基于物联网的智能监控系统在沥青路面施工质量管控中的应用研究

2018-05-03马德林

价值工程 2018年14期

马德林

摘要：道路工程是我国的基础设施建设项目，其中沥青路面具有工艺简单、行车舒适性、经久耐用的优势，因此施工应用普遍，如何提高施工质量，成为从业人员的研究重点。本文首先介绍了我国沥青路面施工质量管控现状，然后分析了基于物联网的智能监控系统的应用，最后结合工程实例进行分析，以供参考。

Abstract： Road and bridge engineering is an infrastructure construction project in China. The asphalt pavement has the advantages of simple technology， comfortable driving and durable， so it is widely used in construction. How to improve the construction quality has become the focus of practitioners. This article first introduces the status quo of quality control and management of asphalt pavement in China， and then analyzes the application of intelligent monitoring system based on the Internet of Things. Finally， it analyzes with engineering examples for reference.

关键词：物联网；智能监控系统；沥青路面；施工质量

Key words： Internet of Things；intelligent monitoring system；asphalt pavement；construction quality

中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0232-03

0 引言

调查数据显示，2016年我国高速公路通车里程达到13万km，位居全球第一，工艺技术处于世界领先水平。与此同时，也要看到施工管理中的不足，成为阻碍道路质量提升的重要因素。随着现代信息技术的进步，物联网已经渗透到各行各业，道路施工也应该抓住发展机遇，推广应用基于物联网的智能监控系统。以下结合沥青路面工程案例，探讨了智能监控系统的应用价值。

1 我国沥青路面施工质量管控现状

我国高速公路建设起步晚，虽然近些年发展迅猛，但是技术储备比较薄弱，因此道路建成后的性能不理想，主要是路面容易破坏。在新建成的道路中，由于交通负荷大、运输量大，发生车辙、泛油、开裂的风险高，因此必须提升质量管控水平。传统施工管理中，存在问题如下：

第一，拌合生产期间，原材料的质量影响因素较多，由于检测样品代表性不具备普遍性，混合料可能会出现级配不稳定、温度不均匀等情况。而且在紧张的工期压力下，夜间施工的工艺技术、防护措施薄弱，直接影响沥青路面的施工质量。

第二，混合料运输期间，没有针对运输车辆进行监管，从成本节约的角度出发，为了满足建设需求，往往采用运输车辆租赁形式。实践证实，沥青混合料在运输过程中，无法对司机进行有效管理，难以保证混合料准时到达现场，甚至改变了混合料的性能标准[1]。

第三，摊铺期间，摊铺速度关系到混合料的摊铺质量，由于无法实时监测摊铺机的运行速度，因此路面各项路用性能得不到很好的保障。以传统的摊铺作业为例，对于摊铺温度的控制不准确，很容易发生温度离析现象，会缩短沥青路面的使用寿命。此外，摊铺机停机待料时疏于管理，随着等待时间的延长，混合料的温度会不断降低，摊铺机的熨平板会出现拉毛现象。

第四，碾压期间，目前采取初压—复压—终压的工作流程，每个工作面会配置2台摊铺机，以及压路机配合施工协助工人等。由于工作面狭小，必须有管理人员现场指挥，否则可能引起安全质量事故。另外，沥青路面属于磨耗层，混合料铺设厚度越薄，温度散失也就越快，因此难以保证压实度，容易出现空隙率大、渗水系数大等问题，在通车运行后极易造成路面损坏。

2 基于物联网的智能监控系统的应用

2.1 系统框架

基于物联网的智能监控系统，是对信息传输技术的整合运用，例如LTE技术、GPRS技术等。在系统组成上，将沥青路面施工中的混合料生产、运输、摊铺、碾压等环节有效整合（如图1），从而动态实时反映出施工信息，为管理控制工作提供依据[2]。

第一，改性沥青生产监控子系统。能监测各种原材料（基质沥青、改性剂和稳定剂等）的数量比例，通过控制加工周期，来保证改性沥青的质量。

第二，混合料拌合监控子系统。通过采集数据，对沥青混合料的拌合进行控制，采集数据包括：①每盘混合料的拌合时间，②热料仓的投放质量，③沥青投放质量，④添加剂的投放质量，⑤沥青和集料的温度，⑥混合料的出厂温度等。

第三，运输作业监控子系统。该子系统主要有三个作用：一是识别沥青混合料的装料顺序，二是识别出料对应的生产时间段，三是识别卸料时摊铺机的具体位置，保证运输过程中的混合料质量。

第四，摊铺作业監控子系统。沥青混合料在摊铺期间，该子系统能收集摊铺温度、摊铺速度、铺面温度分布等信息，从而及时调整摊铺指标，避免留下质量隐患，有效提高摊铺效率。

第五，碾压作业监控子系统。为了控制压实度指标，该子系统能监测压实温度、压实速度、碾压遍数三个参数。以任意桩号段落的工程为例，通过分析压实的轨迹、遍数、速度、温度等数据，能评价施工质量的是否达到设计要求。此外，在驾驶室内配置了反馈装置，能明确指出超压、漏压等问题路段，指导司机开展作业。

