公路路面施工监测信息化管理系统研究

余建辉　林荣安++习艳会

0 引言

在公路工程建设中，施工的复杂性和不确定性直接影响着工程的进度和质量，加上各种因素（如设计方法不完善、设计参数不符合实际情况等）的影响，容易造成施工设计不合理。因此，要实现设计的可施工性和在施工中实现设计目标，就必须依据施工现场情况，收集现场施工信息，及时调整设计，解决设计与施工之间的矛盾，使工程项目在保证质量的前提下如期完成。要做到这一点，施工信息化监管非常重要。

公路路面建设监测信息化管理系统是将传感器测试技术、GPS卫星导航技术、无线网络技术、信息技术以及实时差分技术等融合，实现高精度导航定位监控[1]，对正在进行作业的公路路面施工机械的运行状态、位置、施工进度、施工质量控制参数等信息进行监测[2]，并实时将监测数据传输到监控中心进行统计、分析，所得的监控结果可用于指导施工，从而确保施工质量。根据公路路面施工机械作业方式的要求，开发相应的监控管理系统软件，可以更方便地实现施工机械的实时监控，对工程质量进行实时动态管理；通过对施工现场的视频监控，还可提高企业施工管理水平和效率 [3-4]。

1 公路路面施工监测信息化管理系统及原理

公路路面施工监测信息化管理系统由原材料生产测控子系统、搅拌站生产测控子系统、沥青运输测控子系统、摊铺测控子系统、压实测控子系统组成，如图1所示。

公路路面施工质量测控评定与反馈系统各子系统通过先进的无线网络将数据视频采集的信息、视频信号传输到控制中心，进行记录、数据处理与分析、图像监视，实现报警、监视、提出工艺改进方案、管理、评价等功能。其系统结构如图2所示。

1.1 原材料生产测控子系统

原材料生产监控子系统由安装在石灰岩加工厂和玄武岩加工厂以及材料存储厂内的摄像头和3G终端构成，实现对集料生产、使用过程的监控，通过材料加工过程、运输环节、倒运、集料存储量、使用过程的实时视频，对材料来源进行智能监管，防止未准入或不合格料进场、使用废料等违规现象发生，实现对原材料加工工艺流程、人员操作、运输车辆等的监控。

对原料生产厂（碎石厂和改性沥青设备）除了视频监控外，还需要对原材料抽检、试验设备精度和试验员资质进行测控，将沥青材料、碎石材料的试验报告按照原材料参数的标准表录入路面建设信息管理系统，确保原材料的质量。其中碎石材料录入参数应包括级配、强度、含泥量、针片状含量等；沥青材料的录入参数应包括针入度、软化度、延度和含蜡量等。

1.2 搅拌站生产测控子系统

1.2.1 稳定土搅拌站测控系统

骨料和水泥供给的准确性和均匀性是影响稳定土混合料级配的重要因素之一，而骨料和水泥的计量准确性是由对各自计量系统的合理标定来保证的，因而标定就显得尤为重要。稳定土搅拌站安装、调试就位后，必须对骨料电子皮带秤、水泥螺旋秤和水计量流量标定后，才能生产混合料。稳定土搅拌站参数采集系统是用工控机、触摸屏和扩展通讯接口构建硬件，实现与稳定土搅拌站和3G模块的通讯；采集系统软件的构建主要包括搅拌站通讯协议的解析、3G模块通讯、网络命令传输、参数统计分析模块、参数显示模块等功能设计。尽管信息化控制系统服务器中心具备数据管理的功能，但考虑到搅拌站监控系统的特殊性，在工控机上仍然需要构建有针对性的数据管理系统，监控混合料产量、配比、原材料消耗以及设备故障信息等生产数据。

系统通过监控子系统对水泥和沙石等原材料在进料、混合料生产过程等环节进行实时监控，采集到的数据信息和视频数据通过3G无线网络发送至监控中心。监控中心的视频服务器用于存储监控子系统发送的视频数据，数据服务器用于数据信息的存储、分析。用户通过监控中可以浏览、分析生产和施工中的数据信息，通过监控中心的视频服务也可以实时查看生产、施工现场的视频图像。

