瀝青路面施工智能管控體系的設(shè)計(jì)

吳 磊，陳鈺龍

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，裝備智造學(xué)院，廣東 中山 528436；2.中山三生物聯(lián)科技有限公司，產(chǎn)品研發(fā)部，廣東 中山 528437）

0 引言

瀝青路面是高速公路的主要形式，它是用瀝青材料作結(jié)合料粘結(jié)礦料成混合料修筑面層與各類基層和墊層組成的路面結(jié)構(gòu)，它的施工工序?yàn)椋簽r青混合料配合比設(shè)計(jì)——瀝青混合料拌合及運(yùn)輸——瀝青混合料攤鋪——瀝青混合料碾壓。

瀝青路面施工的質(zhì)量會(huì)直接影響到高速公路的質(zhì)量。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在瀝青路面施工質(zhì)量控制方面進(jìn)行了一定的研究，并取得了一些成果。如基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用于寧定高速公路路面施工信息化監(jiān)控過(guò)程中[1]；在云湛高速公路瀝青路面施工中應(yīng)用了公路路面智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)反饋結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面壓實(shí)過(guò)程的質(zhì)量控制[2]；惠清高速公路通過(guò)引入路面監(jiān)控，采用無(wú)核密度儀、激光紋理儀、信息化監(jiān)控技術(shù)、智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)、紅外熱像技術(shù)等開(kāi)展原材料、施工過(guò)程、工后路面滲水狀況等快速無(wú)損的智慧監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用，以保證路面質(zhì)量管理的有效性[3]；長(zhǎng)安大學(xué)研究和開(kāi)發(fā)了瀝青路面碾壓質(zhì)量過(guò)程控制平臺(tái)，指出實(shí)時(shí)路表溫度、壓路機(jī)位置、振動(dòng)加速度等參數(shù)能夠作為瀝青路面碾壓質(zhì)量控制的關(guān)鍵參數(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的路表溫度、壓路機(jī)位置、振動(dòng)加速度等參數(shù)值通過(guò)GPRS 將其傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器，完成處理后返回現(xiàn)場(chǎng)供質(zhì)量監(jiān)視所用[4]；西安科技大學(xué)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)分階段的多點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)有效實(shí)時(shí)的施工質(zhì)量監(jiān)控[5]。與上述文獻(xiàn)不同，本研究主要闡述如何搭建管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路面不同施工層層厚的測(cè)量、鋪料溫度的測(cè)量以及鋪料石頭過(guò)大預(yù)警等功能。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本研究采用搭建系統(tǒng)框架方式（圖1)，整個(gè)系統(tǒng)包括3 個(gè)單元，分別是供電單元、主控單元、采集單元。其中，供電單元：主要負(fù)責(zé)通過(guò)充電適配器獲取電能和通過(guò)太陽(yáng)能獲取太陽(yáng)能為儲(chǔ)能單元充電；主控單元：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理；并提供人機(jī)交互界面，方便數(shù)據(jù)導(dǎo)出和生成報(bào)告；采集單元功能：星光級(jí)高清攝像頭獲取視覺(jué)；激光測(cè)距儀獲取距離信息；紅外測(cè)溫儀獲取溫度信息；陀螺儀獲取相應(yīng)的角度信息。它們?yōu)橹骺刂悄芊治鰡卧峁┍匾臄?shù)據(jù)支撐。硬件拓?fù)浞桨溉鐖D2 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 中，太陽(yáng)能板通過(guò)收集太陽(yáng)能為鋰電池充電，鋰電池同時(shí)通過(guò)電源板為右側(cè)框中的其他硬件提供電能支持。高清攝像頭經(jīng)過(guò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給AI 板卡及路由器板卡，路由器板卡具備4G 或5G 功能，用于遠(yuǎn)程管控；陀螺儀、溫度檢測(cè)儀、距離監(jiān)測(cè)儀等將收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)主控板卡處理后也可以通過(guò)交換機(jī)傳送至路由器，進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。

圖2 硬件拓?fù)鋱D

2 主控單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控單元為電源（圖3）和電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖4），圖4 的部件是可拆卸的模塊座。電源座1 內(nèi)設(shè)有電源PCB 板11，座2 上設(shè)有插頭7，模塊座3 內(nèi)設(shè)有模塊PCB 板31，所有模塊座3 內(nèi)的模塊PCB 板31 串接形成模塊組，模塊組的兩端分別與插頭7 和電源PCB板11 電性連接，電源座1 與插座2 之間設(shè)有將模塊座3 固定在電源座1 與插座2 之間的鎖定裝置4。

