沥青路面施工质量智能监控分析

贵州沥青路面施工混合料的生产质量是决定沥青面层质量的先天因素，是极为关键的质量控制要点。以中国目前普遍实行的原材料检验制度，集料、沥青等原材料质量一般能够得到保证。然而在混合料生产中，施工单位普遍有降低沥青用量和缩短拌合时间的倾向。对拌和楼运行参数进行实时监控，则可以保证沥青混合料质量稳定，对于提升路面质量具有重要的意义。

针对混合料质量监控的目的，需要选择对质量影响最大的关键指标进行监控，而这些指标又不宜选择过多，否则容易增加反馈信息的复杂程度，反而让技术管理人员无所适从。因此，选择了油石比、级配、拌和温度与拌和时间作为监控参数。

对于级配，并没有必要，也没有可能去控制从0.075mm到最大粒径的每一级筛孔通过率，这只能通过室内筛分试验才能计较精确地取得。在实践中，级配可通过热料仓比例反映出来。拌和楼的热仓筛网尺寸设置一般是根据关键筛孔尺寸而定，也就是针对2.36mm、4.75mm、9.5mm这几个关键筛孔来选取筛网。因此，热料仓比例可以等价于关键筛孔的通过率。监控热仓比例，就可以达到监控关键筛孔通过率的目的，从而基本上实现对级配的监控。在实际操作上，越细的料仓的比例对质量影响越大，因此矿粉和1号热仓(0～3mm)的允许波动范围应相对小一些，粗骨料的波动范围则可以允许大一些。

整个混合料生产是在拌和楼系统内封闭进行的，如果设立一套独立的，能够实时、非人工地采集数据的传感装置，将产生很大的操作难度和成本，并且有可能干扰拌和楼本身的传感系统，反而对施工造成更大的不便。因此，对这些关键指标的监控，应当借助于沥青拌合楼本身带有的监测系统。从拌和楼自身的数据库中获取生产参数，就可以实现数据的动态采集并实现进一步的分析、预警操作。

预警使用手机短信通知的形式。根据工程项目的具体情况，将预警分为了3个级别，每个级别通知的人员不同，报警等级越高，则通知到越高管理层级。不同工程项目的预警规则经常是不同的。

贵州沥青路面施工面层碾压监控

监控指标的确定

为了保证路面压实度，需要有足够的碾压设备、适宜的碾压工艺、合格的碾压温度。有一些先进的压路机生产商在压路机上加装了震动传感装置，通过沥青层对压路机震动的反作用来测算压实度。虽然这是一个极好的智能化手段，但许多实践经验表明，不同的集料、混合料类型，以及温度，导致沥青面层对压路机的震动反映极为复杂多样。在未经标定的情况下，压路机预装的压实度测算装置误差达到了20%以上;即便在试验段上进行标定，其误差仍然达到5%以上(况且实际施工中不可能事先对多种不同的压路机进行标定)。这意味着这种对压实度的测算方式基本上没有实际效用。

对此，我们认为只能以间接方式来监控路面碾压质量。也就是说，在混合料生产质量合格的前提下，只要保证了碾压工序的合格性，也就间接保证了碾压质量的合格性。

碾压工艺包括两方面的含义。碾压的遍数要求包括钢轮静压、振压和胶轮碾压的遍数和顺序。碾压温度的要求是指沥青混合料尚具一定温度时完成碾压。这两者都是传统手段不易控制的薄弱环节。

我们设计了结合GPS和远程信息传输技术的硬件方案，分为3个组件:一是GPS定位组件，包括一个固定的GPS基站，以及压路机上安装的GPS定位天线;二是温度与振动监测传感器，分别安装在压路机底部及轮轴上;三是远程数据传输装置，即在压路机厢内安装一个数据收集器和发报天线。

监控数据的预处理

系统硬件完成了第一手数据的采集和传输，而要得出有意义的结果，还需经过必要的预处理，其中最重要的是坐标换算和指标换算。

坐标换算

GPS获取的是压路机所处的大地坐标，而这个数据必须换算为压路机在路面上的具体位置才有意义。因此，以经纬度表示的GPS坐标必须换算为以桩号与横距(即压路机距离道路中央分隔带的距离)表示的路面坐标。一般地，在施工设计文档中提供了道路中心线的桩号与其经纬度坐标的对应表，只要设计文件与压路机GPS采用的是同一个坐标系，就可以通过一些并不复杂的矢量运算完成我们所需的坐标换算。如果设计文档的坐标不可用，也可以在施工之前先用GPS将道路中心线的坐标测定出来，整理为一套可用的桩号与大地坐标的对照表。

数据整合

硬件部分传输回来的初始数据分为4类:压路机位置、振动加速度值、地表温度值、时间。由于数据获取和传输的实时性，坐标、振动加速度和地表温度都通过相应时间联系起来，可计算出描述压路机任意时刻工作状态的物理量。

压路机工作状态的实时监控

在路面碾压作业的同时解算以上物理量，并结合振动及温度数据，就可以对压路机的工作进行实时监控和指导。系统一旦识别出超出允许范围的非正常工作状态，就立即在网页界面上给出警示信息，操作人员可通过对讲机及时与现场施工指挥联系。监控指标有以下几项:

