摘要：路基的压实质量直接关系到道路的使用寿命，有效地对路基施工过程管控是保证路基压实质量的关键。因此，通过信息化的检测方法对施工压实质量进行实时、全面、快速、精确的预测，是加快施工进度、确保路基压实质量的重要保障。本文从系统的功能出发，提出了系统开发的原则及系统开发所使用的开发模式，并且对开发系统进行了实时展示，做到路基施工质量的全过程控制。
关键词：路基施工；压实质量；管控系统；全过程控制
前言
近年来，我省在高速公路、国省干线公路和市政工程建设方面发展迅猛，但随之而来的是工程质量管理中，由于缺乏必要的信息化技术手段，不能对一些重要工序的施工过程进行实时监控。比如江苏沿海的砂性土分布地区的路基施工对路基压实质量控制要求较高，而传统的施工主要依赖压路机操作手的个人经验，容易造成漏压、过压的情况，施工质量难以得到保障，具体存在以下问题：
（1）施工管理采用纸质记录的方式，效率低且施工检测数据无法实时获取和利用，不利于日后的工程管理和质量问题追溯；
（2）路基碾压作业过程完全依赖操作手责任心和驾驶经验，无法保证碾压方案严格准确执行；
（3）现场监理采用旁站的方式进行监督，缺乏高效方便的监督手段和数据支撑；
（4）传统的路基压实度检测为点抽检方式，现场检测工作量大，覆盖面有限，并且对路基填筑体具有一定的破坏性，无法快速判断碾压不合格区域。
1 系统总体结构设计
本高等级公路路基压实质量实时监控系统主要由北斗Corse基准站、碾压监测端、数据及应用服务器、远程（或现场）监控客户端及现场 PDA（手机）等部分组成。利用物联网和互联网技术实时获取路基碾压时的厚度，压路机的碾压速度、遍数和CMV值，利用多元非线性回归的方式建立起基于这四项指标的压实度预测值（CEIC）模型，最终得到路基压实过程的施工质量，系统整体构架如图1所示。
图1 高等级公路路基压实质量实时监控系统总体构架
2 系统组成
本系统由路基施工数据采集智能设备、定位系统和路基施工质量管控系统组成。
2.1 路基施工数据采集智能设备
路基在碾压过程中，振动压路机内的偏心质量块发生旋转，振动轮开始振动，产生振动加速度，对通过加速度传感器釆集的信号进行分析处理，得到加速度时域曲线。在路基的碾压初始阶段，填筑层松散时，此时由于路面刚度较小，故振动时域曲线为理想的正弦曲线。随着碾压遍数的增加，填筑层逐渐密实，其刚度慢慢增大，此时路基填筑层开始产生谐频，其幅值与基频幅值的比值可作为路基压实质量的评价指标参数。ECV是通过对振动轮两个以上振动周期的加速度进行频谱分析得到，输出的值是多个的平均值，该指标与振动轮参数（振动轮直径和宽度）以及振动轮运动参数（频率、振幅、速度）等有关，它是一个无量纲的参数，随着被压实路面刚度的增加，振动轮会产生不同的谐波分量，ECV可以用于监控振动轮压实的动态响应，反映被压实材料的特性。ECV的计算公式是：
式中：ECV——连续压实质量指标；
AΩ——基础频率加速度幅值；
A2Ω——二次谐波分量的加速度幅值.
路基施工数据采集智能设备采用嵌入式标准模块结构系统。其中加速度传感器是前置放大电路，采用放大电荷的方法，因为从传感器端输出的一般为信号薄弱、不变监测的电荷，而放大器正是为了放大其输出电荷，降低阻抗，并将电荷转换成电压（电压易于测量）的形式输出，以便于监测；信号调理电路模块对加速度信号进行滤波；A/D采集模块可对加速度信号进行A/D采集变换；CPU模块对加速度信号及速度信号进行相应的分析处理；最后通过屏幕将结果及相关内容显示出来。
图2 连续式智能压实度监测装置设计方案
2.2 定位系统
本系统采用的是北斗+GPS 的RTK高精度定位技术，该技术是基于北斗定位技术及普通RTK定位算法基础上，研制开发的动态调整差分实时解算技术。它根据当前环境下实际锁定卫星的情况，进行统一调配，统一解算，规避了GPS在国内信号不稳定的现象，同时提供北斗的载波相位解算算法，得到厘米级的定位能力，本基于北斗+GPS 的RTK高精度定位技术开发相应的压路机碾压轨迹算法和碾压遍数算法。
2.2.1碾压轨迹算法研究
压路机的碾压轨迹是由每间隔 1s压路机位置形成的线段组成的，其绘制可应用线段生成技术中的Bresenham 算法实现。碾压区域是以碾压轨迹为轴线、以半碾轮宽向两边垂直扩展形成的碾压条带，可视为线宽等于碾轮宽度的线段，则可应用移动画笔法进行绘制。其实现方法为：采用方形画笔，将画笔宽度设置为代表碾轮宽度的数值，画笔中心沿轨迹线段移动即可产生相应的碾压条带。此外，不同碾压机的行进轨迹以不同的色彩表示，以便于区分。
