基于GPS/LoRa智能压实管控系统设计及应用研究

王静伟, 姜 华, 周跃峰

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

压实作业广泛应用于公路、水利水电等基础工程建设，压实度是压实质量判定重要参数，也是工程质量的重要指标之一。目前压路机作业过程主要依靠操作人员依据工作经验进行作业，压实过程中容易出现漏压、欠压、过压及压实不均匀等现象。完工后，多采用钻芯抽样有损检测，对压实路面的密实度进行检测，存在检测周期长、检测结果不能真实全面地反映全路段压实质量等现实问题。部分路段即使存在压实质量问题，也存在返工难且易造成资源浪费等问题。针对当前工程建设压实作业所存在的问题，提出了一种能对压实作业过程进行实时监测且有效指导压实作业的新型动态智能压实系统。本设计依据压实作业管理的实际应用问题，采用高精度GPS、LoRa/WIFI无线通信技术，结合红外传感技术，实现压路机作业过程实时数据采集、压实遍数统计、压实区域统计及作业质量的评估。近年来北斗定位技术及高精度GPS、GIS、传感器、4G等技术成熟及覆盖率提升，为本设计研究及应用奠定技术及应用基础，为适应工程施工压实现场需要，本设计采用双模式GPS对碾压过程作业的压路机进行高精度实时动态定位，采用LoRa技术实现压路机之间组网，支持多台压路机的协同作业，LoRa技术具备远距离、大容量通信，抗干扰性能好，扩展传感网络方便，支持多信道多数据速率的并行处理，支持测距和定位，适用于压实作业等野外特殊应用环境。

1 总体设计

本设计主要包含压实数据信息采集层、压实数据传输层及应用层3个工作层，系统总体设计如图1所示，其中压实数据信息采集层主要包括压实温度传感器、压实度传感器、振动传感器、RTK接收器、天线、声像预警装置、本地服务端、本地显示终端，以工业级高性能ARM32作为核心处理器，实现各模块数据汇总、本地分析展示，可用于压路机运动状态更新、压实遍数及压实质量评估等。采用实时动态定位控制系统、压实传感监测技术、红外温度传感技术，通过本地显示终端上应用软件实时处理获取的压路机实时精确位置信息及姿态信息，以图形、数值、声音等多种形式显示压实过程碾压次数(碾压遍数)、压实度测量值(CMV)、碾压温度、碾压速度、碾压行进方向等信息，正确指导操作人员合理进行压实作业。

压实数据传输层主要包括LoRa/Wi-Fi数据组网、4G数据远程传输等，用于各压路机之间的数据共享及监测数据有效远程传输等。

应用层主要包括应用服务、数据服务、动态预警服务及管控云服务平台访问等。以地图(GIS)为背景，采用计算机图形和数值动态展示压路机作业信息，管理人员可通过条件查询压实作业线路轨迹及作业回放、基础信息查询、压实质量合格率、不合格及合格区域图形等操作，有效提升管理者对施工机械作业信息的统筹管理，实现质量的过程化控制管理，提高质量问题源头的可查性等。

图1 系统设计总结构图Figure 1 Systems design summary composition

2 系统组成

本设计智能压实管控系统主要分为智能压实控制系统(压路本地端)和智能压实管理系统(应用服务端)两部分设计，压路本地端(施工现场压路机)主要以部署在压路机上压实智能控制系统软件和各模块硬件设备为主；应用服务端主要由系统云服务平台和管理服务器(数据服务器和应用服务器)组成，具体设计组成结构图如图2所示。

图2 系统设计组成结构图Figure 2 System design composition diagram

2.1 智能压实控制系统

智能压实控制系统主要分为智能压实控制硬件设计和智能压实控制软件设计两部分组成。

a.硬件组成。

硬件主要作为数据采集及机载终端显示，包括北斗/GPS信号接收器RTK、天线、压实度传感器、工业级LT-05A红外温度传感器、LoRa/WIFI无线通信模块、GPRS/4G通信模块、中心控制显示端、声像预警装置等。压实控制系统硬件设计组成如图3所示；压实控制系统现场部署效果如图4所示。

图3 系统硬件设计结构图Figure 3 Hardware design diagram of the system

图4 系统硬件设计部署效果图Figure 4 Hardware design and deployment effect diagram of the system

b.软件组成部分。

智能压实控制系统的功能主要由主程序控制完成，其程序设计流程图如图5所示。系统进入工作状态前对各模块进行初始化工作，其后判断各模块工作状态及通信是否正常，通信正常后，各模块进行压实数据采集并判断数据是否有效，对压实数据进行本地存储分析及显示，并对压实数据进行判定超限值显示预警，同时进行数据组包远程传输。软件设计过程设置有中断请求，方便其他拓展功能的实现。本设计为更好适用于实际压实作业环境，使得具备长寿命和运行稳定性，不仅在硬件设计上须做出特殊设计，还需在软件方面进行相关设计。由于各压路机间采用无线组网拓扑设计，在压路机位置信息长期不更新(在同一位置或变化范围很小)和数据传输完毕一定时间内，部分模块自动进入待机模式，保障设备使用寿命及长期稳定运行。

