瀝青路面施工智能監控技術研究

方 磊， 郭 斌,， 鄭永軍， 張向宇

(1. 中國計量大學，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、耐久性和便于維護等優勢，成為國內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，由于技術儲備有所欠缺，又普遍追求施工進度而忽略了施工質量，導致很多路面在質量方面不過關，在短期內就出現裂縫、坑槽等路面病害，造成了經濟損失，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鍵的一部分，其作業質量對路面的使用性能有著非常重要的影響，有必要對攤鋪壓實過程的施工質量進行嚴格的控制，從而保證路面施工的質量[3]。由于施工現場情況復雜，施工人員很難嚴格按照瀝青路面施工工藝要求對路面進行攤鋪和碾壓，現場監督管理人員也可能疏忽不規范的施工，以致路面質量存在問題[4]。因此，隨著科技的進步和發展，將數字化智能監控技術應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控技術能有效提升攤鋪和碾壓質量，提高施工效率[5]。

1 系統總體設計

本文所涉及的瀝青路面施工包括瀝青的攤鋪和碾壓，在實際施工過程中，一般采用一攤鋪兩碾壓的機群工作方式，即一輛攤鋪機和兩輛壓路機配合工作[6]，系統總體架構如圖1所示。定位基站通過433M電臺將定位數據傳輸至安裝在攤鋪機和壓路機車頂的智能數據采集主機進行差分定位，主機與遠程監控中心通過4G無線網絡進行通信[7]。攤鋪機和壓路機上安裝的主機差異在于壓路機上的主機增設了一個振動采集模塊，智能數據采集主機結構設計如圖2所示。智能數據采集主機由太陽能供電模塊進行供電，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的數據采集和傳輸，將實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振動信息傳輸至中央處理模塊進行打包，等待發送[8]。4G無線傳輸模塊通過4G網絡將系統采集的施工數據實時發送給遠程監控中心。遠程監控中心需要連接到Internet，打開遠程服務器上的監控平臺，完成實時施工信息的接收、顯示、保存等操作，對施工現場進行遠程監控和管理，保證瀝青路面施工質量和效率[9]。

圖1 系統總體架構圖

圖2 智能數據采集主機結構示意圖

2 智能數據采集主機硬件模塊設計

瀝青路面施工智能監控系統的硬件設計主要是智能數據采集主機部分的設計，主機硬件總體架構如圖3所示。太陽能供電模塊給整個系統供電，數據采集模塊采集施工數據傳輸給中央處理模塊，中央處理模塊將數據解析打包后通過串口傳輸給4G無線傳輸模塊，再發送給遠程監控中心[10]。

圖3 系統硬件總體架構圖

2.1 數據采集模塊

2.1.1 差分定位模塊

本系統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傳電臺傳輸給主機的定位模塊進行差分定位，定位模塊將差分定位后的數據通過串口發送給主控芯片進行數據解析，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

本系統選用MLX系列紅外傳感器對瀝青表面溫度進行非接觸測量，測溫范圍為-20～300 ℃，且具有300 ms的快速響應，適用于瀝青路面施工現場。溫度傳感器和主機通過CAN總線進行數據傳輸[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

壓路機的振動數據使用MPU6050加速度傳感器獲取，傳感器集成在主機電路板上，數據通過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據經過處理，能夠根據車輛熄火、怠速、弱振、強振等狀態振動信號的不同來判斷壓路機實時的工作狀態。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提供獨立的供電單元，不僅降低了施工成本，經濟實惠，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

根據監控系統的開發應用需求，本系統選擇STM32F407ZGT6單片機作為中央處理模塊。

2.4 4G無線傳輸模塊

本系統選用移遠全網通4G模塊來實現數據傳輸，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備的相關工況參數實時地傳送給遠程監控中心。4G模塊的應用框圖如圖8所示。

圖8 4G模塊框圖

3 系統軟件模塊設計

3.1 智能數據采集主機軟件設計

智能數據采集主機通過配合使用差分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時數據并發送到遠程監控中心，實現瀝青路面施工數據的實時監測和存儲。

3.1.1 數據采集

數據采集模塊主要包括GNSS差分定位信息采集、瀝青路面溫度采集和壓路機振動數據采集三個部分內容。數據采集流程如圖9所示。

圖9 數據采集流程圖

3.1.2 4G無線傳輸模塊

中央處理模塊對采集到的數據進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卡與當地移動網絡基站中的4G業務節點進行無線通信，然后通過4G網關與 Internet 根據傳輸協議進行數據的傳輸。無線傳輸模塊數據發送流程如圖10所示。

