方 磊， 郭 斌,， 郑永军， 张向宇
(1. 中国计量大学，浙江 杭州 310018; 2. 杭州沃镭智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)
沥青路面凭借其平整性、防水性、耐久性和便于维护等优势，成为国内外高等级路面浇筑的主要选择[1]。我国在大面积铺筑沥青路面的过程中，由于技术储备有所欠缺，又普遍追求施工进度而忽略了施工质量，导致很多路面在质量方面不过关，在短期内就出现裂缝、坑槽等路面病害，造成了经济损失，更影响了交通安全[2]。沥青混合料的摊铺和碾压作为路面施工中关键的一部分，其作业质量对路面的使用性能有着非常重要的影响，有必要对摊铺压实过程的施工质量进行严格的控制，从而保证路面施工的质量[3]。由于施工现场情况复杂，施工人员很难严格按照沥青路面施工工艺要求对路面进行摊铺和碾压，现场监督管理人员也可能疏忽不规范的施工，以致路面质量存在问题[4]。因此，随着科技的进步和发展，将数字化智能监控技术应用于沥青路面施工是大势所趋，本文所研究的沥青路面施工智能监控技术能有效提升摊铺和碾压质量，提高施工效率[5]。
本文所涉及的沥青路面施工包括沥青的摊铺和碾压，在实际施工过程中，一般采用一摊铺两碾压的机群工作方式，即一辆摊铺机和两辆压路机配合工作[6]，系统总体架构如图1所示。定位基站通过433M电台将定位数据传输至安装在摊铺机和压路机车顶的智能数据采集主机进行差分定位，主机与远程监控中心通过4G无线网络进行通信[7]。摊铺机和压路机上安装的主机差异在于压路机上的主机增设了一个振动采集模块，智能数据采集主机结构设计如图2所示。智能数据采集主机由太阳能供电模块进行供电，降低了施工成本。差分定位模块、温度采集模块和振动采集模块主要完成施工参数的数据采集和传输，将实时采集到的施工车辆位置、沥青路面摊铺碾压温度和压路机振动信息传输至中央处理模块进行打包，等待发送[8]。4G无线传输模块通过4G网络将系统采集的施工数据实时发送给远程监控中心。远程监控中心需要连接到Internet，打开远程服务器上的监控平台，完成实时施工信息的接收、显示、保存等操作，对施工现场进行远程监控和管理，保证沥青路面施工质量和效率[9]。
图1 系统总体架构图
图2 智能数据采集主机结构示意图
沥青路面施工智能监控系统的硬件设计主要是智能数据采集主机部分的设计，主机硬件总体架构如图3所示。太阳能供电模块给整个系统供电，数据采集模块采集施工数据传输给中央处理模块，中央处理模块将数据解析打包后通过串口传输给4G无线传输模块，再发送给远程监控中心[10]。
图3 系统硬件总体架构图
2.1 数据采集模块
2.1.1 差分定位模块
本系统使用的定位基站通过基站天线收敛确定自身定位，将基站位置信息通过无线数传电台传输给主机的定位模块进行差分定位，定位模块将差分定位后的数据通过串口发送给主控芯片进行数据解析，得到移动端精确的定位信息[11]。差分定位模块电路如图4所示。
图4 差分定位模块电路图
2.1.2 温度传感器模块
本系统选用MLX系列红外传感器对沥青表面温度进行非接触测量，测温范围为-20～300 ℃，且具有300 ms的快速响应，适用于沥青路面施工现场。温度传感器和主机通过CAN总线进行数据传输[12]。温度传感器模块电路如图5所示。
图5 温度传感器模块电路图
2.1.3 振动传感器模块
压路机的振动数据使用MPU6050加速度传感器获取，传感器集成在主机电路板上，数据通过I2C通信传输至中央处理模块[13]。对振动传感器采集到的振动数据经过处理，能够根据车辆熄火、怠速、弱振、强振等状态振动信号的不同来判断压路机实时的工作状态。振动传感器模块电路图如图6所示。
图6 振动传感器模块电路图
2.2 太阳能供电模块
沥青路面施工会尽量避开雨水、低温、大风等不利施工天气，通常情况下于晴朗天气施工，太阳能供电模块可充分利用太阳能为系统提供独立的供电单元，不仅降低了施工成本，经济实惠，而且提高了施工效率。太阳能供电模块示意图如图7所示。
图7 太阳能供电模块示意图
2.3 中央处理模块
根据监控系统的开发应用需求，本系统选择STM32F407ZGT6单片机作为中央处理模块。
2.4 4G无线传输模块
本系统选用移远全网通4G模块来实现数据传输，4G无线传输模块把中央处理模块通过串口传输过来的施工设备的相关工况参数实时地传送给远程监控中心。4G模块的应用框图如图8所示。
图8 4G模块框图
3.1 智能数据采集主机软件设计
智能数据采集主机通过配合使用差分GPS模块、红外温度传感器、振动传感器、4G无线传输模块等，采集沥青路面施工过程中的实时数据并发送到远程监控中心，实现沥青路面施工数据的实时监测和存储。
3.1.1 数据采集
数据采集模块主要包括GNSS差分定位信息采集、沥青路面温度采集和压路机振动数据采集三个部分内容。数据采集流程如图9所示。
图9 数据采集流程图