2.2.2碾压遍数算法研究
将智能定位测速设备安装于压路机车顶中心位置（即碾压滚轮中心位置）假设滚轮宽度W；图3为碾压遍数计算示意图。实时确定压路机在t内的碾压区域，即矩形区域ABCD，则A点坐标为（Xj，Yj+W/2），B点坐标为（Xj，Yj-W/2），即碾压遍数计算的宽度范围为Yj-W/2到Yj+W/2。
图3 碾压遍数计算示意图
具体算法如下：
①获取北斗+GPS高精度差分定位数据，判断其是否有效，若判断结果为是，则将有效数据按照采集的时间进行存储，下一步；否则将无效数据删除。
②将储存的北斗+GPS高精度差分定位数据中的经、纬坐标数据从球面坐标系中转换到平面直角坐标系XOY中。
③以数据储存时间顺序为基准，选取这批数据中的初始点M（Xm，Ym），并计算出这批数据中与初始点M（Xm，Ym）距离最远的点M（Xn，Yn）；
④建立用于计算遍数的XOY平面直角坐标系，并对处于XOY平面直角坐标系中的北斗+GPS高精度差分定位数据进行坐标系变换。
⑤将XOY平面直角坐标系下所有的点向X轴或Y轴投影，获得在坐标轴上的点（Xj，0），或（0，Yj），形成一维的数据值。
⑥根据外部设置的需要观察的长度间隔l，在XOY平面直角坐标系的坐标轴上设置等间距的采集测试点lk。
⑦依次将所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0）或（0，Yj）和（0，Yj+1）与lk进行差值运算后相乘。
⑧根据相乘后数值的正负判断所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0）或（0，Yj）和（0，Yj+1）是否分布在点两侧，若乘积为负，则两点分布在采集测试点的两侧，则令当前截面位置点的压路机的遍数加1；若乘积为正，则两点在同一侧，则两点在同一侧，令当前截面位置点的压路机的压实遍数不变；遍历所有的点，得到过点lk的路面截面的压路机施工次数。
⑨判断是否为最后一个截面位置，若判断结果为是，则输出需要观测截面的施工次数，程序停止，等待下一次启动；否则，继续进行下个截面施工次数的计算。
2.3 路基施工质量管控系统
2.3.1 设计原则
（1）适合性
“数据安全”为首要设计原则，体系结构既满足行业“数据保密要求”，同时又能满足使用简捷方便等 “功能性需求”。
（2）稳定性
系统结构充分考虑系统稳定性，以保证系统7×24小时稳定运行的要求进行设计。操作界面设计，数据库设计，模块设计，数据结构设计等等也应充分考虑系统稳定性。
（3）开放性
系统设计遵循开放性原则，系统具备强大的二次开发能力，可根据日后发展需求进一步开发应用。
（4）维护性
系统结构简单，采用模块化编程技术，软件配置工作简单有效，所有配置动作都具备对应的配置界面和相关描述信息，保证系统更新、维护、升级的便捷性。
（5）扩展灵活
系统软件采用分层开发及多点网状通信的结构体系，各个设备内部的功能模块之间以挂接动态库为主，形成低耦合高内聚的系统运行状态，并采用智能接口技术和预留完善的数据接口，能够实现与其他信息系统的对接。同时系统在进行扩充升级或功能修改时，不会破坏原有结构的稳定性。
（6）高性能
通过高速缓存及负载均衡技术的应用，系统应该在满足7×24小时运行的情况下，资源最大使用率小于 70％，资源平均使用率小于 50％；WEB 服务器可满足 1000 个用户同时访问，网页面访问速度不大于3秒；终端定位数据5秒上传间隔，系统具备平均每秒1500条，高峰每秒2500条定位数据信息的处理能力。
（7）负载均衡
系统应用程序采用多通信前置机，多业务服务器的分布式业务处理与存储方式，数据库采用水平分区方式，实现负载均衡；并具备仅需增加相应服务器的数量即可实现系统扩容的能力。而不用对系统进行大的调整和变动。
2.3.2 系统目标与功能
系统目标
（1）对项目建设质量进行在线实时监控；
（2）把公路建设过程中的质量监测和进度信息进行集成管理，为公路建设质量和进度控制，以及公路安全诊断提供信息应用和支撑平台；
（3）实现业主和监理对工程建设质量的深度参与，精细管理。通过系统的自动化监控，不仅使业主放心工程质量，有效掌控施工进度，而且可实现对公路建设质量和进度控制的快速反应；
（4）为公路施工的竣工验收、安全鉴定及今后的运行管理提供信息集成平台。
系统实现功能
该软件由监控中心、现场分控站、GPS基准站、网络系统和压路机械监测终端等部分组成，主要实现如下功能：
