基于物联网的智能监控系统在沥青路面施工中的应用研究

基于物联网的智能监控系统在沥青路面施工中的应用研究王宣;唐建亚;邢永忠
【摘要】为了提高路面施工质量管理水平,构建一套评价沥青路面施工信息化质量评分系统,对路面信息化监管在工程中的实际应用进行研究.依托现有高速公路工程,从目前施工工序进行深度调研,提出沥青混合料智能拌和、运输、摊铺、压实的监管方案,其对于提高工程试验检测的时效性,实现关键质量指标由事后控制变成事前控制,建立公路工程路面建养一体化建设,推进高速公路典型示范工程具有深远影响.%In order to improve the road construction quality management, this paper built a set of asphalt pavement construction informatization quality grading system to study the application of road pavement informatization supervision in projects. This paper made in-depth research to current construction procedures based on existing expressway projects, proposed intelligent asphalt mixture mixing, transportation, laying and compaction supervision programs. It has strong influence on changing key quality indices from post control to advance control, establishing pavement construction/maintenance integration and pushing forwards expressway sample project.
【期刊名称】《公路交通技术》
【年(卷),期】2017(033)003
【总页数】6页(P23-28)
【关键词】施工信息化;监管方案;事前控制;应用研究
【作者】王宣;唐建亚;邢永忠
【作者单位】江苏中路信息科技有限公司,南京 211806;江苏中路信息科技有限公司,南京 211806;江苏省绿色公路技术开发与产业化工程中心,南京 211806
【正文语种】中文
【中图分类】U416.217
截止2016年底，我国高速公路通车总里程突破了13万km，跃居世界第一。

多年来，我国开展了大量公路工程的科学研究，也取得了很多科研应用成果，但对路面质量管理系统的研究相对较少。

对于路面这类公共产品，目前我国施工质量管理系统及管理技术还不太完整，质量管理水平低下，其已成为制约我国公路路面质量进一步提升和发展的瓶颈。

经过数十年的飞速发展，高速公路施工工艺日新月异，随着工业革命4.0的到来，信息技术以全新的姿态渗透到各行各业。

基于此，须对高速公路沥青路面信息智能化施工进行探讨，以保证路面施工质量能够达到规范要求，使沥青路面更加耐用、舒适、坚实，达到高级路面的平整度、稳定性要求。

为提高道路路面建设管理水平和管理效率，提高沥青路面建设质量，本文基于沥青路面传统施工工艺的研究和探讨，提出了依托互联网通讯技术的路面信息化智能施工工艺，介绍了基于物联网的路面施工质量实时监控系统，旨在提高公路工程建设沥青路面施工质量管理水平。

中国高速公路建设起步时间较晚，技术力量储备较薄弱[1]。

通常，高速公路路面早期破坏严重，根本达不到设计寿命，高速公路建成3～5年后就需要对其进行大中型维修。

由于我国南北经济差异较大，人口流动频繁，致使运输流量和交通负荷较大，车辆超载尤为严重。

此外，已建成的路面结构中还存在很多技术问题，很多新建路段通车不久就出现了各种破损[2]，如车辙、严重开裂、泛油、坑槽等[3]。

由于存在上述问题，故必须将目前高速公路施工标准化建设提到一个全新的高度。

传统施工方法主要存在如下不足：
1) 在拌和站生产系统中，后场原材料来源复杂，级配不稳定，混合料生产温度不均匀，油石比波动较大，夜间施工以及施工企业的基础技术相对薄弱，这些均对沥青路面施工质量产生负面影响。

因此，如何保证沥青路面施工质量，延长其使用寿命，是目前沥青路面施工面临的一个重要问题[4]。

2) 沥青混合料运输过程中，运输车辆的监管一直处于空白状态。

施工企业为了节约资源成本，往往会根据工程建设实际情况，采用运输车辆随用随走的租赁方式工作。

而采用此种方式会致使沥青材料在运输过程中缺乏有效监管，运输车司机的专业素质无法得到集中、科学的管理，运输车到达施工现场的周期无法保证，汽车行驶速度无法预见，沥青混合料运输过程中可能存在掉包现象等。

3) 沥青混合料摊铺过程中，由于缺乏对摊铺速度的实时在线监控，从而容易出现摊铺面平整度可能较差的现象。

传统的沥青路面施工过程中，由于对摊铺温度缺乏实时测量监控，且摊铺面沥青混合料温度离析现象无法实时获取，而摊铺面一旦出现离析现象，沥青面层的使用寿命就会大大降低，当摊铺面离析情况严重时，其使用寿命会减少50%以上[5]。

再者，对摊铺机停机待料现象缺乏监管，若摊铺机等待时间过长，则沥青混合料温度就会过低，致使施工时摊铺机熨平板容易出现拉毛现象。

4) 沥青混合料碾压过程中，目前工作面碾压采用初压、复压、终压步骤，一个工作面需配备2台摊铺机，6台压路机，以及洒水车等。

在狭小的工作面上，如果没有现场工作人员监督指挥，则会给施工现场带来安全与质量隐患。

5) 沥青路面各结构层均属于磨耗层，往往设计较薄，而在同等自然条件下，薄层沥青混合料温度散失较快，碾压施工有效时间较短，使得压实度很难保证，从而造成压实度不足、空隙率较大、渗水系数较大，致使路面容易破损。

