基于物聯(lián)網(wǎng)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實儀的研究

摘 要為順應(yīng)當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展趨勢，也為廠家及施工單位及監(jiān)理單位等試驗室相關(guān)管理部門提供大數(shù)據(jù)服務(wù)，本文就馬歇爾重型擊實儀作簡單介紹、對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)與馬歇爾重型擊實儀結(jié)合帶來的好處、系統(tǒng)架構(gòu)、電路研究、軟件設(shè)計需求等幾個方面做了一定的闡述，本文對現(xiàn)有馬歇爾重型擊實儀的研究增加了相關(guān)的數(shù)據(jù)通信電路，提出了一套新的試驗室管理模式即全實時數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，為設(shè)備云的數(shù)據(jù)鏈路的暢通提供技術(shù)保障，也可以為公路試驗室系統(tǒng)研究的相關(guān)工作者帶來一定的創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 云與大數(shù)據(jù) 重型 馬歇爾 擊實儀 設(shè)備云 數(shù)據(jù)采集 抗干擾 瀝青混合料 公路工程 工地 現(xiàn)場

1 目前現(xiàn)有馬歇爾重型擊實儀的簡單介紹

馬歇爾試驗是公路工程中必備的基礎(chǔ)測試項目，對于施工單位需要知道碎石與瀝青混合配比是否達(dá)到國家鋪路材料的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)理單位也需要知道施工單位鋪路的材料是否合格，故馬歇爾試驗的測試數(shù)據(jù)直接影響修路的合格與否，其中制備試件的儀器設(shè)備就有小馬歇爾擊實儀和大馬歇爾擊實儀，大馬歇爾擊實儀也稱為馬歇爾重型擊實儀。

馬歇爾重型擊實儀是實現(xiàn)大馬歇爾試驗試件制備的必備設(shè)備，是在傳統(tǒng)手工設(shè)備的基礎(chǔ)上采用電機驅(qū)動，通過鏈條及齒輪等機械裝置把一定重量的重錘提高到一定的高度，對試模內(nèi)瀝青混合料進(jìn)行擊實，按標(biāo)準(zhǔn)75（或112）錘，對熱拌瀝青混合料擊實成型的過程。擊實儀分兩部分，第一部分是機械部分、第二部分是電路部分。機械部分主要是支架、卡具、電機、鏈條傳動、重錘。電路部分有電氣儀表外殼箱體、傳感器（霍爾傳感器、機械式開關(guān)）、電路板、交流接觸器、變壓器等?，F(xiàn)有的馬歇爾重型擊實儀只有試件制備功能，沒有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，也不支持云服務(wù)功能更不支持大數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)與馬歇爾重型擊實儀結(jié)合帶來的好處

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前的科技發(fā)展的趨勢，是目前乃至十年內(nèi)的各行業(yè)大力發(fā)展的推行的技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)現(xiàn)場龐大數(shù)據(jù)的采集，通過云服務(wù)可以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲及分享及計算分析，真正突破信息孤島，把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)及設(shè)備自身的狀況等信息實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)廠家、施工單位、監(jiān)理單位等數(shù)據(jù)需求部門跟單位全天候的數(shù)據(jù)服務(wù)。真正實現(xiàn)公路試驗設(shè)備的云服務(wù)，為實現(xiàn)全實時試驗室數(shù)據(jù)管理提供了技術(shù)手段和方法。

我們知道數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可溯源性是試驗相關(guān)部門非常關(guān)注的，在實際工作中，好多數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)錯誤、紕漏或作假，人為故意的可能性也有，有的是操作人員疏忽大意，或不小心，或不注意沒有按流程做，擊實次數(shù)不到要求的次數(shù)，或溫度等條件不滿足。也有設(shè)備本身的問題，例如恒溫設(shè)備溫度誤差大，擊實儀設(shè)備自身問題導(dǎo)致計數(shù)不準(zhǔn)確、甚至漏錘等。

如果有了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云跟大數(shù)據(jù)技術(shù)，我們可以跟蹤每一批次的試件制備的時間，制備的條件，制備的工作人員，設(shè)備的狀況，設(shè)備的廠家情況，設(shè)備的維修情況等都及時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，當(dāng)有試驗人員需要做測試的時候，測試的數(shù)據(jù)與試件制備的數(shù)據(jù)可以串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)試驗室的全生態(tài)鏈的數(shù)據(jù)服務(wù)，真正實現(xiàn)實驗室全實時數(shù)據(jù)服務(wù)，杜絕試驗室作假，及時記錄現(xiàn)場情況，可以重現(xiàn)現(xiàn)場情況，記錄所有的細(xì)節(jié)為各個部門提供真實的過程數(shù)據(jù)。還可以把過程用視頻攝像記錄存儲下來，作為試驗室數(shù)據(jù)采集的配套，可以隨時重現(xiàn)試驗室過程，發(fā)現(xiàn)問題時，可以現(xiàn)場重現(xiàn)。