2.2 管理功能

第一，生产管理。在沥青混合料拌和站安装管控软件，辅助利用红外测温设备、数据采集系统等，从而实现生产监控，获得材料用量、沥青温度、骨料温度，控制拌合时间、出料时间、出料温度等参数，形成完善的、精确的数据资料，生成关键信息趋势图。例如以每一盘混合料的数据资料为依据，能计算各种材料的用量、比例，通过趋势图显示出材料用量误差。系统对比理论数据、实际数据后，判断是否超出规定范围，并根据误差大小发出预警，将预警短信发送至监控平台上，提醒管理人员及时调整。

第二，施工管理。分别在摊铺机、压路机上安装环境监测设备、红外测温设备、GPS设备等，能得到机械位置、施工速度、混合料温度、现场温度湿度、风力风向等，并将这些数据传输至监控系统的服务器上[3]。管理人员通过管控平台，即可了解机械设备的位置变化，能及时查看工作环境的变化，针对摊铺速度、碾压速度进行控制，出现异常情况即可发出警报。以温度控制为例，系统利用机械上的测温设备，能对混合料温度进行全程监控，包括出料、摊铺、初压、复压、终压温度等，并且将路面温度显示在监控平台上，一旦超出温度标准要求就分级报警。此外，现场环境的风速、温度、湿度等要素，也能在平台上显示，方便管理人员对现象施工进行调控。

第三，统计分析。智能监控系统的应用，可以对施工进度、安全预警、日产量、总产量等进行统计。具体到沥青路面施工中，生产数据包括沥青型号、数量、施工路段、长度、厚度等指标，通过比较材料的设计用量和实际用量，得到两者的误差值，为施工计划和进度的调整提供依据[4]。此外，分析各种数据和预警情况，然后结合费用单价，即可核算混合料的成本。

第四，登录查询。对智能监控系统设置不同级别的权限，能为不同级别的用户提供内容查询，将其作为绩效考核的依据。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

以我国某高速公路为例，线路全长为60km，按照双向四车道设计，时速为120km/h。本次研究选取其中1个标段，探讨了智能监控系统在沥青路面施工管理中的应用。其中，系统硬件安装设备见表1。对于采集到的监测数据，处理前首先进行校核，以红外测温传感器为例，精度影响因素多，现场安装完成后，利用水银温度计进行校核，分析校核曲线，确保满足精度要求[5]。

3.2 施工管控方法

在原料生产上，目前改性沥青应用普遍，因此安装改性沥青监控系统，针对材料比例、沥青加工温度等进行控制，获得改性剂和基质沥青的用量比例，生成相应的曲线图。举例来说，如果发育温度、溶胀温度之间的差距较大，则说明生产期间改性沥青的发育环境有明显波动，应该进一步检验成品沥青的性能指标。

在混合料拌合上，监控系统获取热料仓投放质量、沥青质量、添加剂质量、油石比等数据信息，然后按照服务程序的格式要求进行处理，利用GPRS技术传输至远程服务器，针对质量波动进行预警，并将预警信息发送给管理人员。以级配设计指标为例，9.5-16mm筛孔通过率的曲线离散性大，说明热料仓10-15mm规格的设定用量、实际用量波动程度明显[6]。

在运输作业上，利用RFID技术对沥青混合料的运输全程进行监控，可以实现车辆的定位、识别等功能。例如：摊铺时的开始桩号、结束桩号距离短，说明结构层厚较大；沥青混合料的出场时间、开始摊铺时间间隔较长，说明拌和站和施工现场的距离远，应该制定最优运输路线。

在摊铺作业上，GNSS定位板卡的应用，识别精度达到厘米级；RTK技术的应用，能获得摊铺运动痕迹的地理信息，实现摊铺速度、里程的监管统计。此外，红外温度传感器的使用，可以对摊铺温度、铺面均匀性进行控制，了解混合料是否发生离析。而LED屏作为反馈体系，实现了施工可视化，便于施工人员获得摊铺信息，调整施工作业。

在碾压作业上，定位流动站能提供位置差分信号，结合WIFI网络，将压路机的数据传输至监控系统，用来引导施工作业。具体应用时，一方面能查看现场施工状况，包括机械数量、碾压次数、超压漏压等情况；另一方面可以查看任何路段的压实质量，查询碾压温度、碾压速度信息，为质量评价提供依据。

3.3 管控成果分析

在质量层面，将沥青路面分为上面层、下面层、上基层三个部分，经数据的采集、统计、处理，最后进行质量评分，结果表明得分为97.5分、98.4分、94.2分，满足质量控制目标。在效益层面，该监控系统的应用，实现了管理的信息化，获得的施工数据为维修管理提供了支持，不仅延长了路面使用寿命，而且节约了养护成本，因此经济效益显著。