圖10 數據發送流程圖

3.2 遠程監控中心

本系統的監控軟件主要是為用戶提供人機交互的操作界面，實現系統登錄、用戶管理以及各種監控參數的接收、顯示和查詢功能。操作人員通過監控軟件查看和處理從施工現場傳來的瀝青路面施工的實時數據，對現場施工進行遠程監控。遠程監控中心數據接收流程如圖11所示。

圖11 數據接收流程圖

4 測試結果與分析

4.1 現場設備安裝

將主機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。完成設備的安裝之后即可對現場施工參數進行實時的采集與傳輸。

圖12 設備安裝示意圖

圖13 溫度傳感器安裝示意圖

4.2 定位信息

圖14所示為遠程監控中心顯示的施工現場一臺攤鋪機的實時定位信息，包括X、Y坐標、經緯度、高程、時間和速度信息，圖15為地圖上的經緯度定位，驗證了差分定位的精確性，通過對施工車輛的精準定位，可以記錄施工車輛的運行速度和工作軌跡。根據《公路瀝青路面施工技術規范》的規定，瀝青攤鋪過程中，攤鋪機必須緩慢、均勻、連續不間斷地攤鋪，攤鋪速度宜控制在2～6 m/min的范圍內，圖14中的速度單位為km/h，經換算得到測試數據的平均攤鋪速度約為3 m/min且沒有很大的速度變化，符合規范要求。

圖14 定位信息

圖15 地圖經緯度定位

4.3 溫度數據采樣

表1和表2分別為瀝青攤鋪和碾壓時校正后的智能數據采集設備和手持儀表采樣的溫度數據記錄表，手持儀表近距離測量瀝青路面的真實溫度，兩者溫度誤差在±2℃以內，符合傳感器精度要求，說明設備能夠實現實時溫度監控的功能。根據《公路瀝青路面施工技術規范》的規定，正常情況下，瀝青混合料攤鋪時的溫度不得低于135℃，碾壓環節的溫度一般保持在110～140℃之間，且不低于110℃，符合規范要求。

表1 攤鋪溫度數據

表2 碾壓溫度數據

4.4 振動數據采樣

采用振動壓路機碾壓瀝青混合料時，第一遍應不振動靜壓，然后先慢后快，由弱振至強振。圖16、圖17、圖18分別是壓路機怠速、弱振和強振時采樣的振動數據示意圖，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，強振時的加速度峰峰值約為4g，振動頻率接近55 Hz。根據壓路機不同工作狀態下的加速度峰峰值和振動頻率的顯著差異得到壓路機的實時工作狀態，判斷壓路機是否運行在振動狀態及其振動強度。

圖16 怠速時振動數據采樣圖

圖17 弱振時振動數據采樣圖

4.5 圖形化顯示

監控平臺以圖形化界面直觀清晰地展現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，即可得到相應路段施工過程的實時動畫展示，實現可視化監控，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，記錄并展現瀝青路面的攤鋪碾壓軌跡，監控中心也可對已施工路段進行回看，結合路面溫度和壓路機振動信息，以確保路面施工質量。碾壓實時動畫示意圖中的顏色深淺代表的是路面碾壓次數的多少，碾壓次數越多，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

壓路機的碾壓遍數對于瀝青路面質量是一個非常重要的工作參數，瀝青混合料碾壓過程分為初壓、復壓和終壓三個階段。初壓1～2遍，使混合料得以初步穩定，復壓2～4遍至穩定無顯著輪跡為止，終壓1～2遍以消除碾壓過程中產生的輪跡，并確保路面表面的平整。圖22為瀝青路面施工路段實時碾壓遍數的效果展現圖，通過不同顏色反映路面的碾壓遍數多少，直觀清晰，相應路段的碾壓遍數一目了然，施工人員可以及時對碾壓不足的路段進行補壓，有效避免漏壓，欠壓和過壓，保證路面的施工質量，提高施工效率。

圖22 碾壓遍數效果展示圖

5 結束語

本文提出了一種瀝青路面施工智能監控技術，研發了一套瀝青路面施工智能監控設備，實時采集施工設備位置信息、瀝青路面溫度和壓路機振動數據，在遠程監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、碾壓振動強度與碾壓遍數等施工實況。在施工現場經過測試與比對分析，遠程監控中心的實時顯示與施工實況相符，驗證了系統測得的數據的準確性，測試結果表明，該系統能有效監控瀝青路面施工實況，實現施工過程的質量動態監控并且做到數據可追溯，提高瀝青路面施工質量和效率。