1.2.2 沥青混凝土搅拌站监控子系统

沥青搅拌站监控子系统由安装在沥青拌和楼控制系统中的3G数据采集系统和3G视频摄像构成，该子系统用于对沥青混合料生产中所使用的集料配比、沥青用量、纤维用量、沥青和集料加热温度、拌和温度、拌和时间和冷料转速等数据的采集和传送；对操作室实施视频监控，实现沥青混合料搅拌站生产质量的实时监控和动态控制，对搅拌区域的工作环境、文明施工等进行全天候的实时监测与监控；同时实现搅拌站逐盘数据采集和分析，以便提供专业的分析数据和图表，发现不合格混合料时及时进行报警提醒。

1.3 沥青运输测控子系统

沥青运输车监控（图3）主要是在沥青运输车上安装卫星定位器和沥青罐液面高度监视器，获取运输车位置、运行轨迹和沥青罐液面高度等信息，以监控沥青运输车的运输状况和罐内沥青的存量，确保沥青运输的安全。

1.4 摊铺测控子系统

摊铺及整平环节的关键技术主要是粒料基层与底基层摊铺，级配料的离析直接影响碾压成型后基层、底基层强度分布的均匀性，整平直接影响基层表面的平整度及基层厚度。摊铺测控子系统如图4所示。摊铺机数据终端采集系统通过安装在摊铺机上的传感器获得摊铺速度、厚度及摊铺温度，通过GPS模块获得经纬度，得到施工点GPS坐标位置，通过摊铺机驾驶室上方的视频采集系统获得摊铺现场实况，实现对施工工艺的监测。摊铺机施工作业GPS轨迹如图5所示；厚度和温度检测系统如图6所示。

1.5 压路机监控信息化管理系统及原理

碾压作为公路沥青路面施工的最后一道工序，直接决定路面质量的好坏。路面平整度是评价路面路用性能的重要指标，而碾压工艺、碾压机械的组合、碾压方法以及操作人员的技术水平等决定着碾压平整度的高低。碾压温度是碾压过程的重要控制因素，碾压温度过高，会产生推拥、波浪、碾压轮后的摊铺层裂纹、平整度难以保证等问题；碾压温度过低，会造成骨料松散，影响路面的结构强度[5-6]。

沥青路面压路机监控系统在压实过程中连续测量压实度、碾压温度和碾压遍数，用三维建模连续记录压实过程，并通过无线传输系统将压实过程中的数据及时上传到中心平台。该系统主要用到压实度传感器、温度传感器、GPS、控制箱以及GPRS （ General Packet Radio Service）无线传输模块，如图7所示。集成了传感器技术、嵌入式系统和计算机技术于一身的新一代随车压实质量控制仪，配备了32位高精度数据转换、三轴一体加速度传感器，以及处理能力强大的嵌入式电脑。它实现了对压实质量和压实速度的实时连续检测，从根本上解决了欠压和过压的问题。endprint

碾压温度数据采集主要通过有可靠稳定性的高精度红外温度传感器来实现，可连续采集碾压温度，并实时记录。

GPS卫星定位系统用于测量压路机的位置、碾压速度，并对碾压遍数进行监测及限速报警。碾压速度数据采集主要采用有可靠稳定性的高精度旋转编码器或者通过高精度的GPS卫星导航数据来实现。

路面压实度数据采集则主要通过安装在压路机钢轮上的振动加速度传感器来实现，但对于采用静压方式工作的压路机来说，目前还无能为力。采用现场比对标定法能够比较满意地解决随机压实传感器对沥青路面振动压实的压实度测定问题。另外，通过监控压路机碾压遍数、碾压温度、碾压速度，将会更好地控制压实效果。控制箱（屏）不断地将采集到的压实度、碾压遍数以及碾压温度数据显示给操作手，来指导其工作。

