方 磊， 郭 斌,， 鄭永軍， 張向宇

(1. 中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310018; 2. 杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

瀝青路面憑借其平整性、防水性、耐久性和便于維護(hù)等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外高等級路面澆筑的主要選擇[1]。我國在大面積鋪筑瀝青路面的過程中，由于技術(shù)儲備有所欠缺，又普遍追求施工進(jìn)度而忽略了施工質(zhì)量，導(dǎo)致很多路面在質(zhì)量方面不過關(guān)，在短期內(nèi)就出現(xiàn)裂縫、坑槽等路面病害，造成了經(jīng)濟(jì)損失，更影響了交通安全[2]。瀝青混合料的攤鋪和碾壓作為路面施工中關(guān)鍵的一部分，其作業(yè)質(zhì)量對路面的使用性能有著非常重要的影響，有必要對攤鋪壓實(shí)過程的施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，從而保證路面施工的質(zhì)量[3]。由于施工現(xiàn)場情況復(fù)雜，施工人員很難嚴(yán)格按照瀝青路面施工工藝要求對路面進(jìn)行攤鋪和碾壓，現(xiàn)場監(jiān)督管理人員也可能疏忽不規(guī)范的施工，以致路面質(zhì)量存在問題[4]。因此，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，將數(shù)字化智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面施工是大勢所趨，本文所研究的瀝青路面施工智能監(jiān)控技術(shù)能有效提升攤鋪和碾壓質(zhì)量，提高施工效率[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所涉及的瀝青路面施工包括瀝青的攤鋪和碾壓，在實(shí)際施工過程中，一般采用一攤鋪兩碾壓的機(jī)群工作方式，即一輛攤鋪機(jī)和兩輛壓路機(jī)配合工作[6]，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。定位基站通過433M電臺將定位數(shù)據(jù)傳輸至安裝在攤鋪機(jī)和壓路機(jī)車頂?shù)闹悄軘?shù)據(jù)采集主機(jī)進(jìn)行差分定位，主機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過4G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信[7]。攤鋪機(jī)和壓路機(jī)上安裝的主機(jī)差異在于壓路機(jī)上的主機(jī)增設(shè)了一個振動采集模塊，智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)由太陽能供電模塊進(jìn)行供電，降低了施工成本。差分定位模塊、溫度采集模塊和振動采集模塊主要完成施工參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，將實(shí)時采集到的施工車輛位置、瀝青路面攤鋪碾壓溫度和壓路機(jī)振動信息傳輸至中央處理模塊進(jìn)行打包，等待發(fā)送[8]。4G無線傳輸模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)采集的施工數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要連接到Internet，打開遠(yuǎn)程服務(wù)器上的監(jiān)控平臺，完成實(shí)時施工信息的接收、顯示、保存等操作，對施工現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證瀝青路面施工質(zhì)量和效率[9]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖2 智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)硬件模塊設(shè)計

瀝青路面施工智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)部分的設(shè)計，主機(jī)硬件總體架構(gòu)如圖3所示。太陽能供電模塊給整個系統(tǒng)供電，數(shù)據(jù)采集模塊采集施工數(shù)據(jù)傳輸給中央處理模塊，中央處理模塊將數(shù)據(jù)解析打包后通過串口傳輸給4G無線傳輸模塊，再發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[10]。

圖3 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 差分定位模塊

本系統(tǒng)使用的定位基站通過基站天線收斂確定自身定位，將基站位置信息通過無線數(shù)傳電臺傳輸給主機(jī)的定位模塊進(jìn)行差分定位，定位模塊將差分定位后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到移動端精確的定位信息[11]。差分定位模塊電路如圖4所示。

圖4 差分定位模塊電路圖

2.1.2 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)選用MLX系列紅外傳感器對瀝青表面溫度進(jìn)行非接觸測量，測溫范圍為-20～300 ℃，且具有300 ms的快速響應(yīng)，適用于瀝青路面施工現(xiàn)場。溫度傳感器和主機(jī)通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[12]。溫度傳感器模塊電路如圖5所示。

