公路路面施工監測信息化管理系統研究

余建輝　林榮安++習艷會

0 引言

在公路工程建設中，施工的復雜性和不確定性直接影響著工程的進度和質量，加上各種因素（如設計方法不完善、設計參數不符合實際情況等）的影響，容易造成施工設計不合理。因此，要實現設計的可施工性和在施工中實現設計目標，就必須依據施工現場情況，收集現場施工信息，及時調整設計，解決設計與施工之間的矛盾，使工程項目在保證質量的前提下如期完成。要做到這一點，施工信息化監管非常重要。

公路路面建設監測信息化管理系統是將傳感器測試技術、GPS衛星導航技術、無線網絡技術、信息技術以及實時差分技術等融合，實現高精度導航定位監控[1]，對正在進行作業的公路路面施工機械的運行狀態、位置、施工進度、施工質量控制參數等信息進行監測[2]，并實時將監測數據傳輸到監控中心進行統計、分析，所得的監控結果可用于指導施工，從而確保施工質量。根據公路路面施工機械作業方式的要求，開發相應的監控管理系統軟件，可以更方便地實現施工機械的實時監控，對工程質量進行實時動態管理；通過對施工現場的視頻監控，還可提高企業施工管理水平和效率 [3-4]。

1 公路路面施工監測信息化管理系統及原理

公路路面施工監測信息化管理系統由原材料生產測控子系統、攪拌站生產測控子系統、瀝青運輸測控子系統、攤鋪測控子系統、壓實測控子系統組成，如圖1所示。

公路路面施工質量測控評定與反饋系統各子系統通過先進的無線網絡將數據視頻采集的信息、視頻信號傳輸到控制中心，進行記錄、數據處理與分析、圖像監視，實現報警、監視、提出工藝改進方案、管理、評價等功能。其系統結構如圖2所示。

1.1 原材料生產測控子系統

原材料生產監控子系統由安裝在石灰巖加工廠和玄武巖加工廠以及材料存儲廠內的攝像頭和3G終端構成，實現對集料生產、使用過程的監控，通過材料加工過程、運輸環節、倒運、集料存儲量、使用過程的實時視頻，對材料來源進行智能監管，防止未準入或不合格料進場、使用廢料等違規現象發生，實現對原材料加工工藝流程、人員操作、運輸車輛等的監控。

對原料生產廠（碎石廠和改性瀝青設備）除了視頻監控外，還需要對原材料抽檢、試驗設備精度和試驗員資質進行測控，將瀝青材料、碎石材料的試驗報告按照原材料參數的標準表錄入路面建設信息管理系統，確保原材料的質量。其中碎石材料錄入參數應包括級配、強度、含泥量、針片狀含量等；瀝青材料的錄入參數應包括針入度、軟化度、延度和含蠟量等。

1.2 攪拌站生產測控子系統

1.2.1 穩定土攪拌站測控系統

骨料和水泥供給的準確性和均勻性是影響穩定土混合料級配的重要因素之一，而骨料和水泥的計量準確性是由對各自計量系統的合理標定來保證的，因而標定就顯得尤為重要。穩定土攪拌站安裝、調試就位后，必須對骨料電子皮帶秤、水泥螺旋秤和水計量流量標定后，才能生產混合料。穩定土攪拌站參數采集系統是用工控機、觸摸屏和擴展通訊接口構建硬件，實現與穩定土攪拌站和3G模塊的通訊；采集系統軟件的構建主要包括攪拌站通訊協議的解析、3G模塊通訊、網絡命令傳輸、參數統計分析模塊、參數顯示模塊等功能設計。盡管信息化控制系統服務器中心具備數據管理的功能，但考慮到攪拌站監控系統的特殊性，在工控機上仍然需要構建有針對性的數據管理系統，監控混合料產量、配比、原材料消耗以及設備故障信息等生產數據。

系統通過監控子系統對水泥和沙石等原材料在進料、混合料生產過程等環節進行實時監控，采集到的數據信息和視頻數據通過3G無線網絡發送至監控中心。監控中心的視頻服務器用于存儲監控子系統發送的視頻數據，數據服務器用于數據信息的存儲、分析。用戶通過監控中可以瀏覽、分析生產和施工中的數據信息，通過監控中心的視頻服務也可以實時查看生產、施工現場的視頻圖像。