传统沥青路面施工工艺存在施工盲目性，施工过程中摊铺机的摊铺速度、混合料的摊铺温度，压路机的碾压遍数、碾压速度以及混合料的碾压温度、压实度、压实区域等关键指标不能得到实时监控、记录，从而不利于对已建成的道路进行养管一体化建设。

“物联网”概念首先由美国麻省理工学院提出[6]，其就是目前所说的物联网技术。

物联网是在计算机互联网基础上，利用射频自动识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络[7]。

在公路工程中，物联网技术是把RFID技术、红外光感探头、全球定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、激光测距仪等通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物关联，以实现智能化识别和管理。

路面质量信息化监控系统是利用物联网架构的传感技术、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)、长期演进技术(Long Term Evolution，LTE)等信息传输技术[8]，将沥青生产质量控制子系统，沥青混合料拌和、运输、
摊铺、碾压等子系统整合到路面质量信息化监控系统平台，实时采集施工过程数据信息，动态、真实、全过程地反映工程质量情况，并及时预警，以达到保证项目建设质量的目的。

路面质量信息化监控系统的整体架构如图1所示。

改性沥青生产信息监管系统能够实时监测材料比例、加工周期，从而有效提高改性沥青生产质量。

沥青混合料拌和监控系统可实时采集每一盘料的拌和时间、各热料仓热料的投放质量、沥青的投放质量、矿粉和添加剂的投放质量、沥青温度、集料温度和混合料出料温度等数据。

运输车监控系统除能够识别沥青混合料的装料顺序外，还能识别出料对应的拌和站生产某一时间段，以及卸料对应的摊铺机具体摊铺位置，包括车道和段落。

沥青路面质量信息化摊铺监控系统可实时采集混合料的摊铺温度、摊铺机的摊铺速
度，以及整个纵断面的铺面温度分布等施工信息。

路面碾压监控系统能够有效监控压路机碾压混合料的压实温度、压路机的压实速度及压实遍数3个参数，以保证路面压实度。

通过查阅任意桩号段落路基工程的压
实质量，包括压路机的压实遍数、压实轨迹、压实速度、混合料的压实温度等信息，客观评价各标段的施工质量。

利用安装在驾驶室内的智能反馈系统，让操作手了解到施工段落出现“漏压、超压”的具体位置，指导操作手进行操作。

沥青路面施工智能系统已在宁定高速公路得到成功应用并发挥了巨大作用。

宁定高速公路全长254 km，设计速度120 km/h。

为了更好地运用路面信息化监控手段以引导现场施工，在宁定高速公路信息化监控设备中采用的预警阈值是根据该项目施工指导意见而确定的。

沥青质量对沥青路面性能有重要影响。

目前我国高速公路中上面层普遍采用改性沥青，因此通过安装改性沥青监控系统，可对材料比例、改性沥青加工温度等指标进行有效监控，并通过实时获取聚合物改性剂与基质沥青的用量比例，将其用曲线直观地反映出来。

