截止2016年底，我國(guó)高速公路通車總里程突破了13萬(wàn)km，躍居世界*。多年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了大量公路工程的科學(xué)研究，也取得了很多科研應(yīng)用成果，但對(duì)路面質(zhì)量管理系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。對(duì)于路面這類公共產(chǎn)品，目前我國(guó)施工質(zhì)量管理系統(tǒng)及管理技術(shù)還不太完整，質(zhì)量管理水平低下，其已成為制約我國(guó)公路路面質(zhì)量進(jìn)一步提升和發(fā)展的瓶頸。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的飛速發(fā)展，高速公路施工工藝日新月異，隨著工業(yè)革命4.0的到來(lái)，信息技術(shù)以全新的姿態(tài)滲透到各行各業(yè)。基于此，須對(duì)高速公路瀝青路面信息智能化施工進(jìn)行探討，以保證路面施工質(zhì)量能夠達(dá)到規(guī)范要求，使瀝青路面更加耐用、舒適、堅(jiān)實(shí)，達(dá)到路面的平整度、穩(wěn)定性要求。
為提高道路路面建設(shè)管理水平和管理效率，提高瀝青路面建設(shè)質(zhì)量，本文基于瀝青路面?zhèn)鹘y(tǒng)施工工藝的研究和探討，提出了依托互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的路面信息化智能施工工藝，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的路面施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，旨在提高公路工程建設(shè)瀝青路面施工質(zhì)量管理水平。
國(guó)內(nèi)施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
中國(guó)高速公路建設(shè)起步時(shí)間較晚，技術(shù)力量?jī)?chǔ)備較薄弱。通常，高速公路路面早期破壞嚴(yán)重，根本達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命，高速公路建成3～5年后就需要對(duì)其進(jìn)行大中型維修。由于我國(guó)南北經(jīng)濟(jì)差異較大，人口流動(dòng)頻繁，致使運(yùn)輸流量和交通負(fù)荷較大，車輛超載尤為嚴(yán)重。此外，已建成的路面結(jié)構(gòu)中還存在很多技術(shù)問(wèn)題，很多新建路段通車不久就出現(xiàn)了各種破損，如車轍、嚴(yán)重開(kāi)裂、泛油、坑槽等。由于存在上述問(wèn)題，故必須將目前高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提到一個(gè)全新的高度。傳統(tǒng)施工方法主要存在如下不足:
1) 在拌和站生產(chǎn)系統(tǒng)中，后場(chǎng)原材料來(lái)源復(fù)雜，級(jí)配不穩(wěn)定，混合料生產(chǎn)溫度不均勻，油石比波動(dòng)較大，夜間施工以及施工企業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)相對(duì)薄弱，這些均對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，如何保證瀝青路面施工質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命，是目前瀝青路面施工面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。
2) 瀝青混合料運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸車輛的監(jiān)管一直處于空白狀態(tài)。施工企業(yè)為了節(jié)約資源成本，往往會(huì)根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際情況，采用運(yùn)輸車輛隨用隨走的租賃方式工作。而采用此種方式會(huì)致使瀝青材料在運(yùn)輸過(guò)程中缺乏有效監(jiān)管，運(yùn)輸車司機(jī)的專業(yè)素質(zhì)無(wú)法得到集中、科學(xué)的管理，運(yùn)輸車到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)的周期無(wú)法保證，汽車行駛速度無(wú)法預(yù)見(jiàn)，瀝青混合料運(yùn)輸過(guò)程中可能存在掉包現(xiàn)象等。
3) 瀝青混合料攤鋪過(guò)程中，由于缺乏對(duì)攤鋪速度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，從而容易出現(xiàn)攤鋪面平整度可能較差的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的瀝青路面施工過(guò)程中，由于對(duì)攤鋪溫度缺乏實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控，且攤鋪面瀝青混合料溫度離析現(xiàn)象無(wú)法實(shí)時(shí)獲取，而攤鋪面一旦出現(xiàn)離析現(xiàn)象，瀝青面層的使用壽命就會(huì)大大降低，當(dāng)攤鋪面離析情況嚴(yán)重時(shí)，其使用壽命會(huì)減少50%以上。再者，對(duì)攤鋪機(jī)停機(jī)待料現(xiàn)象缺乏監(jiān)管，若攤鋪機(jī)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則瀝青混合料溫度就會(huì)過(guò)低，致使施工時(shí)攤鋪機(jī)熨平板容易出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。
4) 瀝青混合料碾壓過(guò)程中，目前工作面碾壓采用初壓、復(fù)壓、終壓步驟，一個(gè)工作面需配備2臺(tái)攤鋪機(jī)，6臺(tái)壓路機(jī)，以及灑水車等。在狹小的工作面上，如果沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)工作人員監(jiān)督指揮，則會(huì)給施工現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)安全與質(zhì)量隱患。
