瀝青混合料攤鋪碾壓信息監(jiān)測的聯(lián)動系統(tǒng)研究

梁葉云 崔培強(qiáng) 田孝武 歐陽奕波

摘要 為了實現(xiàn)攤鋪機(jī)、碾壓機(jī)和服務(wù)器協(xié)同工作，減少低溫環(huán)境瀝青路面施工過程中設(shè)備更換環(huán)節(jié)浪費(fèi)時間，確保在低溫環(huán)境下的有效時間內(nèi)完成攤鋪碾壓，通過在建立施工現(xiàn)場的定位基站，測量壓實機(jī)械的行走軌跡，獲得每個段落樁號的路面材料的壓實遍數(shù)，對施工中存在的薄弱環(huán)節(jié)及時予以反饋。文章結(jié)合室內(nèi)外實驗：在攤鋪碾壓機(jī)上安裝主要設(shè)備及配件，采用智能裝置、無線信號傳輸、大數(shù)據(jù)智能分析、實時監(jiān)測等手段實現(xiàn)設(shè)備智能化協(xié)同運(yùn)行，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測分析指揮碾壓設(shè)備開始協(xié)同工作，確保低溫環(huán)境下碾壓溫度、速度、遍數(shù)達(dá)到預(yù)期值，保證低溫瀝青路面施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 有效時間;協(xié)同運(yùn)行;智能分析;大數(shù)據(jù)

中圖分類號 TP277;U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0001-05

0 引言

在高速公路工程建設(shè)過程中，為滿足項目進(jìn)度的要求通常會延長瀝青混合料的施工季節(jié)，很有可能出現(xiàn)瀝青混合料在低溫環(huán)境下進(jìn)行施工。在瀝青混合料攤鋪碾壓過程中，若環(huán)境溫度過低，攤鋪后瀝青混凝土降溫速率快，攤鋪碾壓過程浪費(fèi)時間會對路面的壓實度產(chǎn)生影響，壓實度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，會造成路面間混料空隙偏大，冬季的雪雨水沿著路面空隙向下方滲透，路基和基礎(chǔ)層的含水量會變大，韌性抗壓強(qiáng)度會降低，由于交通運(yùn)輸車輛負(fù)載的作用，造成路面早期損壞，如路面變形及破壞，行車安全和道路使用壽命受到影響。

熱拌瀝青混合料在低溫環(huán)境下施工過程中，為了有效控制現(xiàn)場壓實時間，膠輪壓實遍數(shù)、鋼輪振動壓實遍數(shù)、總壓實遍數(shù)、壓實溫度等是關(guān)鍵的監(jiān)控指標(biāo)量，將現(xiàn)代計算機(jī)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興的科學(xué)技術(shù)[1-3]與傳統(tǒng)道路工程施工相結(jié)合，采用軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)設(shè)備無縫銜接運(yùn)行，確保有效溫度內(nèi)完成瀝青攤鋪碾壓工作，實現(xiàn)瀝青路面施工質(zhì)量動態(tài)控制，這也是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。為此，項目組在試驗段實施過程中，制定了詳細(xì)的信息化監(jiān)測[4-5]措施。

