基于车联网技术的路面建设质量实时监控系统的研发

魏力 闫世伟 严小平

【摘要】为提高道路路面建设管理水平，研究开发了基于车联网的路面建设质量实时监控系统。该系统实时监控系统，以车载主机为主体，及时将各传感器的数据进行上传，中心数据服务器根据接收到的数据参数，在电脑监控平台上直接可以看到施工车辆的位置、工作状态。成功实现了路面建设质量由低效率的人工事后检测向实时监测、全过程控制的突破，大大提高了检测效率及监控水平，对提高管理效率，提高沥青路面建设质量将产生积极深远的影响。

【关键词】车联网；质量监控系统；公路施工

1 研究背景及意义

为提高道路路面建设管理水平和效率，提高路面建设质量，本文研究开发了基于车联网的路面施工质量实时监控系统。目前路面施工建设阶段质量管理存在的主要问题是过于依赖最终质量检测，无法突出"过程要素、根源管理"，没有实现施工质量的"全过程控制"，特别是对路面压实做不到过程控制。压实是路面建设最重要的环节，路面各种性能（包括抗裂、抗车辙、抗疲劳、抗水破坏等）直接与压实有密切关系。而目前路面压实虽然规定了较详细的施工工艺，但由于靠人工监控碾压遍数，导致碾压设备很难真正按照设计规定实现预定的碾压工艺，碾压遍数难以确定，因此严重影响了路面的质量。

针对上述情况，本文通过车联网技术，在国内外首次实现了对生产路面压实质量实时的过程监控，大大提高了检测效率，节约了人工检测成本。根据车联网产业技术创新战略联盟的定义，车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车-X（X：车、路、行人及互联网等）之间，进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。

2 系统设计

数据处理中心是实现系统业务功能和支持数据发布的核心组成部分，其主要职责包括"接收、处理、存储、管理、监测"等，由数据处理模块与下层技术支撑平台（包括软件开发环境、GIS服务、云计算、通讯接口等）组成。其由通讯模块、计算模块、业务接入模块、存储模块等模块组成，分别实现通讯、数据计算、数据存储、对外发布接口等核心功能。

系统主要是对水泥稳定碎石、沥青混合料碾压过程进行监控，以提高碾压质量。模块主要包括如下几个部分：

1）碾压定位数据采集模块。采用GPS定位数据可以得到压路机碾压数据，定位部分采用车载卫星定位设备，用于准确定位设备所在位置，尤其是移动工作类设备可通过油耗仪和GNSS的轨迹描绘，化成轨迹及铺盖面积图直观的判断机械设备工作状况。在定位部分，选择高精度双星GPS芯片，可接收GPS+GLONASS卫星信号；通过接收 Q-Base 参考站差分信息，可以实现 1.5米的分米级高精度定位。

2）碾压振动数据采集模块。施工车辆工作时的状态，强振开关，弱振开关，功能可扩展为使用3轴加速度传感器进行振动激振力检测，根据不同机械设备的振动指标参数和路基路面的土壤颗粒的不同，看是否达到路面压实度要求。

3）碾压温度数据采集模块。在施工车辆安装红外温度传感器，进行无接触式测量温度（测量温度0-300°、1秒钟监测3次，），经过车载北斗主机的无线数据模块传输至数据中心，在监控平台上实时显示沥青混合料的温度，配合车辆定位的行驶轨迹，达到监测路面摊铺沥青温度的目的。

4）碾压数据无线传输模块。通过数据传输单元（DTU）无线数据通信模块，将压路机中的数据通过通用分组无线服务技术（GPRS）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。移动数据采集系统以控制现场设备进行现场数据采集，数据传送网络根据数据采集点的现场条件灵活选择各种网络，支持多信号通道的移动数据采集终端实现数据的采集，通过数据处理模块、数据分析模块、数据显示模块对采集到的数据进行处理、展示，并通过各信号通道进行数据的发布，本系统支持各信号通道之间的数据传输，包括中心数据模块、服务器数据采集中间模块和嵌入式数据采集控制终端。

5）数据处理模块。数据处理模块包括以下功能。

（1）基于GPS定位的压路机运行轨迹计算模块，计算出每台压路机的运行轨迹，如图2所示。

（2）每台压路机运行轨迹的图形化处理。通过轨迹图形系统将压路机运行轨迹以图形方式表现出来，以便直观展示压路机碾压的实时状况。

（3）路面压实度实时统计分析。根据压路机运行轨迹的状况，判断当前路面是否出现漏压、过压等现象。例如碾压遍数：在监控平台软件上，使用经过转换WGS84坐标的路基路面地图，依据施工桩号，将施工的路面任意划定的矩形栏，指定一台施工车辆，在栏内的GPS轨迹累计里程，除以矩形栏的周长得出施工车辆来回的趟数。后以报表的方式导出。

（4）网络数据传送。通过网络实时将以上数据处理结果传送给项目管理人员，便于其及时准确决策。

6）项目管理部分

项目管理部分是用于项目管理、任务下达、任务反馈、质量检验的信息系统，其由总部数据管理层、项目部项目管理层、现场任务管理及车载数据监管层和车载移动终端监控层构成（见项目管理软件结构图），以实现自上而下的数据监控、管理和自下而上的数据上传，以实现项目现场施工机械设备的智能化管理和监控，减少项目实施风险。从数据传输结构上，本系统又分为车载移动终端、车载移动服务站、项目部数据管理中心和全局数据汇聚中心四级结构。

3 本系统的特点

1）性能卓越。 该设备具有高度的自动化水平，监测的准确度高，数据丰富，传输效率高。

2）安全性、稳定性高。设备本身具有极高的安全与稳定性。首先具有安全型的防爆、防尘、防水性能。其次，具有高抗干扰性，对施工现场干扰源、周围环境无特殊要求，环境适应性强。内部电路高度集成化，器件故障率最小化，运行可靠。

3）操作简单方便。系统所支持的软件使用全中文菜单，具有良好的操作界面。配有无线监测分站一体化结构设计，安装方便快捷。

4）丰富的辅助功能。该系统擁有查询和报表输出、打印功能简单易操作；施工设备运动轨迹进行查询；可按要求输出各种信息报表；可远程查看实时情况；同时可以显示到现场LED显示屏上。

4 结语

针对路基路面施工现场压路机工作质量控制存在的问题，采用压路机上安装本项目研发的基于车联网的车载移动终端远程监控系统，再结合振动频率专用传感器，根据施工项目设定作业时间、行驶速度、振动频率等参数，通过移动工作基站主机实时对各施工压路机进行监控与管理，在现有路面施工质量控制技术的基础上，实现由效率低的事后检测向实时控制监测的突破。其对于提高沥青路面质量，提高管理效率，节约建设资金，保证施工过程监测的真实性及可靠性，提高路面质量评价客观性等方面将产生深远的影响。实现了公路工程质量监控数据化，专业化的管理，并为各项施工决策提供可靠的依据。

参考文献：

[1]张肖宁.沥青路面施工质量控制与保证[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]周卫峰.基于GTM 的沥青混凝土配合比设计方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[3]王建强，吴辰文，李晓军等.车联网架构与关键技术研究[J].网络与通信，2011（4）：156-158