5) 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層均屬于磨耗層，往往設(shè)計(jì)較薄，而在同等自然條件下，薄層瀝青混合料溫度散失較快，碾壓施工有效時(shí)間較短，使得壓實(shí)度很難保證，從而造成壓實(shí)度不足、空隙率較大、滲水系數(shù)較大，致使路面容易破損。
傳統(tǒng)瀝青路面施工工藝存在施工盲目性，施工過(guò)程中攤鋪機(jī)的攤鋪速度、混合料的攤鋪溫度，壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)、碾壓速度以及混合料的碾壓溫度、壓實(shí)度、壓實(shí)區(qū)域等關(guān)鍵指標(biāo)不能得到實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄，從而不利于對(duì)已建成的道路進(jìn)行養(yǎng)管一體化建設(shè)。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瀝青路面施工管控系統(tǒng)
物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知
“物聯(lián)網(wǎng)”概念首先由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出，其就是目前所說(shuō)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，利用射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)。在公路工程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是把RFID技術(shù)、紅外光感探頭、定位系統(tǒng)(GlobalNavigationSaliteSystem，GNSS)、激光測(cè)距儀等通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換，即物物關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。
系統(tǒng)框架
路面質(zhì)量信息化監(jiān)控系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的傳感技術(shù)、通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)、長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LongTermEvolution，LTE)等信息傳輸技術(shù)，將瀝青生產(chǎn)質(zhì)量控制子系統(tǒng)，瀝青混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等子系統(tǒng)整合到路面質(zhì)量信息化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集施工過(guò)程數(shù)據(jù)信息，動(dòng)態(tài)、真實(shí)、全過(guò)程地反映工程質(zhì)量情況，并及時(shí)預(yù)警，以達(dá)到保證項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量的目的。
瀝青材料生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。改性瀝青生產(chǎn)信息監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)材料比例、加工周期，從而有效提高改性瀝青生產(chǎn)質(zhì)量。
瀝青混合料拌和監(jiān)控系統(tǒng)。瀝青混合料拌和監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集每一盤料的拌和時(shí)間、各熱料倉(cāng)熱料的投放質(zhì)量、瀝青的投放質(zhì)量、礦粉和添加劑的投放質(zhì)量、瀝青溫度、集料溫度和混合料出料溫度等數(shù)據(jù)。
運(yùn)輸車監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)輸車監(jiān)控系統(tǒng)除能夠識(shí)別瀝青混合料的裝料順序外，還能識(shí)別出料對(duì)應(yīng)的拌和站生產(chǎn)某一時(shí)間段，以及卸料對(duì)應(yīng)的攤鋪機(jī)具體攤鋪位置，包括車道和段落。
攤鋪監(jiān)控系統(tǒng)。瀝青路面質(zhì)量信息化攤鋪監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集混合料的攤鋪溫度、攤鋪機(jī)的攤鋪速度，以及整個(gè)縱斷面的鋪面溫度分布等施工信息。
碾壓監(jiān)控系統(tǒng)。路面碾壓監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控壓路機(jī)碾壓混合料的壓實(shí)溫度、壓路機(jī)的壓實(shí)速度及壓實(shí)遍數(shù)3個(gè)參數(shù)，以保證路面壓實(shí)度。通過(guò)查閱任意樁號(hào)段落路基工程的壓實(shí)質(zhì)量，包括壓路機(jī)的壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)軌跡、壓實(shí)速度、混合料的壓實(shí)溫度等信息，客觀評(píng)價(jià)各標(biāo)段的施工質(zhì)量。利用安裝在駕駛室內(nèi)的智能反饋系統(tǒng)，讓操作手了解到施工段落出現(xiàn)“漏壓、超壓”的具體位置，指導(dǎo)操作手進(jìn)行操作。
實(shí)例應(yīng)用