1.2.2 瀝青混凝土攪拌站監控子系統

瀝青攪拌站監控子系統由安裝在瀝青拌和樓控制系統中的3G數據采集系統和3G視頻攝像構成，該子系統用于對瀝青混合料生產中所使用的集料配比、瀝青用量、纖維用量、瀝青和集料加熱溫度、拌和溫度、拌和時間和冷料轉速等數據的采集和傳送；對操作室實施視頻監控，實現瀝青混合料攪拌站生產質量的實時監控和動態控制，對攪拌區域的工作環境、文明施工等進行全天候的實時監測與監控；同時實現攪拌站逐盤數據采集和分析，以便提供專業的分析數據和圖表，發現不合格混合料時及時進行報警提醒。

1.3 瀝青運輸測控子系統

瀝青運輸車監控（圖3）主要是在瀝青運輸車上安裝衛星定位器和瀝青罐液面高度監視器，獲取運輸車位置、運行軌跡和瀝青罐液面高度等信息，以監控瀝青運輸車的運輸狀況和罐內瀝青的存量，確保瀝青運輸的安全。

1.4 攤鋪測控子系統

攤鋪及整平環節的關鍵技術主要是粒料基層與底基層攤鋪，級配料的離析直接影響碾壓成型后基層、底基層強度分布的均勻性，整平直接影響基層表面的平整度及基層厚度。攤鋪測控子系統如圖4所示。攤鋪機數據終端采集系統通過安裝在攤鋪機上的傳感器獲得攤鋪速度、厚度及攤鋪溫度，通過GPS模塊獲得經緯度，得到施工點GPS坐標位置，通過攤鋪機駕駛室上方的視頻采集系統獲得攤鋪現場實況，實現對施工工藝的監測。攤鋪機施工作業GPS軌跡如圖5所示；厚度和溫度檢測系統如圖6所示。

1.5 壓路機監控信息化管理系統及原理

碾壓作為公路瀝青路面施工的最后一道工序，直接決定路面質量的好壞。路面平整度是評價路面路用性能的重要指標，而碾壓工藝、碾壓機械的組合、碾壓方法以及操作人員的技術水平等決定著碾壓平整度的高低。碾壓溫度是碾壓過程的重要控制因素，碾壓溫度過高，會產生推擁、波浪、碾壓輪后的攤鋪層裂紋、平整度難以保證等問題；碾壓溫度過低，會造成骨料松散，影響路面的結構強度[5-6]。

瀝青路面壓路機監控系統在壓實過程中連續測量壓實度、碾壓溫度和碾壓遍數，用三維建模連續記錄壓實過程，并通過無線傳輸系統將壓實過程中的數據及時上傳到中心平臺。該系統主要用到壓實度傳感器、溫度傳感器、GPS、控制箱以及GPRS （ General Packet Radio Service）無線傳輸模塊，如圖7所示。集成了傳感器技術、嵌入式系統和計算機技術于一身的新一代隨車壓實質量控制儀，配備了32位高精度數據轉換、三軸一體加速度傳感器，以及處理能力強大的嵌入式電腦。它實現了對壓實質量和壓實速度的實時連續檢測，從根本上解決了欠壓和過壓的問題。endprint

碾壓溫度數據采集主要通過有可靠穩定性的高精度紅外溫度傳感器來實現，可連續采集碾壓溫度，并實時記錄。

GPS衛星定位系統用于測量壓路機的位置、碾壓速度，并對碾壓遍數進行監測及限速報警。碾壓速度數據采集主要采用有可靠穩定性的高精度旋轉編碼器或者通過高精度的GPS衛星導航數據來實現。

路面壓實度數據采集則主要通過安裝在壓路機鋼輪上的振動加速度傳感器來實現，但對于采用靜壓方式工作的壓路機來說，目前還無能為力。采用現場比對標定法能夠比較滿意地解決隨機壓實傳感器對瀝青路面振動壓實的壓實度測定問題。另外，通過監控壓路機碾壓遍數、碾壓溫度、碾壓速度，將會更好地控制壓實效果。控制箱（屏）不斷地將采集到的壓實度、碾壓遍數以及碾壓溫度數據顯示給操作手，來指導其工作。