改性沥青生产发育温度柱状图如图2所示。

从图2可以看出，发
育温度与溶胀温度差距较大，说明生产过程中改性沥青的发育环境波动较大，成品改性沥青指标需得到进一步重点验证。

沥青混合料拌和站监控系统采集的数据包括各热料仓的投放质量、沥青投放质量、矿粉和添加剂的投放质量及油石比等信息。

该系统把数据整理成服务程序需要的格式并通过GPRS发送到远程服务器端，对可能的质量波动提前预警，并将实时、
真实、可靠的数据以短信方式通知各级管理人员。

ATB-25沥青混合料全天油石比波动示意如图3所示。

从图3可以发现，该沥青拌和站生产的沥青混合料其油石
比较为稳定，未超出设定的阈值范围。

ATB-25沥青混合料全天级配波动示意如图4所示。

从图4可以看出，全天生产的级配都在设计上下限范围内，但9.5～16 mm筛孔通过率曲线离散性较大，表明热料仓10～15 mm规格的用量与设定的
用量波动较大。

利用RFID技术能够监控沥青混合料的运输周期，包括沥青混合料的出场时刻、摊铺时刻、摊铺结束时刻、摊铺桩号位置等信息，如表1所示。

通过监控识别技术，能够对车辆进行有效定位、识别、监控，如图5所示。

从表1和图5可以看出，在施工ATB-25沥青混合料过程中，开始摊铺桩号与结束摊铺
桩号距离较短，说明结构层厚度较大。

同时沥青混合料的出场时刻与开始摊铺时刻的时间差较大，说明沥青拌和站与施工现场的运输距离较远。

采用RFID技术，可对项目进行实时管理，从而可进一步加强管理人员对质量的把控。

沥青混合料摊铺时，在摊铺机上安装了高精度的GNSS定位板卡，其支持常用的GPS、北斗卫星定位系统，识别精度可达到厘米级。

依靠实时动态差分技术(RTK)，获得了摊铺的运动痕迹地理信息，从而实现了对沥青混合料摊铺速度、摊铺里程的实时监管统计。

另外，在摊铺机上还加装了红外温度传感器，以便对摊铺温度、铺面均匀性进行监管。

通过在摊铺机上加装多点红外温度传感器，对沥青混合料整体铺面温度进行测量，以了解沥青混合料铺面温度离析情况。

为实现现场施工的可视化，还开发了以外挂LED屏为载体的实时反馈体系，现场施工人员可在第一时间知晓摊铺信息。

宁定高速公路所用红外温度传感器均经过校准测量，足以保证测量数据的真实准确性。

摊铺机施工实时轨迹如图6所示，ATB-25沥青混合料摊铺温度及摊铺速度如图7、图8所示。

智能压实的关键在于压实机械的轨迹监管。

信息监管系统通过自建定位参考基站，为安装在压路机上的定位流动站提供位置差分信号，同时通过现场自组WIFI网络，将所有压路机数据进行网络连接，压路机操作人员可通过平板电脑查看施工段落所有机械的压实轨迹，以引导施工人员操作。

由此可知，信息化的应用使路面压实更为容易，并可使路面压实度得到保证。

宁定高速公路施工时，借鉴RTK实时动态
控制系统，在施工机具上安装了流动站，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息传送给流动站，以实现厘米级定位，不仅满足了压路机的轨迹定位，而且还可通过碾压速度、碾压温度、碾压遍数等参数来判断材料的压实状态。

钢轮压路机的初始压实温度如图9所示，其压实速度如图10所示。

在公路路基路面工程施工现场安装高精度的定位设备，建立了施工现场的定位基站，以对压实机械的行走轨迹进行测量，获得每个段落桩号路面材料的压实遍数，并对施工中存在的薄弱环节及时予以反馈。

通过宁定高速公路项目的实施，可达到如下目的：
1) 通过PC电脑可远程查看各标段工地的施工状况，包括当天施工段落、投入机械数量、碾压遍数等信息，实现了无死角的质量巡查。

利用安装在压路机驾驶室内的智能反馈系统，根据预设的标准比色图可以了解施工段落出现“漏压、超压”的具体位置，易于进行错误补偿，调整施工工艺。

2) 可查阅任意桩号段落工程的压实质量，包括压路机的碾压温度、碾压速度等信息，便于客观评价各标段的路面施工质量。

在宁定高速公路路面施工信息化监控过程中，监控内容涵盖了上基层ATB-25、下面层AC-20C、上面层AC-13C沥青混合料。

施工过程中，系统将设备传感器采
集的基础数据发送至服务端，数字型号在数据库中通过数学模型等手段被转换成表征路面质量的指标，同时系统会根据信息化监管系统作出相应评分。

由于项目工程质量的优劣直接反映生产建设各个环节的成果，而综合质量评分是根据信息化监管的预警率计算获得，其有助于管理者可以从宏观角度观察项目的整体状况，因此，在沥青路面施工过程中对项目质量的智能化监控就显得尤为重要。

各个结构层的综合评分如图11所示。

从图11可以看出，上面层AC-13C沥青混合料综合得分97.48分，下面层AC-20C沥青混合料综合得分98.39分，上基层ATB-25沥青
混合料综合得分94.21分。

宁定高速公路项目引领交通建设施工质量管控信息化、智能化的变革，提高路面施工质量和效益，推动了我国公路路面施工质量监控理论和技术的较大进步，对于促进我国公路建设、管理和养护技术水平的提高，打造“资源节约型和环境友好型”公路工程，都具有十分重要的意义。

在沥青路面施工过程中，通过沥青路面信息化监管，不仅推动了互联网信息化的发展，建立了新的施工制度，使公路工程施工过程中大量宝贵的数据资源得以保存，减少了后期因病害治理查找资料需花费的大量人力物力，同时还有效提高了沥青路面的施工质量，延长了沥青路面的使用寿命，避免了因偷工减料造成的路面早期损坏，节约了养护成本，保证了高速公路的顺利通行，具有较好的经济效益。

随着物联网技术的发展，沥青路面施工质量控制技术朝着智能化方向迈进。

本文基于物联网的沥青路面施工过程管控技术，建立了沥青路面智能监控系统，从项目建设初期开始，通过对大量数据的采集分析，使公路工程施工过程中的大量宝贵数据资源得以保存。

改性沥青材料生产，沥青混合料拌和、运输、摊铺、碾压等数据信息通过通信模块被及时上传到服务器，从而可以动态、真实地反映工程质量状况。

另外，沥青路面智能监控系统还建立了高速公路建设周期数据库，实现了对工程质量的动态控制，其对于及时发现并分析质量问题，提高路面质量和服务水平具有积极意义。