圖3 主控單元整體結(jié)構(gòu)

圖4 主控單元分體結(jié)構(gòu)

模塊座3 包括4G 模塊、單片機(jī)模塊、AI 模塊、接口板模塊，疊設(shè)在電源座1 與插座2 之間。電源模塊處理輸入的電源，為硬件盒提供穩(wěn)定的電源保障；4G 模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸和路由功能；單片機(jī)模塊負(fù)責(zé)處理相關(guān)的底層信號(hào)及反饋處理結(jié)果；AI模塊支持訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)、識(shí)別、面部表情分析、物體檢測(cè)、識(shí)別、車牌識(shí)別、聲紋識(shí)別等功能，插座模塊安裝有插頭及開(kāi)關(guān)，所有的外殼通過(guò)螺栓連接固定。

3 機(jī)器識(shí)別原理

3.1 不同施工層層厚的測(cè)量

瀝青路面結(jié)構(gòu)層可由面層、基層、底基層、墊層組成，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，通過(guò)高清攝像頭獲取視頻信息，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，生成計(jì)算機(jī)易于AI 計(jì)算的張量數(shù)據(jù)，通過(guò)AI 模型可以分析出當(dāng)前道路施工層。通過(guò)激光測(cè)距儀快速隨機(jī)獲取多點(diǎn)路面水平數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，獲取路面水平面落差數(shù)據(jù)；通過(guò)厚度幾何計(jì)算模型得出當(dāng)前施工層的厚度，該幾何計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 厚度幾何計(jì)算模型

其檢測(cè)過(guò)程如下：

①通過(guò)紅外測(cè)距儀的紅點(diǎn)定位需要檢測(cè)厚度的精確位置，同時(shí)獲取相機(jī)距離檢測(cè)點(diǎn)的距離H；

②通過(guò)陀螺儀可以計(jì)算攝像頭的傾角θ；通過(guò)陀螺儀檢測(cè)與垂直方向的夾角，與支架是否傾斜無(wú)關(guān)；

③施工后，檢測(cè)到攝像頭距離測(cè)量點(diǎn)的距離l；

④通過(guò)h=L*cosΘ-I*cosθ可以計(jì)算出施工后的厚度；

⑤通過(guò)視覺(jué)識(shí)別當(dāng)前的施工階段；

⑥預(yù)留4G/5G/WiFi 接口，本地生成報(bào)告，方便數(shù)據(jù)移植與拷貝。

3.2 鋪料溫度的測(cè)量

通過(guò)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，控制隨機(jī)檢測(cè)溫度，每分鐘輸出一次檢測(cè)結(jié)果，每分鐘檢測(cè)約60 個(gè)溫度點(diǎn)，這些溫度值經(jīng)處理后，輸出當(dāng)前所在施工層的平均溫度、最大溫度以及最低，并與預(yù)先輸入的閾值進(jìn)行對(duì)比，看是否超過(guò)預(yù)警值。

3.3 鋪料石頭過(guò)大預(yù)警模型

如圖6 所示，通過(guò)測(cè)距儀獲取需要檢測(cè)的黃框區(qū)域最近h和最遠(yuǎn)距離H；經(jīng)過(guò)標(biāo)定的模型可以得出一定大小的目標(biāo)隨著黃框移動(dòng)的大小變化映射模型；通過(guò)AI 算法識(shí)別的石子大小和像素位置；通過(guò)模型映射修訂后，放入預(yù)警模型，預(yù)警模型最終輸出檢測(cè)的結(jié)果。

圖6 鋪料石頭過(guò)大預(yù)警示意

搭建瀝青路面管控系統(tǒng)主要分為硬件、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理。

（1）硬件系統(tǒng)包括3 個(gè)單元，分別是供電單元、主控單元和采集單元；

（2）主控單元包含電源模塊、4G 模塊、單片機(jī)模塊、AI 模塊及接口模塊；

（3）闡述了不同施工層層厚的測(cè)量、鋪料溫度的測(cè)量及鋪料石頭過(guò)大預(yù)警等功能實(shí)現(xiàn)的原理。