圖5 溫度傳感器模塊電路圖

2.1.3 振動傳感器模塊

壓路機(jī)的振動數(shù)據(jù)使用MPU6050加速度傳感器獲取，傳感器集成在主機(jī)電路板上，數(shù)據(jù)通過I2C通信傳輸至中央處理模塊[13]。對振動傳感器采集到的振動數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，能夠根據(jù)車輛熄火、怠速、弱振、強(qiáng)振等狀態(tài)振動信號的不同來判斷壓路機(jī)實(shí)時的工作狀態(tài)。振動傳感器模塊電路圖如圖6所示。

圖6 振動傳感器模塊電路圖

2.2 太陽能供電模塊

瀝青路面施工會盡量避開雨水、低溫、大風(fēng)等不利施工天氣，通常情況下于晴朗天氣施工，太陽能供電模塊可充分利用太陽能為系統(tǒng)提供獨(dú)立的供電單元，不僅降低了施工成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且提高了施工效率。太陽能供電模塊示意圖如圖7所示。

圖7 太陽能供電模塊示意圖

2.3 中央處理模塊

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用需求，本系統(tǒng)選擇STM32F407ZGT6單片機(jī)作為中央處理模塊。

2.4 4G無線傳輸模塊

本系統(tǒng)選用移遠(yuǎn)全網(wǎng)通4G模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，4G無線傳輸模塊把中央處理模塊通過串口傳輸過來的施工設(shè)備的相關(guān)工況參數(shù)實(shí)時地傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。4G模塊的應(yīng)用框圖如圖8所示。

圖8 4G模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

3.1 智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)軟件設(shè)計

智能數(shù)據(jù)采集主機(jī)通過配合使用差分GPS模塊、紅外溫度傳感器、振動傳感器、4G無線傳輸模塊等，采集瀝青路面施工過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)并發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和存儲。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括GNSS差分定位信息采集、瀝青路面溫度采集和壓路機(jī)振動數(shù)據(jù)采集三個部分內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.1.2 4G無線傳輸模塊

中央處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和打包處理后通過串口傳輸給4G模塊， 4G無線傳輸模塊通過SIM卡與當(dāng)?shù)匾苿泳W(wǎng)絡(luò)基站中的4G業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，然后通過4G網(wǎng)關(guān)與 Internet 根據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。無線傳輸模塊數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件主要是為用戶提供人機(jī)交互的操作界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)登錄、用戶管理以及各種監(jiān)控參數(shù)的接收、顯示和查詢功能。操作人員通過監(jiān)控軟件查看和處理從施工現(xiàn)場傳來的瀝青路面施工的實(shí)時數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場施工進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收流程如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 測試結(jié)果與分析

4.1 現(xiàn)場設(shè)備安裝

將主機(jī)固定在太陽能電池板下方通過底部的磁性吸盤安裝于施工車輛頂部，如圖12所示為設(shè)備安裝示意圖，將溫度傳感器吸附在車輛靠近瀝青的合適位置，如圖13所示為溫度傳感器安裝示意圖。完成設(shè)備的安裝之后即可對現(xiàn)場施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的采集與傳輸。

圖12 設(shè)備安裝示意圖

圖13 溫度傳感器安裝示意圖

4.2 定位信息

圖14所示為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心顯示的施工現(xiàn)場一臺攤鋪機(jī)的實(shí)時定位信息，包括X、Y坐標(biāo)、經(jīng)緯度、高程、時間和速度信息，圖15為地圖上的經(jīng)緯度定位，驗證了差分定位的精確性，通過對施工車輛的精準(zhǔn)定位，可以記錄施工車輛的運(yùn)行速度和工作軌跡。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，瀝青攤鋪過程中，攤鋪機(jī)必須緩慢、均勻、連續(xù)不間斷地攤鋪，攤鋪速度宜控制在2～6 m/min的范圍內(nèi)，圖14中的速度單位為km/h，經(jīng)換算得到測試數(shù)據(jù)的平均攤鋪速度約為3 m/min且沒有很大的速度變化，符合規(guī)范要求。

圖14 定位信息

圖15 地圖經(jīng)緯度定位

4.3 溫度數(shù)據(jù)采樣

表1和表2分別為瀝青攤鋪和碾壓時校正后的智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備和手持儀表采樣的溫度數(shù)據(jù)記錄表，手持儀表近距離測量瀝青路面的真實(shí)溫度，兩者溫度誤差在±2℃以內(nèi)，符合傳感器精度要求，說明設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時溫度監(jiān)控的功能。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，正常情況下，瀝青混合料攤鋪時的溫度不得低于135℃，碾壓環(huán)節(jié)的溫度一般保持在110～140℃之間，且不低于110℃，符合規(guī)范要求。

