【智能化施工】路面摊铺厚度的连续检测与可视化实时监控

2018-12-20 1277 分享到



引言



       在公路路面施工过程中,有效地控制路面摊铺厚度是提高公路的耐久性能、保证公路施工质量的关键。路面摊铺厚度会影响路面平整度,若达不到施工设计要求,将直接导致路面结构承载力不足,加速路面出现车辙、裂缝等路面损坏现象。

       国内外学者关于路面摊铺厚度检测及控制进行了较多相关研究,利用基于视频图像云闪法的自动成像技术分析路面摊铺情况,虽能实现对摊铺面快速检测,但容易受光线投射及障碍物(人、运输车辆等)变化的影响。利用实时动态差分与GPS技术对摊铺过程进行实时定位,实时监控摊铺厚度,但由于GPS在高程方面定位精度的不足,其摊铺厚度控制精度只能达到厘米级。近年来,探地雷达、激光等无损检测方法也已广泛地应用到压实后路面厚度的检测。利用探地雷达对路面摊铺厚度进行检测;通过移动激光扫描技术检测路面厚度,均取得了较好的效果。但是,上述无损检测技术只能针对碾压成型后的路面厚度进行检测,无法实现在路面摊铺过程中摊铺厚度连续检测及实时控制。

       根据《公路工程质量检验评定标准》规定,中国通常采用随机插尺法人工检测路面摊铺厚度,该方法检测频率较低,无法客观反映连续施工路段的摊铺厚度,而且该方法受人为因素干扰大,检测结果可能含有较大误差。现多采用拉钢丝线法、架设平衡梁与传感器相结合的方法对摊铺厚度进行控制。对于拉钢丝线法,由于固定钢丝线的控制点有一定的距离间隔,往往使得控制点之间的摊铺厚度不易精确控制。对于架设平衡梁法,则需假定梁的前后端(反映路面摊铺前后端)测点位置处结构层底部(摊铺基面)的高程一致,才可用梁前后端的传感器测得的距离之差作为当前摊铺位置摊铺厚度,但在实际施工中梁前后端测点处的高程并不一定相同,由此会带来摊铺厚度计算误差。此外,上述方法不能将路面摊铺厚度数据实时反馈到监理和业主,使得无法满足施工前方与后方相结合的“操作手-承包商-监理-业主”一体化的施工质量管理模式。

       因此,本文将研制开发一种自动、连续、高精度、三维可视化的监控系统,来实现建设各方参与下的路面摊铺厚度的实时远程监控,对于不合格区域能够及时反馈处理,以确保路面摊铺质量真实受控。



路面摊铺厚度连续检测及可视化监控的方法


       路面摊铺厚度的连续检测及可视化监控通过开发的实时监控系统来实现,该系统主要包括摊铺厚度实时采集装置、服务与应用数据库、实时监控客户端、现场报警终端4个部分。


【数据实时采集】   

 摊铺厚度实时采集装置中的GPS接收机经RTK实时动态差分将当前时刻、摊铺速度及摊铺平面位置坐标按一定时间间隔发送至数据控制器,同时读取2个双轴倾角传感器数据,同步获取铝制支架与水平面的双轴夹角α1,β1及倾斜活动梁与水平面的双轴夹角α2,β2。


【摊铺厚度计算及入库】    

数据控制器结合实时采集的倾角值和摊铺厚度实时采集装置尺寸参数,并计算路面摊铺厚度h,控制器将当前时刻、摊铺速度、摊铺平面位置坐标及摊铺厚度h通过数据无线发送装置发送至服务与应用数据库,以供后续客户端应用。


【摊铺厚度实时监控】    

根据路面摊铺施工现场实际情况,设定摊铺厚度,实时监控施工路面属性及摊铺厚度控制标准;从数据库中调配摊铺厚度实时采集装置,激活并开启摊铺厚度实时监控,数据库将数据实时通过网络发送至客户端,现场施工人员、监理或业主可通过客户端界面实时监控路面摊铺厚度,当摊铺厚度监控施工完成并结束实时监控后,对整个施工路段的摊铺厚度纵断面图进行保存归档。


【不达标信息报警】    

在摊铺厚度监控施工过程中,当摊铺厚度不满足控制标准时,现场施工人员、监理或业主的报警终端可通过GPRS网络实时接收带有桩号位置的摊铺厚度不达标报警信息,以便于及时指导相关补救措施。结束监控后,施工路段的报警信息与图形报告一起保存归档以供后续分析。 