大數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容有：

（1）廠家型號等信息收集，可以分析不同廠家不同型號的性能好壞，提供給用戶以后采購決策服務(wù)；

（2）資產(chǎn)管理部門可以隨時掌握設(shè)備的總數(shù)量及可用設(shè)備及不可用設(shè)備等信息；

（3）資產(chǎn)管理部門也可以知道的設(shè)備的運行空置情況，好掌握設(shè)備的運行總時間等信息，為維保提供依據(jù)；

（4）工地試驗室及監(jiān)理公司可以看到試件是什么試驗室制備的，制備人是誰，有效試件是多少；

（5）可以知道不同人制備的試件成功測試數(shù)據(jù)的試件是多少；

（6）不同人的效率及成品率。

（7）廠家可以分析了解同一型號產(chǎn)品在不同區(qū)域的運行情況，可以為廠家提供全國同一區(qū)域和不同區(qū)域產(chǎn)品使用情況的對比；

（8）廠家可以分析不同型號的產(chǎn)品在同一地區(qū)的運行情況，保養(yǎng)維修情況，可以為設(shè)備提前安排相關(guān)保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐，保養(yǎng)的提前通知，設(shè)備檢修準(zhǔn)備提前通知等；

（9）廠家可以適時了解設(shè)備的故障率，為售后備品備件等提前作好準(zhǔn)備，也為廠家的產(chǎn)品改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐；

（10）廠家還可以通過大數(shù)據(jù)分析了解不同用戶的設(shè)備保養(yǎng)情況、使用情況、壞損率、做出市場銷售的決策，不同客戶采用不同的銷售策略。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實儀的系統(tǒng)架構(gòu)

馬歇爾重型擊實儀的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)包括四個層次：

第一層傳感器層：試驗室的單體設(shè)備的計數(shù)傳感器、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻頭，手機等，采集的數(shù)據(jù)包括實驗室位置、試件制備的批號、工作人員的姓名、制備的數(shù)量、設(shè)備運行的開始時間及結(jié)束時間、保養(yǎng)時間、保養(yǎng)項目、保養(yǎng)人、維修時間、維修人、維修問題等；

第二層數(shù)據(jù)鏈路層：無線泛在網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、光纖或其他的有線網(wǎng)絡(luò)；

第三層數(shù)據(jù)中心：云中心的核心就是數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心具有存儲、計算分析功能，云中心不是普通意義的數(shù)據(jù)中心是基于虛擬化的云管平臺或基于容器技術(shù)的云平臺，這樣的平臺是彈性可擴展的；

第四層應(yīng)用服務(wù)層：SASS平臺軟件提供給監(jiān)理公司、施工單位、設(shè)備廠商提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實儀的電路研究

電路部分包括：電源部分、CPU數(shù)據(jù)采集、鍵盤輸入、顯示強電控制及通信電路部分。

4.1 電源部分包括AC-DC、直流降壓及穩(wěn)壓部分

電源部分主要考慮CPU部分供電與控制部分的電路的地的隔離，需要多組電源供電，CPU控制部分電路與強電部分采用光電隔離器件使強電控制部分的干擾不易影響CPU電路。GPRS等通信部分也單獨供電。

4.2 CPU數(shù)據(jù)采集

CPU的選型可以采用工藝比較穩(wěn)定的AT89C51，這款CPU在國內(nèi)流行比較久，抗干擾強。數(shù)據(jù)采集部分應(yīng)該考慮信號的防抖動及抗干擾等問題。數(shù)據(jù)采集還應(yīng)考慮工地現(xiàn)場掉電的數(shù)據(jù)實時保存問題。

