智能路面弯沉检测系统的设计与研究

陈显龙,万 勇,裴向宇

(1.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;2.北京恒华伟业科技股份有限公司,北京 100120)

智能路面弯沉检测系统的设计与研究

陈显龙1,万 勇1,裴向宇2

(1.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;2.北京恒华伟业科技股份有限公司,北京 100120)

将 3G通信技术、GPS技术、落锤式弯沉仪路面检测技术相结合,实现了路面弯沉的快速检测和定位,同时对路面检测的各种数据进行实时动态管理与分析研究,构成路面智能弯沉检测系统。通过该系统的研究与设计,可为将来建立集路面弯沉、车辙和平整度等多种路面数据于一体的路面质量综合评价系统打下基础,从而真正实现多数据源的智能路面检测系统,为道路科学养护提供智能分析与应用。

落锤式弯沉仪;GPS;3G通信技术;路面巡检;GIS

一、引 言

弯沉反应了路面整体强度质量,是优化路面结构设计、路面施工验收和制定科学的路面养护方案的重要指标。随着我国公路养护数字化建设的推进,传统的贝克曼梁式弯沉仪检测速度慢、效率低,已无法满足当前大规模的路网建设和养护的需要。

落锤式弯沉仪 (falling weight deflectometer,F WD)是一种路面弯沉无损检测设备,它能较好地模拟行车过程中路面的真实受力情况,由计算机自动采集数据,测试速度快、精度高。落锤式弯沉仪不仅可以获得测点的最大弯沉信息,还可以获取弯沉盆信息。它已逐步成为世界各国道路检测的热门仪器。目前围绕落锤式弯沉仪的研究主要有:①利用检测的弯沉反算路面各层材料的模量,分析路面各层结构的应力变化情况,为路面结构设计提供设计参数;②评价路面整体强度,为道路养护管理提供科学依据;③不仅用于半刚性、柔性路面的检测,还可以用于水泥混凝土路面接缝传力效果、路面板体脱空判断。

智能路面弯沉检测系统将 3G、GPS、GIS、落锤式弯沉检测技术相结合,实现了弯沉数据的快速采集和定位以及对检测数据的实时管理和分析,为将来建立集路面弯沉、车辙和平整度等于一体的路面质量综合评价系统提供了数据源。

二、系统的总体架构

1.系统组成

智能路面弯沉检测系统由车载终端、通信链路、控制中心服务器和路面巡检 GIS等组成。车载终端由落锤式车载弯沉仪、运载车、GPS接收机和计算机系统组成,主要负责弯沉数据和坐标数据的测量和处理;3G通信链路负责车载终端与控制中心信息的实时交互;控制中心服务器是在总控制中心与互联网和路面巡检 GIS服务器相连接的计算机服务器。

车载弯沉仪采用 CFWD-10T车载式落锤弯沉仪,运载车采用全顺 15座商务改装车辆,GPS接收机采用 Trimble双频双星接收机,无线通信模块采用的是 3G无线网络及终端,车载计算机采用研华嵌入式触摸平板电脑。系统的总体结构如图 1所示。

图1 系统总体结构

2.工作原理

在运载车辆行驶过程中,GPS测量系统获取车辆实时位置信息和速度信息,通过串口发送到车载计算机系统上。车载计算机系统通过无线通信模块将接收到的坐标信息和速度信息发送到网络服务器上。由控制中心服务器将车辆实时坐标信息和速度信息发送给路面巡检 GIS,实现对检测车辆运行状态的实时监控。

到达测点后,做好测试准备,操作员操作弯沉仪进行弯沉测量,弯沉仪将位移传感器、力传感器和温度传感器采集到的最大弯沉、冲击力和温度等数据传送给计算机,同时计算机读取 GPS测量到的位置信息、速度信息。每个测点测试三次以上,计算机对检测到的数据进行运算处理,将原始检测数据和处理后的数据存入车载终端数据库备份,同时通过 3G通信网络将检测数据发送到控制中心服务器上。控制中心服务器将测点的弯沉数据、位置数据和其他信息写入控制中心数据库,并在路面巡检GIS中进行实时展现。

