沥青路面压实质量实时监控系统的开发研究

谢文斌 韩伯雅 王瑞成

一、问题的提出

压实是道路施工作业的一个重要组成部分，压实质量对道路的安全与寿命有着决定性的影响。有效的压实能够显著的提高道路的承载能力和稳定性，防止渗透，消除沉陷。

压实度是反映压实质量好坏的重要指标，其检测的准确性及实时性对工程质量的控制至关重要，道路压实程度不够是造成路面早期破坏的主要原因之一。公路路面的投资费用往往占工程总投资的30%~50%，特别是高等级公路，其路面的投资比重更大，因此，路面过早破坏在经济上造成的损失是非常巨大的。除了加强路面工程的管理, 在技术上按标准要求控制路基、路面的压实是保证路面质量最经济有效的措施。

实践证明，压实质量的控制是保证公路应有强度和稳定性的一项最经济有效的技术措施。随着路基、路面施工机械化水平的大幅度提高和先进的摊铺压实机械的使用，道路建设速度不断提高，采用传统的压实质量检测方法往往难以满足及时指导施工的要求。由于振动压路机的激振力大、有效的压实厚度大、工作效率高等特点，振动压路机已广泛用于各种路基路面材料的压实作业，可以说振动压路机是目前在路基路面压实作业中应用最为广泛的压实设备之一，但与之相匹配的压实质量检测尚显滞后，为此，国内外都在研究如何进行连续实时准确的压实度检测设备，达到对路基、路面压实质量进行及时监控的目的。因此，开发研制一种具有实时监控压实质量的系统是很有必要的。

二、实时监控系统组成

沥青路面压实质量实时监控系统右四部分组成：压路机碾压数据采集系统、碾压数据无线传输系统、碾压数据无线传输系统、数据处理系统及网络系统。

1．压路机碾压数据采集系统

通过RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法方法,得到压路机碾压数据。

RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。

运用RTK方法，采用三角定位的原理，可得出压路机实时的运行数据。

2．碾压数据无线传输系统

通过DTU无线数据通信模块,将压路机中的数据通过GPRS无线网络,传输到处理服务器中,以便服务器对采集到的数据进行处理。

3．数据处理系统

数据处理系统包括以下方面的内容：

① 基于三角定位的压路机运行轨迹计算系统

基于三角定位的原理，运算出每台压路机的运行轨迹。

②每台压路机运行轨迹的图形化处理

将运算出的压路机的运行轨迹,通过轨迹图形系统，能够以图形的方式表现出压路机碾压路面的实时状况。

③路面压实度的实时统计分析

根据压路机运行轨迹的状况，给出当前路面是否出现了漏压、过压等现象。

4．网络系统

通过网络实时将以上数据处理结果传送给项目管理人员，供及时准确决策。

三、监控系统主要功能

沥青路面压实质量实时监控系统的研究成果以互联网软件的形式提交，需要实现以下主要功能：

1． 监控功能

系统综合应用了无线网络传输和卫星定位系统（GPS），通过无线数据通讯方式，将GPS基准站的差分数据连续、实时地发布给各GPS流动站，同时，接受个流动站反馈的位置信息。在监控中心实时显示工作面上压路机的精确运行位置和状态信息：行车速度、碾压遍数、碾压层厚度、平整度、压实度参数。

从压路机及传输设备提取数据，实现压实数据自动采集系统；如实记录每一台压路机的行走轨迹，并进行分析；实时处理数据及分析路面上每平方厘米的压实遍数，并判断压实质量、提出解决问题的方案。

2． 查询功能

沥青路面压实质量实时监控系统提供历史数据查询功能，通过查询功能，不同授权用户可以查询相应的分类信息。

三、下一步工作的展望

本课题的成果满足了现代公路建设对路基的压实度检测提出的新的要求，设计了一个便携、高速、准确的检测系统，解决了路基填筑速度不断提高，采用传统的压实质量检测方法往往难以满足及时指导施工的矛盾。

通过对沥青路面压实质量实时监控系统的理论分析以及模拟试验、现场试验的分析研究，可以总结得到如下结论：

1．本系统采用了GPS RTK定位技术，足以满足压路机的运行轨迹描述、运行速度计算以及碾压遍数统计。

2．系统组建了一个基于扩频技术的通讯系统，保证GPS差分数据及GPS 回传数据的无线实时传输，实现了通讯的双向性。

本课题存在的不足以及对后续工作的展望：

（1）通过 GPS水准测量方法，或者双基站法，进一步提高系统的测高精度，使压实度精度进一步提高。

（2）继续增加可监控项目，加入刚性传感器等，监测压实密度避免压实过度。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。