图5 智能压实控制系统设计软件流程图Figure 5 Software flow chart of intelligent compaction control system design

压路机显示终端采用高分辨率液晶屏幕及多视图界面，以图形、数值和声音信号等方式显示作业压路机的3D位置、CMV(压实测量)值、振动频率、碾压遍数、碾压行进方向、碾压温度、碾压速度等信息，直观化引导压路机操作人员进行正确压实作业。

2.2 智能压实管理系统

智能压实管理系统是基于物联网技术搭建的综合化施工管控云服务平台，主要面向政府质量监督结构、建设单位、监理单位、施工单位等。主要由数据存储分析中心和应用平台组成，数据存储分析中心是各施工压实数据汇总管理中心，是整个系统的大脑核心。应用平台主要实现压实数据在线查询、历史数据查询、碾压过程动态回放等，见图6。

图6 智能压实系统软件应用图

智能压实管理系统支持多平台部署、多终端(PC、APP)访问，可视化交互反应压实过程，管理者及时有效获取压实信息及有效控制压实作业质量，可用于用于碾压过程作业管理及施工质量信息管理系统。

3 应用案例分析

智能压实管控系统通过项目的实际运用，依据试验参数及使用监测数据分析，能有效指导压路机操作人员进行全方位的碾压，有效减少了碾压过程出现的漏压、过压等情况，合理提升了夜间施工效率及质量控制。通过在多条高速的应用，体现本设计具备良好经济社会效益，以某高速应用案例进行分析，从碾压速度、压实质量、碾压温度等进行分析。

3.1 碾压速度应用分析

试验一(无智能压实管控系统指导)：压路机已安装智能压实管控系统设备，操作员仍按照以往作业习惯进行碾压作业。

试验二(有智能压实管控系统指导)：压路机操作员在压实智能管控系统的指导下进行碾压作业。

经过对上面层初压有无监控的对比分析，碾压速度结果见表1和图9。

表1 上面层初压速度监测结果Table 1 Monitoring results of initial pressure velocity in upper layer监控情况上面层SMA-13测试次数均值变异系数无监控103.20.151有监控102.70.027

图7 上面层初压速度监测结果Figure 7 Monitoring results of initial pressure velocity in upper layer

从表1和图7分析得知，采用智能压实管控系统的碾压速度较未采用该系统条件下的碾压速度匀速性得到显著控制，避免碾压速度过快或过慢等人为因素影响，说明智能压实管控系统在对于控制路面碾压质量均衡性效果显著。

3.2 碾压质量应用分析

从图8～图10分析得知，采用智能压实管控系统碾压过程不存在漏压情况，未采用该系统碾压作业均存在一定程度的漏压区域，充分说明采用智能压实管控系统对于保证路面全方位碾压及碾压质量控制具有显著效果。

图8 面层初压漏压情况Figure 8 The initial pressure and leakage of the upper layer

图9 碾压无监管存在漏压Figure 9 Pressure leak in unregulated rolling

图10 智能压实系统监管下无漏压Figure 10 No leakage pressure under the supervision of Intelligent compaction system

3.3 碾压温度应用分析(见表2和图11)

试验一(无智能压实管控系统指导)：不采用智能压实管控系统对上面层现场碾压温度进行测量。

表2 上面层压实温度监测结果Table 2 Monitoring results of compaction temperature of upper layer监控情况上面层SMA-13测试次数均值/℃变异系数无监控201630.008有监控201650.005

试验二(有智能压实管控系统指导)：采用智能压实管控系统进行监控时对现场碾压温度进行测量。

从表2和图11分析得知，采用智能压实管控系统较未采用智能压实管控系统的碾压作业的压实温度高，且温度变化范围小。

图11 上面层路面碾压温度监测结果Figure 11 Monitoring results of rolling temperature of upper pavement

4 结论

系统采用高精度GPS/LoRa技术、传感技术等设计的施工动态压实管控系统，可对压路机碾压作业实现全程过程的监控，实时显示压实作业的路面状况，正确合理指导压实作业。该系统可为施工、监理、建设单位、政府质量监督机构等各方提供更全面的压实过程信息，提高压实质量和工作效率，是未来工程施工信息发展趋势，同时在工程建设中具有良好经济社会效益。

a. 对压实过程进行实时动态监控，及时有效反映混合料的压实质量，将碾压过程中的压实遍数、速度、温度、轨迹等关键数据监测终端显示，引导操作员按照规定进行压实作业，有效控制碾压质量均衡性，避免漏压、欠压等发生，保证路面整体质量。

b. 碾压温度实时监控显示，有助于碾压速度、碾压时间合理的分配，实现压路机碾压过程有序合理的调度及协同作业，减少不必要过压等现象，提高效率减少能耗，节约成本。

c. 智能预警及压实数据信息化平台管理，提升了压实数据信息化管理及监测数据利用价值，有效地解决了压实数据信息监管和施工质量的正确评定问题。在未来路面施工信息化管理的应用中具有广阔的应用前景。