(1)速度监视:压路机的最大行驶速度不应超过施工技术规范的有关规定。(2)变速监视:压路机启动和刹车不能过猛，否则将在地表产生过大的水平推拉力，导致混合料出现拥包。变速监视就是控制压路机行驶加速度不得大于限值。(3)转弯监视:压路机调整碾压路线时拐弯如果过猛，会推挤地面形成弧形拥包和裂口。因此，转弯监视控制了压路机转弯角速度不得大于限值。(4)振动监视:振动监视有两项内容。一是要求压路机速度接近0时，必须处于“无振动”状态。第二，是根据压路机的碾压分工，要求处于初压位置的压路机应开轻振、处于复压位置的钢轮压路机必须开重振、处于终压位置的压路机必须无振动。(5)及时性监视:碾压必须在一定的地面温度之上进行才是有效的。及时性监视就是判断在最低有效温度之上的有效碾压遍数。

系统实现

总体架构

在系统的设计和开发过程中，实用性始终是我们关注的焦点，因为现场工程需要的并非一个试验性的原型，而是需要一个稳定、可靠、易于安装和部署、易于迁移和复制的系统。为此，我们设计了以下的系统总体架构，整个系统分为3层:

(1)采集层。这是最基础的一层，这一层的各个监控模块只负责实时采集数据并上传至数据库。

(2)服务层。这一层直接面对用户，由网页页面和短信预警程序两个部分组成。网页页面负责根据用户的操作指令向下请求数据结果，并把数据按照规定的图表形式展示给用户。短信模块负责不断地向下请求数据校验结果，一旦发现异常数据，就编制短信发送给指定手机。

(3)处理层。这一层是核心的部分，由数据库和中枢逻辑程序两部分组成。中枢程序采用WebService模式，不直接面对用户，而是为服务层提供各种函数接口。当得到服务层的请求时，中枢程序按照指令从数据库获取相关数据，并完成所有分析计算，将结果提交给服务层。这样，这一层的唯一任务就是数据处理和计算。它不需要考虑数据库里的数据是怎么来的(这是采集层的任务)，也不需要考虑计算好的结果如何展示、如何预警(这是服务层的任务)。

在这种构架下，每个模块的任务十分清晰，且最大限度地降低了它们之间的耦合度。在系统维护和改进时，对任何一个模块进行内部优化都不会影响到其他模块和整个系统的正常工作。

当系统复制到一个新的施工项目上时，需要重新架设采集层(把传感器和工控机安装到新的设备上)，并且需要根据新项目的需求来修改服务层(新的预警规则，新的图表形式的要求等)。对于处理层则完全不必改动，因为对任何一个工程项目，所需要的逻辑运算都是一样的。因此，多个项目可以使用同一个数据库和同一个中枢程序。这大大简化了系统的复制和推广。

贵州沥青路面施工数据采集硬件

(1)拌和楼监控设备

我们在标准IPC工控机的基础上进行了改装，加装了内置的3G无线网卡，并安装了专门开发的采集软件。这种机器外形小巧坚固，对震动和粉尘等恶劣环境有很强的耐受力，并能够断电自动重启，特别适合于建筑施工现场的环境。

工控机物理连结到拌和楼控制电脑，自动读取拌和楼实时生产参数，并直接利用3G网络发送至远端服务器。只要有手机信号的地方，都能完成数据传输。

GPS定位组件由固定基站与压路机GPS天线组成。利用GPS差分技术，在施工现场附近安置一个可移动基站，可使压路机实时定位达到分米级的精度，从而基本满足了压路机的定位要求。

GPS接收机安装在压路机顶部，使用压路机自带电源。GPS基站的有效半径是10km。随着路面施工的进行，有时可能需要转移基站位置。通常一个合同段的长度在20km左右，因此只需要移动一次基站。

(2)温度与振动监测组件

碾压温度的监控通过一个非接触式温度传感器实现。传感器安置于压路机底部，距离地面约0.5m。传感器测定的是地表温度，与沥青层内部温度还有差异。可以通过一个经验的关系式来修正温度测值。

振动监测通过安装与压路机振动轮轴上的传感器实现。它实质上是一个加速度传感器，用以区分压路机的强振、弱振和无振动3种状态。

(3)压路机工作状态数据传输组件数据采集装置是安置于驾驶室中的工控机，它实时收集GPS坐标、地表温度和振动加速度等数据，并在预处理之后上传到远程服务器。

后台软件

(1)拌和楼实时监控部分。后台软件采用全网页模式开发。各参建单位拥有不同权限，所允许使用的功能也不尽相同。详细功能项包括:每5min自动刷新一次页面，更新数据，查看每个拌和楼上传的最新详细数据;查看任意时刻的详细数据;统计任意时间段内的总产量与生产合格率;将油石比、热料仓配比、拌和时间、拌和温度、实时产量等主要指标以图形展示出来，直观表达数据波动情况。

(2)碾压实时监控部分。系统将压路机位置和各项物理、几何参数动态地呈现给监控者，用颜色叠加的方式直观显示施工现场的路面碾压情况，颜色越深则碾压遍数越多。通过对图像颜色深度的统计就能反映现场路面各部位的压实遍数情况。

(3)综合统计与分析。施工完成后，监控数据保存在系统中，可以查看路面任意位置的施工质量信息。为了统计局部的详细碾压遍数，系统将任意段落上的路面区域划分为1m×1m的网格，将数据库中保存的压路机行进轨迹数据换算为每个网格的碾压遍数，结合每次碾压时对应的路面温度和振动状态，就得到了网格式的碾压质量统计。

结语

贵州沥青路面施工拌和楼监控系统和现场碾压监控系统涵盖了沥青路面施工的两大主要工序。系统实现了自动采集数据、传输数据，并自动判别质量异常，及时地自动反馈现场。全过程无需人工干预，极大地降低了质量监控工作的成本，并覆盖了100%的面层施工，在现实中具有很高的大规模推广应用的可能性。