2 工程应用

钱江通道南接线段（即钱江大道高架高速公路）起于萧山六工段，接过江隧道，往南经萧山江东、临江工业园区，终于杭甬高速公路绍兴齐贤，长27.7 km。其中高架路段长27.2 km，全线设新湾、齐贤2处枢纽，设六工段、党湾、益农3处互通；双向六车道高速公路标准建设，设计速度为100 km·h-1。

对该路段的测试时间为2013年9月至11月，在中交西筑LB5000型沥青搅拌站内安装搅拌站测控系统，包括信息采集系统、视频监控系统、数据图表分析系统等质量测控信息化管理系统，通过测控主机获取搅拌数据，并实时上传数据中心。

在2台ABG7620摊铺机上安装温度、速度、厚度传感器，测控主机安装在驾驶楼，通过3G实时将数据上传到数据中心；在其中1台摊铺机上安装视频监控系统，随时将现场施工视频数据上传后台服务器。

在2台BOMAG203压路机上安装加速度传感器和GPS，实时测量压实度、碾压速度、碾压位置，并上传数据中心。

系统安装使用后，沥青混合料搅拌站测控系统能准确采集骨料、粉料、沥青等材料的投放质量，以及沥青混合料的温度、沥青含量、施工现场摊铺温度、摊铺速度、压路机压实度等重要技术指标，并能将施工数据实时上传到后台服务器。用户可以在任意一台电脑上查看实时的生产数据、混合料温度曲线、沥青含量曲线，还可以查看现场操作情况等。通过采集的数据抽样可以得到以下结论。

（1）沥青混合料温度曲线如图8所示。在2013年10月18日的测试中，平均温度是183.17 ℃，合格率为91.05%（在165 ℃～185 ℃范围内）。

（2）沥青含量如图9所示。平均沥青含量为6.41%，合格率为96.76%。

（3）搅拌站混合料配合比数据监控如图10所示。

（4）压实度如图11所示。2013年10月22日14：55到17：00，平均压实度为97.46%。

（5）碾压速度如图12所示。2013年10月22日14：50到17：00，平均碾压速度为5.15 km·h-1，合格率为100%。

（6）摊铺温度如图13所示。取样时间内摊铺温度的平均值为157.78 ℃，合格率为99.5%。

（7）摊铺速度如图14所示。2013年10月22日14：40到17：00，摊铺速度为2～5 km·h-1，合格率为100%。

（8）摊铺厚度如图15所示。2013年10月22日16：08到17：01，碾压厚度平均值为4.2 cm，合格率为68.09%。

3 结语

公路路面施工监测信息化管理系统用于公路路面工程，可实时监控现场施工机械的作业状况，随时查看各施工路段施工机械的作业报表，及时对施工质量进行远程控制，避免或减少了施工质量不合格带来的返工等问题。监控系统的使用节约了机械管理成本，提高了机械管理效率，同时对提高工程质量和加快工程进度起到了积极的作用，为监理单位和监管职能部门加强过程监控提供了强有力的手段，为整个工程留下永久翔实的真实资料，为工程总结及以后的养护提供可靠保障。

参考文献：

[1] 罗宏俭，黄 闯.基于GPS与3G融合的工程机械监控管理技术研究[J].公路交通科技：应用技术版，2011，77（5）：272-278.

[2] 余建辉，林 通，叶 敏.路面机械的施工信息化监控管理研究[J].筑路机械与施工机械化，2012， 29（1）：78-81.

[3] 强茂山，杨 亮，邓焕彬.高速公路建设项目集成化管理评价体系[J].清华大学学报：自然科学版，2010，50（9）：15-18.

[4] 刘卫军，李占民，文显武.基于GPS的远程监拉系统在工程机械上的应用[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：62-64.

[5] 阎新军，马英学.提高沥青路面压实性能的技术[J].筑路机械与施工机械化，2005，22（3）：50-52.

[6] 容康开.沥青混凝土路面碾压工艺与碾压温度控制[J].山西建筑，2007，33（25）：300-301.endprint