4.3 鍵盤輸入

鍵盤輸入是標(biāo)準(zhǔn)電路，采用CPU掃描模式識別鍵盤的實際按下具體的某一個鍵。

4.4 顯示

由于系統(tǒng)不是很復(fù)雜可以采用LED顯示，也可以采用液晶顯示，在工地很多工作人員更喜歡LED顯示，直觀簡單。液晶顯示太復(fù)雜，操作不便。

4.5 強電控制

CPU的I/O口可以通過光電隔離器件保證強電控制部分的地與CPU弱電的地的很好隔離。CPU的I/O口的驅(qū)動能力是控制穩(wěn)定的關(guān)鍵，同時考慮CPU復(fù)位的間隙CPU的I/O口狀態(tài)對強電控制的失控。

4.6 通信電路

通信電路應(yīng)該考慮GPS位置信息，GPRS通信接口，網(wǎng)絡(luò)通信接口。這樣就可以實現(xiàn)設(shè)備的云化服務(wù)。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實儀的軟件設(shè)計需求

5.1 重型擊實儀基于AT89C51單片機的軟件設(shè)計

（1）軟件必須考慮設(shè)備啟動時的控制初始化，避免誤動作；

（2）軟件要考慮系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)保存功能；

（3）顯示位碼設(shè)計成三位，顯示的內(nèi)容考慮開機時如果讀出的誤碼要初始化為0；動態(tài)顯示的掃描時間要大于30貞每秒，否則有不穩(wěn)定的閃爍；

（4）數(shù)據(jù)采集時對輸入信號的防抖動軟件處理；

（5）可以與GPS模塊串口通信，可以通過串口與GPRS模塊通信。

5.2 云服務(wù)SASS服務(wù)軟件的內(nèi)容

5.2.1 APP軟件

APP軟件可以支持工地工程師、試驗室管理人員、工程施工管理人員、監(jiān)理單位管理人員、設(shè)備廠家維修人員及管理人員、需要數(shù)據(jù)的第三方等使用，手機APP軟件提供移動辦公的可能，對設(shè)備的設(shè)置及數(shù)據(jù)跟蹤查詢都能夠很方便的完成；

5.2.2 客戶端軟件

功能類似APP軟件，可以完成手機APP的功能。

5.2.3 服務(wù)器端軟件

通過數(shù)據(jù)的采集整理，通過大量的計算分析可以提供客戶端及手機APP端的相關(guān)服務(wù)，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)孤島壁壘打破，極大的節(jié)約了資源，提高了效率，數(shù)據(jù)中心運維人員可以很容易的控制數(shù)據(jù)的流向及數(shù)據(jù)服務(wù)的對象。

6 總結(jié)

現(xiàn)有的馬歇爾重型擊實儀僅僅具備自動制備試件的功能，沒有數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)皆频墓δ埽荒軌蛱峁└嗟臄?shù)據(jù)共享及提供管理部門相應(yīng)的管理功能，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實儀試驗室系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，傳輸，存儲計算分析，共享，大數(shù)據(jù)服務(wù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)全實時數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)溯源，對設(shè)備的工作狀況及提前維修等提供信息服務(wù)，是貼合目前公路試驗室數(shù)據(jù)全生命周期服務(wù)的理念。為施工單位，監(jiān)理單位，廠家及管理機構(gòu)等，提供非常貼心的服務(wù)。是科技改變未來的真實實踐。目前公路試驗室管理還沒有類似的系統(tǒng)，這是交通行業(yè)的創(chuàng)新，從簡單的儀器設(shè)備系統(tǒng)，折射出交通行業(yè)的試驗室管理系統(tǒng)的新需求，本文的提出的物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備云化及大數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用于公路交通試驗室管理的思維是非常前沿的創(chuàng)新，為試驗過程數(shù)字化，數(shù)據(jù)全生命周期的監(jiān)控提供實現(xiàn)的方法，能夠為交通公路試驗室管理的跨越式發(fā)展提供非常高的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JTG E20—2011）T0702-2011瀝青混合料試件制作方法（擊實法），2011.

[2]張陽華.基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（17）.

作者介紹

歐陽睿騏，女，15歲，北京市人，北京市海淀區(qū)海淀實驗中學(xué)高二錢學(xué)森班理工科班學(xué)生，從小酷愛計算機軟件及單片機硬件相關(guān)知識，本文是小作者在學(xué)習(xí)了解馬歇爾重型擊實儀的時候突發(fā)奇想，把現(xiàn)有設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合碰撞出創(chuàng)新的火花，靈感乍現(xiàn)寫了這篇文章并在專業(yè)老師的指導(dǎo)下準(zhǔn)備付諸行動設(shè)計相關(guān)電路及軟件。

作者單位

海淀實驗學(xué)校高二錢學(xué)森班 北京市 100089