沥青路面施工质量动态智能管控技术研究

马天武，李同斌，马天勇，陈晓东

（1.山东省滨州市公路事业发展中心，山东 滨州 256600；2.江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

随着科学技术的不断发展，人民生活质量的提高，对公路工程的施工质量要求也在不断地提高。为提升公路工程质量，2019年国务院印发的《交通强国建设纲要》提出了推进智能化、数字化装备研发，加强智能制造核心关键技术储备的目标。根据《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》预计2025年我国将新增公路里程约30.2万公里，要求工程质量进一步提高，交通设施耐久可靠。表明未来我国公路建设市场仍然存在巨大潜力。由于传统的沥青路面施工往往只注重最终的验收质量，缺乏施工过程监管的手段，导致沥青混合料在拌和、运输、摊铺、碾压某个环节出现质量问题时无法溯源 。结合信息技术、GNSS技术以及无线通讯技术的发展，沥青路面施工管理也向智能化方向发展。通过在原材料检验、拌和、运输、摊铺、碾压各环节科学合理布设各类传感设备，实时、全面获取施工过程关键数据，进行分析、预警。预警信息分级发送至现场施工人员和后方管理人员，后方管理人员可以通过电脑、手机随时访问远程服务器查询施工现场状况，提出处置意见，确保工程质量目标实现。

2 沥青路面动态智能管控关键指标及预警阈值研究

2.1 沥青路面动态智能管控关键指标研究

根据现行国家规范、行业标准及国内外有关的研究成果，沥青、水泥稳定粒料基层和底基层、沥青混凝土面层质量检验实测项目主要包括以下项目：

（1）在石油沥青、改性沥青材料检测方面，在实际施工过程中，一般进行沥青三大指标的检测，根据实际检测要求并结合实验仪器的信息化发展程度，目前实现智能管控的有沥青的针入度、软化点和延度，三大指标等试验，保证原材料的性能。

（2）在水稳基层方面，水稳混合料的强度与各材料用量、级配密切相关，而压实度、宽度、厚度等与实际施工过程摊铺速度、碾压速度的控制程度有关，因此，为保证水稳基层的施工质量，在水稳混合料的各材料用量、水泥剂量、级配以及前场的摊铺碾压速度的控制方面应严格把控，实现生产、施工过程中对水稳基层施工质量的实时管控。

（3）在沥青面层方面，在实际施工过程中的质量检验，一般检验项目为压实度、平整度、渗水系数、抗滑及厚度检测。压实度、渗水、抗滑性能指标一般与沥青混合料的级配类型、摊铺碾压时的温度与速度有关；而且平整度也与摊铺速度有一定的关系，不连续摊铺施工，一定程度上会影响沥青路面的平整度；路面厚度和摊铺厚度直接关联，摊铺机松铺系数的控制直接关系到压实后的路面厚度。因此，在沥青混合料生产和施工过程中，对上述相关指标进行有效监控，在出现偏差时及时调整，实现在施工过程中有效控制施工质量，从而保证沥青路面的压实度、平整度、渗水、抗滑及厚度满足检测要求。

（4）在附属材料生产及投放方面，在混合料生产过程中，附属材料的掺量较小，如木质纤维素的添加量为沥青混合料的4‰左右，在每盘混合料的控制中，掺量准确度较难把控，且一般生产过程中较多情况下也为粗放控制，容易产生掺量或多或少的情况，掺量过少路面易泛油、析漏，掺量过多则容易聚团，直接影响沥青面层的质量，因此，附属材料的投放量控制也是沥青路面生产施工控制的关键点。

通过对上述质量控制关键环节的因素分析，同时根据绿色环保节能减排的需求，沥青路面施工质量动态智能管控体系见表1。

表1 沥青路面施工质量动态智能管控体系

2.2 沥青路面动态智能管控关键指标阈值研究

在确定沥青路面施工质量动态智能管控体系的同时，需建立关键指标的评价系统，制定各关键指标相应预警阈值，并提供分析预警机制，对接收到的各关键指标的海量数据及时分析，与评价系统中的设定的预警阈值进行动态比对，超出容许偏差实时短信预警，并形成质量追溯档案 ，使相关技术人员能够在第一时间发现质量波动状况，便于及时纠偏，确保工程质量。沥青路面动态智能管控预警对象及预警阈值见表2和表3。