3.设备的安装

(1)计算机

计算机通过支架固定在运载车内部的操作台上,由车上蓄电池进行供电。

(2)弯沉仪

弯沉仪安装在运载车的后方,并与平板工控电脑相连,由车上蓄电池进行供电。

(3)GPS接收机

GPS接收机固定在操作台下方。接收机的天线由吸盘固定在汽车车顶部,天线相位中心位于弯沉仪落锤中心轴线上。天线与接收机通过一根电缆线相连。

(4)3G模块

3G模块与车载工控计算机相连,实时传输弯沉、位置等信息。

三、系统的软件设计

智能路面弯沉检测系统采用 C/S的架构设计,整体上可分为车载客户端模块和服务器端模块两部分。

1.车载客户端模块

车载客户端模块负责弯沉采集和处理,检测车行驶速度和测点位置的测量和处理,检测数据的存储、检索和生产报表,客户端与服务器的通信等功能。车载客户端模块由客户端网络通信模块、弯沉业务模块、GPS业务模块、坐标转换模块、数据库管理模块、报表模块以及日志管理等模块组成(见图 2)。

1)客户端网络通信模块:负责客户端与服务器通信链接的建立和维护,数据协议解析和重组。客户端网络通信模块将检测到的位置、道路代码、速度、弯沉等信息打包后发送给服务器。

图2 车载客户端模块

2)弯沉业务模块:负责弯沉参数设置、弯沉仪控制和监测、弯沉数据读取和处理。它将弯沉仪测量参数和指令发送给弯沉仪,接收和处理弯沉仪发送给计算机的状态数据和弯沉数据。

3)GPS业务模块:GPS接收机通过串口输出NMEA-0813标准 GPS定位语句(GGA语句)和地面速率语句(VTG语句),客户端通过解析串口的 GGA语句和VTG语句获取检测车瞬时的位置和速度。

4)坐标转换模块:将 GPS测量到的WGS-84坐标转换为地方坐标系坐标。

5)数据库管理模块:负责弯沉数据和坐标数据的存储、查询和维护。

6)报表模块:提供检测数据的查询、显示、生成报表和打印报表等功能。

7)日志管理模块:负责建立和维护系统工作日志。

2.服务器端模块

服务器端模块主要功能是维护和管理服务器与车载客户端和路面巡检 GIS的通信,接收、解析和存储车载客户端发送的数据,将接收到的数据重组打包发送给路面巡检 GIS。服务器端模块由服务器端网络通信模块、协议解析与合成模块、数据库管理模块、报表模块以及日志管理等模块组成(见图 3)。

图3 服务器端模块

1)服务器端网络通信模块:负责建立和维护服务器与客户端以及服务器与路面巡检 GIS的通信,数据接收和发送,传输数据协议的解析和重组。

2)数据库管理模块:负责服务器上弯沉数据和坐标数据的存储、查询和维护。

3)报表模块:该模块与车载客户端的功能一样,提供检测数据的查询、生成报表和打印报表等功能。

4)日志管理模块:负责服务器工作日志的维护和管理。

3.数据库设计

智能路面弯沉检测系统采用现成的数据库。车载客户端通过应用程序接口层和数据库管理层建立与数据库服务器的查询、更新,并将查询结果和错误消息传送回应用层。车载客户端各业务模块,即弯沉采集模块、GPS模块、报表生成模块和网络通信模块通过应用程序接口给数据库管理程序发送更新或查询请求,数据库管理程序受到请求后,解析 SQL语句,生成存取计划,控制并发操作,将查询结果传送回应用程序。

服务器端的网络数据接收程序协调客户端的通信请求,为每个客户端请求建立合法通信渠道,同时管理多种客户请求线程。数据库管理程序则处理每个客户的数据请求,解析 SQL语句,生成存取计划,控制并发操作,保障数据安全。数据库模型如图4所示。

图4 数据库模型

四、结束语

智能路面弯沉检测系统通过 GPS获取测点的坐标、位置信息,减少了测试员工作量,提高了弯沉检测的效率。而且通过路面巡检 GIS对检测车辆进行统一的监控和调度,以及弯沉数据的实时展示等应用,为将来建立集路面弯沉、车辙和平整度于一体的路面质量综合评价系统的建立提供了数据源。此外还能自动对弯沉数据进行处理,生成弯沉检测报告。

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Intelligent PavementDeflection Detection System:Design and Development

CHEN Xianlong,WAN Yong,PEIXiangyu

0494-0911(2010)07-0027-03

P208

B

2010-06-07

陈显龙(1976—),男,湖北随州人,硕士生,主要从事 3S技术在智能电网、智能交通领域的应用与系统集成研究。