瀝青路面施工智能系統(tǒng)已在寧定高速公路得到成功應(yīng)用并發(fā)揮了巨大作用。寧定高速公路全長(zhǎng)254km，設(shè)計(jì)速度120km/h。為了更好地運(yùn)用路面信息化監(jiān)控手段以引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，在寧定高速公路信息化監(jiān)控設(shè)備中采用的預(yù)警閾值是根據(jù)該項(xiàng)目施工指導(dǎo)意見(jiàn)而確定的。
瀝青材料生產(chǎn)監(jiān)管系統(tǒng)
瀝青質(zhì)量對(duì)瀝青路面性能有重要影響。目前我國(guó)高速公路中上面層普遍采用改性瀝青，因此通過(guò)安裝改性瀝青監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)材料比例、改性瀝青加工溫度等指標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)控，并通過(guò)實(shí)時(shí)獲取聚合物改性劑與基質(zhì)瀝青的用量比例，將其用曲線直觀地反映出來(lái)。可以看出，發(fā)育溫度與溶脹溫度差距較大，說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程中改性瀝青的發(fā)育環(huán)境波動(dòng)較大，成品改性瀝青指標(biāo)需得到進(jìn)一步重點(diǎn)驗(yàn)證。
瀝青混合料拌和監(jiān)控系統(tǒng)
瀝青混合料拌和站監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括各熱料倉(cāng)的投放質(zhì)量、瀝青投放質(zhì)量、礦粉和添加劑的投放質(zhì)量及油石比等信息。該系統(tǒng)把數(shù)據(jù)整理成服務(wù)程序需要的格式并通過(guò)GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，對(duì)可能的質(zhì)量波動(dòng)提前預(yù)警，并將實(shí)時(shí)、真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)以短信方式通知各級(jí)管理人員。可以發(fā)現(xiàn)，該瀝青拌和站生產(chǎn)的瀝青混合料其油石比較為穩(wěn)定，未超出設(shè)定的閾值范圍。可以看出，全天生產(chǎn)的級(jí)配都在設(shè)計(jì)上下限范圍內(nèi)，但9.5～16mm篩孔通過(guò)率曲線離散性較大，表明熱料倉(cāng)10～15mm規(guī)格的用量與設(shè)定的用量波動(dòng)較大。
運(yùn)輸車監(jiān)控系統(tǒng)
利用RFID技術(shù)能夠監(jiān)控瀝青混合料的運(yùn)輸周期，包括瀝青混合料的出場(chǎng)時(shí)刻、攤鋪時(shí)刻、攤鋪結(jié)束時(shí)刻、攤鋪樁號(hào)位置等信息。
通過(guò)監(jiān)控識(shí)別技術(shù)，能夠?qū)囕v進(jìn)行有效定位、識(shí)別、監(jiān)控。可以看出，在施工ATB-25瀝青混合料過(guò)程中，開(kāi)始攤鋪樁號(hào)與結(jié)束攤鋪樁號(hào)距離較短，說(shuō)明結(jié)構(gòu)層厚度較大。同時(shí)瀝青混合料的出場(chǎng)時(shí)刻與開(kāi)始攤鋪時(shí)刻的時(shí)間差較大，說(shuō)明瀝青拌和站與施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)。采用RFID技術(shù)，可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，從而可進(jìn)一步加強(qiáng)管理人員對(duì)質(zhì)量的把控。
攤鋪監(jiān)控系統(tǒng)
瀝青混合料攤鋪時(shí)，在攤鋪機(jī)上安裝了高精度的GNSS定位板卡，其支持常用的GPS、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，識(shí)別精度可達(dá)到厘米級(jí)。依靠實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，獲得了攤鋪的運(yùn)動(dòng)痕跡地理信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青混合料攤鋪速度、攤鋪里程的實(shí)時(shí)監(jiān)管統(tǒng)計(jì)。
另外，在攤鋪機(jī)上還加裝了紅外溫度傳感器，以便對(duì)攤鋪溫度、鋪面均勻性進(jìn)行監(jiān)管。通過(guò)在攤鋪機(jī)上加裝多點(diǎn)紅外溫度傳感器，對(duì)瀝青混合料整體鋪面溫度進(jìn)行測(cè)量，以了解瀝青混合料鋪面溫度離析情況。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工的可視化，還開(kāi)發(fā)了以外掛LED屏為載體的實(shí)時(shí)反饋體系，現(xiàn)場(chǎng)施工人員可在*時(shí)間知曉攤鋪信息。寧定高速公路所用紅外溫度傳感器均經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)測(cè)量，足以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確性。
碾壓監(jiān)控系統(tǒng)
智能壓實(shí)的關(guān)鍵在于壓實(shí)機(jī)械的軌跡監(jiān)管。信息監(jiān)管系統(tǒng)通過(guò)自建定位參考基站，為安裝在壓路機(jī)上的定位流動(dòng)站提供位置差分信號(hào)，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)自組WIFI網(wǎng)絡(luò)，將所有壓路機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，壓路機(jī)操作人員可通過(guò)平板電腦查看施工段落所有機(jī)械的壓實(shí)軌跡，以引導(dǎo)施工人員操作。由此可知，信息化的應(yīng)用使路面壓實(shí)更為容易，并可使路面壓實(shí)度得到保證。寧定高速公路施工時(shí)，借鑒RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，在施工機(jī)具上安裝了流動(dòng)站，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給流動(dòng)站，以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，不僅滿足了壓路機(jī)的軌跡定位，而且還可通過(guò)碾壓速度、碾壓溫度、碾壓遍數(shù)等參數(shù)來(lái)判斷材料的壓實(shí)狀態(tài)。
