(wǎng)絡算法的效率和精度，提出基于改進粒子群優(yōu)化算法的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡決策模型[20-22]，通過改進粒子群算法訓練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層的中心值、寬度及其輸出權重。基于IPSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的路面數(shù)字化施工質量評價模型流程如圖4所示，預測步驟如下。

圖4 基于IPSO-RBF的瀝青混凝土路面數(shù)字化質量評價模型流程

1)初始化樣本數(shù)據(jù) 歸一化處理數(shù)據(jù)，并將樣本數(shù)據(jù)分為測試集和訓練集。

2)設置粒子群算法參數(shù) 包括種群粒子個數(shù)、最大迭代次數(shù)及粒子初始化位置和速度。

3)根據(jù)下式采用試錯法確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層節(jié)點個數(shù)，同時結合路面數(shù)字化施工質量評價指標體系，確定輸入層和輸出層節(jié)點個數(shù)。

(13)

式中：ur，uc，uy分別表示RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層個數(shù)、輸出層個數(shù)和隱含層節(jié)點個數(shù)。

4)優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù) 將隱含層中心、寬度及其輸出權重作為粒子信息，在迭代過程中尋找最優(yōu)參數(shù)組合。其中，粒子速度和位置分別用下式表示：

(14)

(15)

本文采取改進慣性權重因子的方式優(yōu)化粒子群算法。改進后的慣性權重計算公式如下，即采用非線性遞減的方式：

(16)

式中：ωmax和ωmin分別表示權重初始值和最終值；k表示當前迭代次數(shù)；kmax表示迭代次數(shù)最大值。

5)計算粒子當前位置的適應度值 適應度函數(shù)為預測值與實際值的均方誤差，如下式所示。根據(jù)當前位置適應度值的大小判斷是否更新當前粒子最優(yōu)位置和種群粒子最優(yōu)位置。

(17)

6)根據(jù)式(14)，(15)更新粒子速度和位置信息。當?shù)螖?shù)超過設置的最大迭代次數(shù)時進行下步，否則返回上步重復迭代過程。

7)計算IPSO-RBF的路面質量，評價決策模型，預測值與實際值的均方誤差，以此評價模型精確度。

4 實例驗證與結果分析

4.1 應用案例研究

為驗證瀝青混凝土路面數(shù)字化施工質量評價模型的可行性和適用性，以某數(shù)字化公路建設項目為例評價施工質量。在本項目中，首先采用瀝青混凝土路面質量動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，即用1個瀝青拌合站、20臺瀝青混合料運輸車、5臺攤鋪機和10臺壓路機安裝施工質量監(jiān)控設備，實現(xiàn)施工機械數(shù)字化改造。其次，利用北斗衛(wèi)星、5G和物聯(lián)網(wǎng)等技術采集瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、施工現(xiàn)場攤鋪和碾壓的評價指標數(shù)據(jù)，同時，采用IPSO-RBF瀝青混凝土路面數(shù)字化質量評價模型評價路面質量。

為科學評價路面數(shù)字化施工質量，邀請20名行業(yè)專家組成專家組，包括施工參與者、公司管理人員和路面施工方面的研究學者。采用1～9標度法對指標進行打分，按照評價指標體系層次結構從下至上依次建立目標層和準則層的判斷矩陣，根據(jù)式(6)，(7)進行一致性檢驗，評價指標體系得分情況，如表1～4所示，最終指標主觀權重如表5所示。根據(jù)各評價指標PWL得分值建立初始矩陣，利用熵權法計算式(10)～(11)，得到如表6所示的客觀權重，最后根據(jù)式(12)計算主客觀組合權重，各指標組合權重如表7所示。

表1 目標層與準則層的判斷矩陣1

表2 目標層與準則層的判斷矩陣2

表3 目標層與準則層的判斷矩陣3

表4 目標層與準則層的判斷矩陣4

表5 層次分析法主觀權重計算結果

表6 熵權法客觀權重計算結果

表7 指標組合權重計算結果

4.2 模型訓練與仿真結果

根據(jù)施工情況，定義連續(xù)1km為1個評價路段，從數(shù)據(jù)庫選擇30條路段作為數(shù)據(jù)樣本，將其中20組數(shù)據(jù)作為訓練樣本，10組數(shù)據(jù)作為測試樣本，根據(jù)各指標實際數(shù)據(jù)值查表，計算得到PWL評分值，利用Matlab 2016a軟件訓練樣本，將12個評價指標的PWL值作為輸入層，綜合指標PCQ為輸出層，粒子群算法中，n的參數(shù)值為300，kmax參數(shù)值為200，ωmin參數(shù)值為0.4，ωmax參數(shù)值為0.9，c1參數(shù)值為1.8，c2參數(shù)值為1.8。通過比較均方誤差MSE，確定最終模型參數(shù)。采用試錯法，當RBF神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層個數(shù)為5時，模型精度較高。質量評價模型仿真結果如圖5所示。將常數(shù)慣性權重PSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型作為對比模型，其中ω=0.6，其余參數(shù)取相同值，分別計算2個模型的MSE和擬合優(yōu)度R2，如表8所示。

圖5 基于IPSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡瀝青路面數(shù)字化質量評價模型仿真結果

表8 2種模型比較結果

相比PSO-RBF訓練模型，改進后的模型與實際情況更接近，誤差更小，因此，采用IPSO-RBF模型評價路面施工質量可行。此后，在評價類似瀝青混凝土路面施工質量時，可將相應評價指標數(shù)據(jù)代入已訓練好的IPSO-RBF模型中，便可得到相應的路面數(shù)字化施工質量綜合評價指標PCQ，將質量事后檢驗轉變?yōu)槭轮袡z驗，以便及時發(fā)現(xiàn)質量不合格路段。

5 結語

本文針對信息化時代下路面施工質量管理中存在的問題，提出基于北斗和信息化技術的瀝青混凝土路面動態(tài)質量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場攤鋪、碾壓全過程，為瀝青混凝土路面數(shù)字化施工提供新方法，實現(xiàn)路面施工數(shù)字化管理及質量評價數(shù)據(jù)的及時性和可追溯性。通過實例應用表明，該數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)操作便捷，不僅有效提高施工質量管理效率，且對路面施工質量控制具有重要作用。

對瀝青路面數(shù)字化施工質量評價展開研究，深入分析數(shù)字化施工質量評價關鍵影響因素，建立基于IPSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的瀝青路面質量評價決策模型，并提出新的量化指標PCQ。本研究分別選取30條路段評價施工質量，實例驗證表明，該指標能真實反映路面質量，并且IPSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型能快速、準確地評價路面質量，具有較強的適用性。然而，本文未對路面建設完成后的部分性能指標與瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、攤鋪和碾壓路面施工綜合評價指標PCQ間的關系展開研究，后續(xù)需進一步研究PCQ與路面使用和養(yǎng)護階段性能指標間的相關性，并針對PCQ指標建立評價標準，以實現(xiàn)等級劃分。