1 攤鋪碾壓設(shè)備信息化研究

在攤鋪碾壓機(jī)上安裝可伸縮的紅外溫度傳感器、高精度GNSS定位設(shè)備、LED顯示器、車載平板電腦，再配SIM物聯(lián)卡、Wi-Fi無線通信模塊、配套天線及配件，采用智能裝置、無線信號傳輸、大數(shù)據(jù)智能分析、實時監(jiān)測等手段實現(xiàn)設(shè)備智能化協(xié)同運(yùn)行[6-7]，如圖1所示。當(dāng)攤鋪機(jī)攤鋪溫度、速度、面積達(dá)到智能規(guī)定值后，大數(shù)據(jù)中心收集分析數(shù)據(jù)后指揮鋼輪壓路機(jī)、輪胎壓路機(jī)、振動壓路機(jī)開始協(xié)同工作，確保低溫環(huán)境下在規(guī)定的碾壓溫度、速度、遍數(shù)下完成攤鋪碾壓。四套設(shè)備工作無縫對接，比傳統(tǒng)人工測量溫度、數(shù)碾壓變數(shù)、指揮攤鋪碾壓提高了低溫瀝青路面施工效率，確保低溫環(huán)境下在有效攤鋪壓實時間內(nèi)完成全部的攤鋪碾壓工作，確保瀝青路面質(zhì)量。與此同時可查閱任意樁號段落路基工程的攤鋪碾壓質(zhì)量，包括攤鋪碾壓軌跡、攤鋪碾壓遍數(shù)、攤鋪碾壓速度、完成攤鋪碾壓遍數(shù)的時間等信息，客觀評價各標(biāo)段的施工質(zhì)量;利用系統(tǒng)軟件對各段落的攤鋪碾壓質(zhì)量進(jìn)行控制，按照最終產(chǎn)品的理念，科學(xué)客觀地了解低溫路面攤鋪碾壓質(zhì)量，并作階段性的計劃調(diào)整。

2 攤鋪設(shè)備信息化設(shè)計研究

瀝青路面的攤鋪環(huán)節(jié)對于路面施工質(zhì)量影響較大，一是攤鋪溫度的高低決定了路面碾壓的初始溫度狀態(tài);二是攤鋪速度的大小對于攤鋪的夯錘振級引起的路面初始壓實度影響較大。因此，圍繞著瀝青路面攤鋪環(huán)節(jié)的工藝，主要包括攤鋪、速度、溫度、作業(yè)里程等信息的設(shè)計，如圖2、圖3所示。

2.1 瀝青路面攤鋪溫度信息化研究

傳統(tǒng)的瀝青路面攤鋪溫度測量主要通過現(xiàn)場人員手持玻璃溫度計進(jìn)行測量，測量時間長，導(dǎo)致測量的頻率不能滿足實際施工要求。目前，紅外溫度儀因具有使用方便、反應(yīng)速度快、靈敏度高、測溫范圍廣、可實現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地推廣應(yīng)用。

瀝青路面溫度測量采用紅外溫度傳感器進(jìn)行鋪面溫度測量。為同時獲得瀝青路面的攤鋪溫度，以及橫向溫度分布情況，生產(chǎn)加工一型材模具，固定于攤鋪機(jī)踏板處，型材長度與攤鋪機(jī)攤鋪寬度一致，且能隨著攤鋪寬度的變化進(jìn)行伸縮;型材上設(shè)有溫度傳感器安裝孔，安裝孔間隔為10 cm，可進(jìn)行溫度傳感器安裝位置的調(diào)整。共5個溫度傳感器安裝在型材安裝孔中，安裝位置可進(jìn)行調(diào)整，確保安裝位置分別對應(yīng)攤鋪機(jī)的中縫、掛桿、邊緣位置;5個溫度傳感器按照信號轉(zhuǎn)換的次序進(jìn)行編號，如圖4、圖5所示。

2.2 瀝青路面攤鋪速度、里程信息化研究

該研究通過采用厘米級的高精度地理信息的定位設(shè)備，在攤鋪機(jī)械上安裝高精度的定位設(shè)備，獲得攤鋪運(yùn)動痕跡的地理信息，從而實現(xiàn)對瀝青混合料的攤鋪里程、攤鋪速度實時監(jiān)管統(tǒng)計。同時為使測量結(jié)果除了反饋給后場的質(zhì)量管理人員，也及時反饋給現(xiàn)場施工人員，研究過程中開發(fā)了LED屏外掛為載體的實時反饋體系，確?，F(xiàn)場人員第一時間了解攤鋪信息。