在公路路基路面工程施工現(xiàn)場(chǎng)安裝高精度的定位設(shè)備，建立了施工現(xiàn)場(chǎng)的定位基站，以對(duì)壓實(shí)機(jī)械的行走軌跡進(jìn)行測(cè)量，獲得每個(gè)段落樁號(hào)路面材料的壓實(shí)遍數(shù)，并對(duì)施工中存在的薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)予以反饋。通過(guò)寧定高速公路項(xiàng)目的實(shí)施，可達(dá)到如下目的:
1) 通過(guò)PC電腦可遠(yuǎn)程查看各標(biāo)段工地的施工狀況，包括當(dāng)天施工段落、投入機(jī)械數(shù)量、碾壓遍數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)了*的質(zhì)量巡查。利用安裝在壓路機(jī)駕駛室內(nèi)的智能反饋系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)比色圖可以了解施工段落出現(xiàn)“漏壓、超壓”的具體位置，易于進(jìn)行錯(cuò)誤補(bǔ)償，調(diào)整施工工藝。
2) 可查閱任意樁號(hào)段落工程的壓實(shí)質(zhì)量，包括壓路機(jī)的碾壓溫度、碾壓速度等信息，便于客觀評(píng)價(jià)各標(biāo)段的路面施工質(zhì)量。
應(yīng)用效果分析
質(zhì)量分析
在寧定高速公路路面施工信息化監(jiān)控過(guò)程中，監(jiān)控內(nèi)容涵蓋了上基層ATB-25、下面層AC-20C、上面層AC-13C瀝青混合料。施工過(guò)程中，系統(tǒng)將設(shè)備傳感器采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)端，數(shù)字型號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)數(shù)學(xué)模型等手段被轉(zhuǎn)換成表征路面質(zhì)量的指標(biāo)，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信息化監(jiān)管系統(tǒng)作出相應(yīng)評(píng)分。由于項(xiàng)目工程質(zhì)量的優(yōu)劣直接反映生產(chǎn)建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的成果，而綜合質(zhì)量評(píng)分是根據(jù)信息化監(jiān)管的預(yù)警率計(jì)算獲得，其有助于管理者可以從宏觀角度觀察項(xiàng)目的整體狀況，因此，在瀝青路面施工過(guò)程中對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量的智能化監(jiān)控就顯得尤為重要。可以看出，上面層AC-13C瀝青混合料綜合得分97.48分，下面層AC-20C瀝青混合料綜合得分98.39分，上基層ATB-25瀝青混合料綜合得分94.21分。
效益分析
寧定高速公路項(xiàng)目交通建設(shè)施工質(zhì)量管控信息化、智能化的變革，提高路面施工質(zhì)量和效益，推動(dòng)了我國(guó)公路路面施工質(zhì)量監(jiān)控理論和技術(shù)的較大進(jìn)步，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)公路建設(shè)、管理和養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平的提高，打造“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”公路工程，都具有十分重要的意義。
在瀝青路面施工過(guò)程中，通過(guò)瀝青路面信息化監(jiān)管，不僅推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)信息化的發(fā)展，建立了新的施工制度，使公路工程施工過(guò)程中大量寶貴的數(shù)據(jù)資源得以保存，減少了后期因病害治理查找資料需花費(fèi)的大量人力物力，同時(shí)還有效提高了瀝青路面的施工質(zhì)量，延長(zhǎng)了瀝青路面的使用壽命，避免了因偷工減料造成的路面早期損壞，節(jié)約了養(yǎng)護(hù)成本，保證了高速公路的順利通行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
結(jié)束語(yǔ)
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，瀝青路面施工質(zhì)量控制技術(shù)朝著智能化方向邁進(jìn)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)的瀝青路面施工過(guò)程管控技術(shù)，建立了瀝青路面智能監(jiān)控系統(tǒng)，從項(xiàng)目建設(shè)初期開(kāi)始，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的采集分析，使公路工程施工過(guò)程中的大量寶貴數(shù)據(jù)資源得以保存。改性瀝青材料生產(chǎn)，瀝青混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信模塊被及時(shí)上傳到服務(wù)器，從而可以動(dòng)態(tài)、真實(shí)地反映工程質(zhì)量狀況。另外，瀝青路面智能監(jiān)控系統(tǒng)還建立了高速公路建設(shè)周期數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制，其對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并分析質(zhì)量問(wèn)題，提高路面質(zhì)量和服務(wù)水平具有積極意義。