2 工程應用

錢江通道南接線段（即錢江大道高架高速公路）起于蕭山六工段，接過江隧道，往南經蕭山江東、臨江工業園區，終于杭甬高速公路紹興齊賢，長27.7 km。其中高架路段長27.2 km，全線設新灣、齊賢2處樞紐，設六工段、黨灣、益農3處互通；雙向六車道高速公路標準建設，設計速度為100 km·h-1。

對該路段的測試時間為2013年9月至11月，在中交西筑LB5000型瀝青攪拌站內安裝攪拌站測控系統，包括信息采集系統、視頻監控系統、數據圖表分析系統等質量測控信息化管理系統，通過測控主機獲取攪拌數據，并實時上傳數據中心。

在2臺ABG7620攤鋪機上安裝溫度、速度、厚度傳感器，測控主機安裝在駕駛樓，通過3G實時將數據上傳到數據中心；在其中1臺攤鋪機上安裝視頻監控系統，隨時將現場施工視頻數據上傳后臺服務器。

在2臺BOMAG203壓路機上安裝加速度傳感器和GPS，實時測量壓實度、碾壓速度、碾壓位置，并上傳數據中心。

系統安裝使用后，瀝青混合料攪拌站測控系統能準確采集骨料、粉料、瀝青等材料的投放質量，以及瀝青混合料的溫度、瀝青含量、施工現場攤鋪溫度、攤鋪速度、壓路機壓實度等重要技術指標，并能將施工數據實時上傳到后臺服務器。用戶可以在任意一臺電腦上查看實時的生產數據、混合料溫度曲線、瀝青含量曲線，還可以查看現場操作情況等。通過采集的數據抽樣可以得到以下結論。

（1）瀝青混合料溫度曲線如圖8所示。在2013年10月18日的測試中，平均溫度是183.17 ℃，合格率為91.05%（在165 ℃～185 ℃范圍內）。

（2）瀝青含量如圖9所示。平均瀝青含量為6.41%，合格率為96.76%。

（3）攪拌站混合料配合比數據監控如圖10所示。

（4）壓實度如圖11所示。2013年10月22日14：55到17：00，平均壓實度為97.46%。

（5）碾壓速度如圖12所示。2013年10月22日14：50到17：00，平均碾壓速度為5.15 km·h-1，合格率為100%。

（6）攤鋪溫度如圖13所示。取樣時間內攤鋪溫度的平均值為157.78 ℃，合格率為99.5%。

（7）攤鋪速度如圖14所示。2013年10月22日14：40到17：00，攤鋪速度為2～5 km·h-1，合格率為100%。

（8）攤鋪厚度如圖15所示。2013年10月22日16：08到17：01，碾壓厚度平均值為4.2 cm，合格率為68.09%。

3 結語

公路路面施工監測信息化管理系統用于公路路面工程，可實時監控現場施工機械的作業狀況，隨時查看各施工路段施工機械的作業報表，及時對施工質量進行遠程控制，避免或減少了施工質量不合格帶來的返工等問題。監控系統的使用節約了機械管理成本，提高了機械管理效率，同時對提高工程質量和加快工程進度起到了積極的作用，為監理單位和監管職能部門加強過程監控提供了強有力的手段，為整個工程留下永久翔實的真實資料，為工程總結及以后的養護提供可靠保障。

參考文獻：

[1] 羅宏儉，黃 闖.基于GPS與3G融合的工程機械監控管理技術研究[J].公路交通科技：應用技術版，2011，77（5）：272-278.

[2] 余建輝，林 通，葉 敏.路面機械的施工信息化監控管理研究[J].筑路機械與施工機械化，2012， 29（1）：78-81.

[3] 強茂山，楊 亮，鄧煥彬.高速公路建設項目集成化管理評價體系[J].清華大學學報：自然科學版，2010，50（9）：15-18.

[4] 劉衛軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠程監拉系統在工程機械上的應用[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（6）：62-64.

[5] 閻新軍，馬英學.提高瀝青路面壓實性能的技術[J].筑路機械與施工機械化，2005，22（3）：50-52.

[6] 容康開.瀝青混凝土路面碾壓工藝與碾壓溫度控制[J].山西建筑，2007，33（25）：300-301.endprint