表2 沥青混合料拌和预警阈值以及报送对象

表3 沥青混合料运输、摊铺与碾压过程预警阈值以及报送对象

3 沥青路面动态智能管控系统开发研究

3.1 沥青路面动态智能管控系统需求分析

通过调研分析可知传统的施工管理模式存在以下不足和弊端：

（1）施工方、监理方和业主方对施工过程信息的掌握不能同步且各方对信息的掌握准确性和完整性得不到保证；

（2）传统的质量监控手段获取的信息量少，一旦发生较为严重的质量问题，需要重新搜集施工过程信息以便进行问题原因的分析，问题处理的效率低下；

（3）业主方在对问题进行决策时，主要参考行业专家技术经验，主观因素影响较大，且时间流程长；

（4）问题处理意见的反馈需要逐级传达给一线施工人员，流程时间长、环节多，由于时间延误发生的返工现象较多。

为了弥补传统质量控制手段的不足，沥青路面动态智能管控系统必须满足以下功能需求：

（1）数据实时传输。智能施工管理系统的核心要素，数据实现实时在生产—管理—决策者之间平等共享，实现参建各方都能随时随地查询施工信息。

（2）数据采集的准确性和有效性。施工信息的采集数据精度是系统建设的基础和前提，动态智能管控系统的数据不仅要作为施工质量评价的依据，还是出现质量问题时进行原因分析的重要参考。

（3）全方面的系统数据采集。动态智能管控系统旨在对沥青路面施工全过程，从拌合生产、运输、摊铺到碾压整个工序的关键信息进行采集，全面掌控施工质量，在出现质量问题时，也能提供全方位的数据支撑。

（4）信息的及时反馈。质量管控的“管控”只是手段，对问题处于初期萌芽状态时就进行有效的纠偏才是最终的目的。因此动态智能管控系统应具有信息及时反馈的功能，使得问题出现后得到及时、有效的落实和解决。

（5）可扩展功能。动态智能管控系统在未来与路面管理系统、长期性能观测数据库等都有可能进行对接，因此系统应具有灵活的可扩展功能，提供用户定制服务。

3.2 沥青路面动态智能管控系统架构设计

采用B/S+C/S系统架构（C/S架构用于数据信息采集，B/S架构用以用户进行数据查询分析），用户只需登录远程服务器系统网页即可实时监控摊铺施工过程，查看各项统计数据，平台采用J2EE（Java 2 Platform， Enterprise Edition：是一个为大企业主机级的计算类型而设计的Java平台）架构，使各项业务独立管理，分步实施。

3.3 沥青路面动态智能管控系统功能设计

系统功能设计应以保障工程建设质量要求为主，从工程信息管理、试验检测管控、拌和管控、运输管控、摊铺管控、碾压管控等几个方面开展建设。

（1）工程信息管理。工程信息管理主要是对工程相关信息进行维护，工程信息管理的功能包括工程基本信息管理、标段信息管理、路面基本信息和路面结构信息管理、混合料配比信息管理、拌合楼基本信息管理、报警信息设置功能。

（2）试验检测管控。结合施工中传统的检测数据，将施工过程中关键指标数据录入系统，一方面结合实验室的抽提试验，与实时监测数据比较分析，及时发现料源、拌合楼数据造假等异常情况。同时实时监测数据并不能代替整个施工过程的检测，通过施工过程中关键指标数据录入系统后台，可以建立更为完善的施工期数据中心，为后期路面长期项目分析提供支撑。

（3）拌和管控。通过拌合楼数据采集软件及设备，对拌合楼控制数据库进行监控。实时采集各材料用量、油石比、温度、级配等数据，并基于无线传输设备将采集的数据实时发送到远程服务器。

（4）运输管控。基于RFID技术，通过读取运输车配置的电子标签，记录开始装料与结束装料时间、开始卸料与结束卸料时间，实现运输时间的监管。

（5）摊铺管控。在摊铺设备上安装GNSS与温度传感设备，对摊铺施工时间、位置、 速度、温度等信息进行实时采集，真实反映摊铺断面的温度、厚度、离析分布情况，通过LED实时展示摊铺温度和摊铺速度。

（6）碾压管控。在压路机上安装GNSS、温度传感、振动传感等设备，对压路机的碾压遍数、速度、温度、轨迹等信息实时采集，压路机操作室配置平板电脑、LED显示屏和蜂鸣预警设备，实时反馈给现场人员，指导施工。

4 沥青路面动态智能管控技术经济社会效益分析

4.1 经济效益分析

通过沥青路面动态智能管控技术的应用，对施工质量控制关键参数进行自动化连续采集，并实时传输、分析与预警，改变了传统的人工生产、施工、试验的管理方式，一定程度上减少了人员数量的投入，节约了人工成本。在系统运行过程中，对中、高级预警及时采取处治措施，严格保证沥青路面的施工质量，避免早期病害的发生，降低沥青路面后期养护成本。

4.2 社会效益分析

沥青路面动态智能管控技术的应用，确保了工程施工质量。一方面可以延长沥青路面使用寿命，降低路面运维成本，另一方面可以降低养护维修路面时对交通的干扰，保证道路服务功能，具有重要的社会意义。

5 结论

本文针对沥青路面施工过程质量控制的需求，采用物联网及大数据技术，研究了沥青路面施工质量动态智能管控技术，确定了沥青路面动态智能管控关键指标及预警阈值，构建了沥青路面智能管控系统的框架，明确了试验检测管控、拌和管控、运输管控、摊铺管控、碾压管控的功能要求，把沥青路面的施工质量从事后把关，转变成全过程控制，提高了沥青路面施工的管理效率与质量。