（1）从建立公路段数字模型，以数字模型为基础对碾压参数、碾压区域进行实时监控；动态监测路基碾压机械运行轨迹、速度和碾压高程等。
（2）实时自动计算和统计路基任意位置处的碾压遍数、压实厚度等，并在路基施工数字地图上可视化显示，同时可供在线查询。
（3）当压路机械运行超速时，系统自动给机手、现场监理和施工管理人员发送报警信息；当碾压遍数和压实厚度不达标时，系统提示不达标的详细内容以及所在坐标位置等，并在管控系统软件平台体现，以便及时指示调整或返工，同时把该报警信息写入施工异常数据库备查。
（4）在每层施工结束后，输出碾压质量图形报表，包括碾压轨迹图、碾压遍数图、压实厚度图和压实高程图等，作为质量验收的辅助材料。
（5）把整个建设期所有施工路段的碾压质量信息保存至网络数据库。
3 展示系统
3.1 碾压速度状态
图4 碾压速度
3.2 碾压遍数状态
图5 碾压遍数
3.3 压实质量报告
图6 压实质量报告
4 社会经济效益分析
4.1 经济效益
现在我国高速公路路面结构的主要形式为沥青路面，由于路基承载能力不足导致出现路面网裂、纵向裂缝、路基沉陷性车辙等病害。造成路面损坏，直接影响行车安全，甚至会导致交通阻断。研究表明，压实度每增加1%，土基回弹模量增加2.5%，可知增加压实度会明显增加土基的强度，提高路基使用寿命。对于高速公路、二级公路，压实度每减少1%，道路寿命缩减0.5年，对于高速公路设计年限为15年，即缩短寿命3.3%；对于二级公路设计年限为12年，即缩短寿命4.2%；对于三级公路，压实度每减少1%，道路寿命缩减0.3年，设计年限为8年，即缩短寿命3.8%。本节以高速公路为对象，进行经济效益分析。
本系统单套设备造价为6万元，可重复使用多次（取2次）。以现场压路机数量为5台计算，需部署5套车载设备，高速公路路基施工质量管控系统平台费加维护费为20万元/项目。按照单套设备造价的一半与系统平台、维护费计算，系统的总造价为：5×3+20 = 35万元。根据上文所提工程经验，可测算出路基压实度每减少1%，经济损失约为23万元/公里，占路面造价的3.3%。
表1 路基压实度对沥青路面全寿命工程造价影响分析（双向六车道） 单位：万元
本套高速公路路基施工质量管控系统可有效降低因压实不合格而返工造成的经济损失。表2保守估算了路基每公里的施工成本为30.8万元，如果考虑减少返工造成的损失，按照1%返工率计算，每公里返工费为0.308万元。在没有应用本套系统的情况下，如果使用本监控系统使压实度提高一个百分点，可节增加效益23万元/公里，因此10公里长的路面一共可带来经济效益：（23+0.308）×10=233.08万元。本套高速公路路基施工质量管控系统的投资效益比（费效比）=35/233.08=0.15。
表2 路基施工单价估算（路基宽度28米） 单位：万元/公里
4.2 社会效益
本套压实监测系统着眼于过程控制，实时显示并且记录作业面的碾压遍数、碾压次数、碾压质量、碾压检测日期与时间等施工参数。在施工中为施工人员提供实时的作业指导，施工人员、监理人员可实时发现施工工艺参数是否满足施工规范的工艺要求，实时修正不合要求的作业参数和作业方式，可以有针对性在压实薄弱区域去做传统检测，提高了一次性报检合格率，节约了检测人员成本。本系统的使用可在保障施工质量的同时，大幅提高施工单位压实作业的效率，直观的显示界面，即使没有丰富施工经验的驾驶员也可以实现精准控制，缩短施工时间，亦可杜绝因漏压、少压、超压引起的返工，减少资源、时间的浪费，同时路基施工质量的提高可延长道路使用寿命，降低后期维护成本。
结论
（1）介绍了系统的总体架构设计以及系统的硬件组成，为系统的开发提供依据。
（2）以系统功能为出发点，从监测数据采集、存储，到最终应用的全过程进行了分析，提出了系统开发的原则及系统开发所使用的开发模式。
（3）开发的高速公路路基施工质量管控系统，通过施工松铺厚度的输入，以及ECV、碾压速度和碾压遍数的实时获取，做到路基施工质量的全过程控制，并且可以做到碾压速度、碾压遍数和压实质量的远程实时查询。
（4）通过社会经济效益分析，采用高速公路路基施工质量管控系统，能够带来显著的社会经济效益。
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论文作者:方芳1,王彤2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
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