3.1.2 4G无线传输模块
中央处理模块对采集到的数据进行解析和打包处理后通过串口传输给4G模块， 4G无线传输模块通过SIM卡与当地移动网络基站中的4G业务节点进行无线通信，然后通过4G网关与 Internet 根据传输协议进行数据的传输。无线传输模块数据发送流程如图10所示。
图10 数据发送流程图
3.2 远程监控中心
本系统的监控软件主要是为用户提供人机交互的操作界面，实现系统登录、用户管理以及各种监控参数的接收、显示和查询功能。操作人员通过监控软件查看和处理从施工现场传来的沥青路面施工的实时数据，对现场施工进行远程监控。远程监控中心数据接收流程如图11所示。
图11 数据接收流程图
4.1 现场设备安装
将主机固定在太阳能电池板下方通过底部的磁性吸盘安装于施工车辆顶部，如图12所示为设备安装示意图，将温度传感器吸附在车辆靠近沥青的合适位置，如图13所示为温度传感器安装示意图。完成设备的安装之后即可对现场施工参数进行实时的采集与传输。
图12 设备安装示意图
图13 温度传感器安装示意图
4.2 定位信息
图14所示为远程监控中心显示的施工现场一台摊铺机的实时定位信息，包括X、Y坐标、经纬度、高程、时间和速度信息，图15为地图上的经纬度定位，验证了差分定位的精确性，通过对施工车辆的精准定位，可以记录施工车辆的运行速度和工作轨迹。根据《公路沥青路面施工技术规范》的规定，沥青摊铺过程中，摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，摊铺速度宜控制在2～6 m/min的范围内，图14中的速度单位为km/h，经换算得到测试数据的平均摊铺速度约为3 m/min且没有很大的速度变化，符合规范要求。
图14 定位信息
图15 地图经纬度定位
4.3 温度数据采样
表1和表2分别为沥青摊铺和碾压时校正后的智能数据采集设备和手持仪表采样的温度数据记录表，手持仪表近距离测量沥青路面的真实温度，两者温度误差在±2℃以内，符合传感器精度要求，说明设备能够实现实时温度监控的功能。根据《公路沥青路面施工技术规范》的规定，正常情况下，沥青混合料摊铺时的温度不得低于135℃，碾压环节的温度一般保持在110～140℃之间，且不低于110℃，符合规范要求。
表1 摊铺温度数据
表2 碾压温度数据
4.4 振动数据采样
采用振动压路机碾压沥青混合料时，第一遍应不振动静压，然后先慢后快，由弱振至强振。图16、图17、图18分别是压路机怠速、弱振和强振时采样的振动数据示意图，左图为时域图，右图为傅里叶变换后得到的频域图。由图可知，怠速时的加速度峰峰值约为0.5g，振动频率接近15 Hz，弱振时的加速度峰峰值约为2.6g，振动频率接近46 Hz，强振时的加速度峰峰值约为4g，振动频率接近55 Hz。根据压路机不同工作状态下的加速度峰峰值和振动频率的显著差异得到压路机的实时工作状态，判断压路机是否运行在振动状态及其振动强度。
图16 怠速时振动数据采样图
图17 弱振时振动数据采样图
4.5 图形化显示
监控平台以图形化界面直观清晰地展现沥青路面的摊铺碾压过程，通过输入所要查询的车辆及路段信息，即可得到相应路段施工过程的实时动画展示，实现可视化监控，图19为查询信息输入示意图。
图19 查询信息输入示意图
图20和21分别为摊铺和碾压过程的动画示意图，记录并展现沥青路面的摊铺碾压轨迹，监控中心也可对已施工路段进行回看，结合路面温度和压路机振动信息，以确保路面施工质量。碾压实时动画示意图中的颜色深浅代表的是路面碾压次数的多少，碾压次数越多，颜色越深。
图20 摊铺过程动画示意图
图21 碾压过程动画示意图
压路机的碾压遍数对于沥青路面质量是一个非常重要的工作参数，沥青混合料碾压过程分为初压、复压和终压三个阶段。初压1～2遍，使混合料得以初步稳定，复压2～4遍至稳定无显著轮迹为止，终压1～2遍以消除碾压过程中产生的轮迹，并确保路面表面的平整。图22为沥青路面施工路段实时碾压遍数的效果展现图，通过不同颜色反映路面的碾压遍数多少，直观清晰，相应路段的碾压遍数一目了然，施工人员可以及时对碾压不足的路段进行补压，有效避免漏压，欠压和过压，保证路面的施工质量，提高施工效率。
图22 碾压遍数效果展示图
本文提出了一种沥青路面施工智能监控技术，研发了一套沥青路面施工智能监控设备，实时采集施工设备位置信息、沥青路面温度和压路机振动数据，在远程监控中心显示沥青路面施工过程中的摊铺碾压速度和轨迹、摊铺碾压温度、碾压振动强度与碾压遍数等施工实况。在施工现场经过测试与比对分析，远程监控中心的实时显示与施工实况相符，验证了系统测得的数据的准确性，测试结果表明，该系统能有效监控沥青路面施工实况，实现施工过程的质量动态监控并且做到数据可追溯，提高沥青路面施工质量和效率。
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