2.3 現(xiàn)場設(shè)備配置

混合料攤鋪監(jiān)管現(xiàn)場設(shè)備主要有紅外溫度傳感器、LED顯示屏等。具體設(shè)備如表1所示。

3 碾壓設(shè)備信息化設(shè)計研究

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

瀝青路面壓實的3個參數(shù)為壓實速度、壓實溫度、壓實遍數(shù)，路面的壓實過程中如能很好地控制上述參數(shù)，即可保證路面壓實度。瀝青路面智能壓實需要路面溫度的實時反饋，操作手通過反饋信息控制碾壓速度和碾壓遍數(shù)，指導(dǎo)操作手進(jìn)行施工，而且能夠保證操作手之間的信息互通，避免出現(xiàn)超壓、漏壓，如圖6、圖7所示。

3.2 碾壓速度、碾壓遍數(shù)的研究

國內(nèi)已有部分單位采用GPS、GLONASS等定位系統(tǒng)進(jìn)行攤鋪速度、碾壓速度的測量采集。但一般民用定位精度約在5 m左右。對于瀝青路面施工工藝而言，傳統(tǒng)的定位技術(shù)無法真實測量出攤鋪、壓實的速度信息。該研究借鑒RTK實時動態(tài)控制系統(tǒng)，在瀝青路面施工現(xiàn)場建立定位基準(zhǔn)站，在施工機(jī)具上安裝流動站，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站，實現(xiàn)厘米級的定位，滿足了壓路機(jī)、攤鋪機(jī)的軌跡定位。

（1）根據(jù)設(shè)計圖紙、現(xiàn)場測量，對項目路線進(jìn)行建模。根據(jù)設(shè)計圖紙、項目路線的起終點(diǎn)坐標(biāo)位置，經(jīng)過現(xiàn)場控制點(diǎn)的復(fù)測，建立項目的線形圖，如圖8。

（2）現(xiàn)場架設(shè)定位參考基站，與省測繪部門CORS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)測統(tǒng)一坐標(biāo)。在項目經(jīng)理部或是固定的地方，設(shè)立定位參考基站，為安裝在壓實機(jī)械上的流動站提供差分信號。同時為了保證定位參考基站的坐標(biāo)位置是絕對準(zhǔn)確的，一般需要和省測繪局的CORS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)測，確保坐標(biāo)位置的正確性，如圖9。

（3）現(xiàn)場壓實機(jī)械上安裝定位設(shè)備，與基站采用電臺或GRPS網(wǎng)絡(luò)通信。在現(xiàn)場壓實機(jī)械上安裝高精度定位設(shè)備，該項目所用的GNSS高精度定位設(shè)備為上海華測導(dǎo)航提供，采用北斗二代+GNSS雙三星八頻GNSS板卡，通過定位基站的差分信號，現(xiàn)場定位設(shè)備水平精度達(dá)到（10±0.5×10?6×D）mm，可對現(xiàn)場壓實機(jī)械進(jìn)行速度、遍數(shù)的測量。

（4）現(xiàn)場自組Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機(jī)械之間的通信互聯(lián)、數(shù)據(jù)交換共享。測量結(jié)果不僅反饋給施工管理人員，還需要反饋給現(xiàn)場壓實機(jī)械操作手，而壓實機(jī)械操作手不僅要觀測到單機(jī)的狀態(tài)，更要看到現(xiàn)場機(jī)群的整個作業(yè)數(shù)據(jù)。該項目建立施工機(jī)群的無線Wi-Fi局域網(wǎng)，實現(xiàn)多機(jī)械的測量數(shù)據(jù)共享。在瀝青路面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計中，往往由多個機(jī)械共同完成一個周期，此環(huán)節(jié)需要利用計算機(jī)輔助系統(tǒng)，共享所有采集數(shù)據(jù)，并判斷每個機(jī)械所實施操作到底為第幾遍，為后期根據(jù)壓實度倒推需要碾壓遍數(shù)提供基礎(chǔ)。