表1 攤鋪溫度數(shù)據(jù)

表2 碾壓溫度數(shù)據(jù)

4.4 振動數(shù)據(jù)采樣

采用振動壓路機(jī)碾壓瀝青混合料時，第一遍應(yīng)不振動靜壓，然后先慢后快，由弱振至強(qiáng)振。圖16、圖17、圖18分別是壓路機(jī)怠速、弱振和強(qiáng)振時采樣的振動數(shù)據(jù)示意圖，左圖為時域圖，右圖為傅里葉變換后得到的頻域圖。由圖可知，怠速時的加速度峰峰值約為0.5g，振動頻率接近15 Hz，弱振時的加速度峰峰值約為2.6g，振動頻率接近46 Hz，強(qiáng)振時的加速度峰峰值約為4g，振動頻率接近55 Hz。根據(jù)壓路機(jī)不同工作狀態(tài)下的加速度峰峰值和振動頻率的顯著差異得到壓路機(jī)的實(shí)時工作狀態(tài)，判斷壓路機(jī)是否運(yùn)行在振動狀態(tài)及其振動強(qiáng)度。

圖16 怠速時振動數(shù)據(jù)采樣圖

圖17 弱振時振動數(shù)據(jù)采樣圖

4.5 圖形化顯示

監(jiān)控平臺以圖形化界面直觀清晰地展現(xiàn)瀝青路面的攤鋪碾壓過程，通過輸入所要查詢的車輛及路段信息，即可得到相應(yīng)路段施工過程的實(shí)時動畫展示，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，圖19為查詢信息輸入示意圖。

圖19 查詢信息輸入示意圖

圖20和21分別為攤鋪和碾壓過程的動畫示意圖，記錄并展現(xiàn)瀝青路面的攤鋪碾壓軌跡，監(jiān)控中心也可對已施工路段進(jìn)行回看，結(jié)合路面溫度和壓路機(jī)振動信息，以確保路面施工質(zhì)量。碾壓實(shí)時動畫示意圖中的顏色深淺代表的是路面碾壓次數(shù)的多少，碾壓次數(shù)越多，顏色越深。

圖20 攤鋪過程動畫示意圖

圖21 碾壓過程動畫示意圖

壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)對于瀝青路面質(zhì)量是一個非常重要的工作參數(shù)，瀝青混合料碾壓過程分為初壓、復(fù)壓和終壓三個階段。初壓1～2遍，使混合料得以初步穩(wěn)定，復(fù)壓2～4遍至穩(wěn)定無顯著輪跡為止，終壓1～2遍以消除碾壓過程中產(chǎn)生的輪跡，并確保路面表面的平整。圖22為瀝青路面施工路段實(shí)時碾壓遍數(shù)的效果展現(xiàn)圖，通過不同顏色反映路面的碾壓遍數(shù)多少，直觀清晰，相應(yīng)路段的碾壓遍數(shù)一目了然，施工人員可以及時對碾壓不足的路段進(jìn)行補(bǔ)壓，有效避免漏壓，欠壓和過壓，保證路面的施工質(zhì)量，提高施工效率。

圖22 碾壓遍數(shù)效果展示圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種瀝青路面施工智能監(jiān)控技術(shù)，研發(fā)了一套瀝青路面施工智能監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時采集施工設(shè)備位置信息、瀝青路面溫度和壓路機(jī)振動數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心顯示瀝青路面施工過程中的攤鋪碾壓速度和軌跡、攤鋪碾壓溫度、碾壓振動強(qiáng)度與碾壓遍數(shù)等施工實(shí)況。在施工現(xiàn)場經(jīng)過測試與比對分析，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的實(shí)時顯示與施工實(shí)況相符，驗證了系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效監(jiān)控瀝青路面施工實(shí)況，實(shí)現(xiàn)施工過程的質(zhì)量動態(tài)監(jiān)控并且做到數(shù)據(jù)可追溯，提高瀝青路面施工質(zhì)量和效率。