路面摊铺厚度的实时计算方法


【路面摊铺厚度计算模型】    

通过安装在熨平板上的摊铺厚度实时采集装置测量路面的摊铺厚度。建立基准面与摊铺面的三维空间立体几何关系,再由安装在摊铺厚度实时采集装置上的2个倾角传感器测得的倾角值与装置尺寸参数,推算出实时摊铺厚度h。

       倾角传感器几何模型。本文方法采用双轴倾角传感器,因此只能测量所测平面双轴倾角α,β。第3轴与水平面倾角γ可通过α,β推出;a轴、b轴、c轴为倾角传感器组成的直角坐标系,X轴、Y轴、Z轴为水平直角坐标系;倾角传感器测得a轴、b轴与水平面的夹角α,β;c轴与水平面的夹角γ则需通过所测α,β推出;θ1,θ2,θ3分别为a轴、b轴、c轴的水平面投影与X轴的夹角。由于α,β,γ为3个轴与水平面的夹角,与方向夹角θ1,θ2,θ3无关,即方向夹角可取任意值,则第3轴倾角γ为

        实时路面倾角计算。在摊铺厚度实时采集装置安装后,该装置与熨平装置形成一个刚体。由于参考坐标系始终以安装连接点为原点,前进方向在水平面投影为X轴,而刚体定点运动的位移定理表明:当一个坐标系相对另一个坐标系做1次或多次旋转后可得到1个新的坐标系,前者称为参考坐标系或固定坐标系,后者称为动坐标系,它们间的相互关系可用方向余弦矩阵表示。由于本文中刚体与坐标系同步移动,可以忽略刚体的平移影响只考虑旋转。随着摊铺机的前进,坐标系的每次旋转都可以认为刚体上任意点坐标左乘以1个三阶坐标转换矩阵。坐标转换矩阵是对坐标系相对转动的一种数学描述。设刚体上某点初始坐标为,该点经过旋转的新坐标为,则刚体上任一点实时坐标与初始坐标之间关系表示为

       由于路面倾角与三轴单位向量坐标存在确定关系,则实时的路面倾角α3,β3,γ3均可通过初始路面倾角求出。

       实时摊铺厚度计算。以B点为原点,摊铺机施工行进方向在水平面上投影为X轴建立直角坐标系,摊铺厚度实时采集装置安装点A点的坐标为,铝制支架拐点B点坐标为(0,0,0),倾斜活动梁与铝制支架连接点C点坐标为,胶轮圆心D点坐标为,胶轮与路面接触点E点坐标为。


【模型参数的标定方法】    

其中3个测量环境参数在实际施工过程中无法利用传感器测量,而5个装置尺寸参数初试的测量值可能会存在误差,则需在监控前进行参数精确标定。本文通过在熨平板下方垫上不同厚度的多块钢板,通过用游标卡尺测定钢板厚度Hi,根据Hi与计算的厚度值hi的累计误差最小来标定上述8个参数。参数标定过程可用优化模型来求解。

      上述标定模型变量多,且非线性,故用常规非线性优化方法往往求解效率低,且不易找到最优解。本文采用遗传算法来求解上述优化模型。


监控信息的三维网络可视化集成】    

本文基于ActiveX技术,来实现摊铺厚度监测信息三维网络可视化集成。Web客户端三维网络可视化场景中涉及工程道路模型、施工机械模型以及周边环境模型,根据施工道路设计布置图纸,利用三维建模软件建立路面监测信息虚拟场景三维模型,并通过三维插件编辑器,生成ActiveX控件,用户通过浏览器访问内嵌ActiveX插件的Web页面,实现路面施工虚拟三维场景显示。

       监控过程中,摊铺厚度实时采集装置将监测信息实时发送至数据库,其中施工机械模型以当前的位置信息与工程道路模型、周边环境模型地理位置信息进行对应,通过ActiveX控件不断将最新时刻的施工机械模型与对应监测信息同步更新显示到Web客户端的施工可视化三维场景,从而完成施工过程的三维动态显示。在查询状态下,ActiveX控件将鼠标点选对象模型的位置信息传输给数据库,并调用与之对应的相关监测数据,逆序传回Web客户端的监测信息再通过ActiveX控件在监控界面显示出来,完成三维可视化信息查询与交互。