（5）壓實溫度測量。通過在壓實機(jī)械上加裝紅外傳感器，進(jìn)行路面溫度的實時測量，并通過定位設(shè)備集成處理位置、溫度的信息，將采集溫度信息附上地理信息。

3.3 現(xiàn)場設(shè)備配置

混合料碾壓監(jiān)管現(xiàn)場設(shè)備主要有GNSS接收機(jī)、MC100主機(jī)等。具體設(shè)備如表2所示。

4 攤鋪碾壓設(shè)備信息化功能

4.1 攤鋪設(shè)備系統(tǒng)實現(xiàn)功能

該研究通過在建施工現(xiàn)場的定位基站，測量壓實機(jī)械的行走軌跡，獲得每個段落樁號的路面材料的壓實遍數(shù)，對施工中存在的薄弱環(huán)節(jié)及時予以反饋。

該研究預(yù)期可實現(xiàn)的效果包括：

（1）工程建設(shè)業(yè)主單位、質(zhì)量管理人員。通過PC電腦遠(yuǎn)程查看每個標(biāo)段工地的施工狀況，包括當(dāng)天施工段落、投入機(jī)械數(shù)量等信息，實現(xiàn)無死角的質(zhì)量巡查;可查閱任意樁號段落路基工程的壓實質(zhì)量，包括壓實遍數(shù)、壓實軌跡、完成壓實遍數(shù)的時間、壓實速度等信息，客觀評價各標(biāo)段的施工質(zhì)量;利用系統(tǒng)軟件對各段落的壓實質(zhì)量進(jìn)行打分，按照最終產(chǎn)品的理念，科學(xué)客觀地了解工程建設(shè)質(zhì)量，并作階段性的計劃調(diào)整。

（2）施工項目管理人員。利用信息系統(tǒng)統(tǒng)計每天的施工段落長度，準(zhǔn)確地進(jìn)行施工進(jìn)度測算;可對單臺施工機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行評價，比如每天碾壓距離、振動狀態(tài)的碾壓距離、開始與結(jié)束的工作時間、怠工時長、單臺機(jī)械出現(xiàn)“漏壓”的概率值等信息，對工程機(jī)械進(jìn)行有效管理，剔除對施工質(zhì)量貢獻(xiàn)較小的單臺設(shè)備，提高管理水平。

（3）壓實機(jī)械操作人員。利用安裝在駕駛室內(nèi)的互聯(lián)反饋系統(tǒng)，讓操作手了解施工段落出現(xiàn)“漏壓、超壓”的具體位置，指導(dǎo)操作手進(jìn)行操作。

4.2 碾壓設(shè)備系統(tǒng)實現(xiàn)功能

該研究設(shè)計了一套瀝青混合料的攤鋪監(jiān)管系統(tǒng)，監(jiān)管的內(nèi)容包括：

（1）實時觀測瀝青攤鋪機(jī)的行走速度，階段的攤鋪里程。

（2）實時觀測瀝青混合料鋪面的溫度，及整個斷面的溫度分布情況。

（3）觀測瀝青混合料攤鋪厚度。

（4）采集數(shù)據(jù)存儲于設(shè)計的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫中，可長期存儲于服務(wù)器。

（5）隨時根據(jù)攤鋪機(jī)編號、樁號等條件，查詢攤鋪?zhàn)鳂I(yè)狀態(tài)，包括攤鋪具體位置、軌跡等信息。

5 結(jié)論

（1）為驗證信息化監(jiān)測的可靠性，項目組成員重點(diǎn)對現(xiàn)場人工檢測的溫度與信息化采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，信息化自動檢測的各環(huán)節(jié)溫度與現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)基本一致，表明在瀝青路面攤鋪碾壓過程中采用信息化監(jiān)測能較好地反映現(xiàn)場實際情況，便于現(xiàn)場施工質(zhì)量控制。

（2）在瀝青混合料攤鋪碾壓過程中采取信息化監(jiān)測措施，有利于施工單位對現(xiàn)場施工質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)控制。

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