摊铺厚度实时监控系统功能开发


【摊铺厚度实时采集装置功能开发】    

       摊铺厚度实时采集装置主要负责路面信息数据的采集、计算、存储和发送,其中集成控制器采用C#语言进行编程开发。该装置实现的主要功能为:

(1)通过GPS接收机确定摊铺厚度实时采集装置平面位置信息,并获取当前时刻及运行速度。

(2)通过2个倾角传感器实时采集施工过程中铝制支架及倾斜活动梁与水平面的双轴夹角。

(3)数据控制器实时接收采集数据信息,并计算。

(4)实时监测摊铺厚度、摊铺速度、当前时刻及位置信息通过数据无线发送装置发送至应用与数据服务器。


【服务与应用数据库功能开发】

        服务与应用数据库采用SQLServer2010作为系统数据库平台,利用Transact-SQL编程语言进行服务端数据存储、查询、判断和统计分析等功能程序的开发。具体实现功能如下:

 

(1)接收并存储工程道路模型、施工机械模型以及周边环境模型等模型数据以供客户端应用。

(2)接收并存储实时摊铺厚度、摊铺速度、当前时刻及位置等信息,以供后续分析和客户端应用。

(3)接受并储存客户端预设施工路面属性及控制标准。

(4)分析判断摊铺厚度是否符合控制标准,若厚度不达标,向现场报警终端和监控客户端发送报警信息。


【实时监控客户端功能开发】    

摊铺厚度实时监控客户端采用浏览器/务器模式,结合模型-视图-控制器模式,利用JavaScript、可扩展标记语言和ActiveX技术进行HTmL页面开发。该模块主要实现:

 

(1)实时读取数据库中匹配的模型信息及监测信息,在监控界面完成摊铺施工信息的连续更新,实现施工过程的三维动态可视化显示。

(2)实现在监控过程中监测信息的实时在线查询。

(3)根据预设控制标准,当摊铺厚度不达标时,实时接收报警信息,并同时将报警信息在监控界面实时更新。

(4)根据监测信息输出路面摊铺厚度纵断面图形报告。

 

【现场报警终端功能开发】    

报警手机为采用3G或4G网络、可以正常接收短信的手机,由现场施工人员持有。现场报警终端主要通过GPRS网络实时接收应用与数据服务器发送的摊铺厚度不达标报警信息,包括当前时刻、桩号及摊铺厚度值,用于指导现场施工人员及时采取相应的摊铺厚度控制及补救措施。



工程应用


    以天津某高速公路K4+000至K5+000段第1层水稳层摊铺施工为例,进行应用试验。水稳层施工现场摊铺机摊铺厚度(即松铺厚度)为25cm。路面半幅采用多台摊铺机并排施工,每台摊铺机的拟摊铺宽度为6m。摊铺机左侧安装摊铺厚度测量装置进行采样,装置现场安装。

    利用本文第2.1,2.2节方法可实时计算摊铺过程中摊铺厚度,为验证实时摊铺铺厚度计算方法的正确性以便应用,首先应将参数标定前后的误差进行对比分析,另外应将摊铺机行驶过程中不同位置处所计算的摊铺厚度与真实摊铺厚度进行对比分析,最终误差均值若满足要求,则该方法计算摊铺厚度的正确性得到验证,可将本方法应用于施工过程中。

    在开启监控系统前,摊铺机静止时共采集30组样本进行参数标定,其中α1,β1,α2,β2可通过安装铝制支架及倾斜活动梁上的2个双轴倾角传感器实时得到,在熨平板下方垫上不同数量的钢板模拟不同摊铺厚度,通过精度为0.02mm的游标卡尺测定钢板厚度H,利用mATLAB软件的遗传算法工具包,采用第2.2节方法中的遗传算法对初始参数α3,β3,θ,l,l1,l2,l3,r进行标定。

    经统计参数标定前后对不同数量垫片厚度的计算结果,可知标定前计算结果存在明显的系统误差,最大误差值为44.38mm,均方误差为39.78mm。标定后系统计算误差显著降低,最大误差为1.42mm,均方误差为0.74mm,在标定工况下摊铺厚度检测精度可达毫米级。当前时刻摊铺厚度。

    将参数优化结果输入数据控制器中后,客户端开启了路面摊铺厚度实时监控。为了验证本文计算方法的准确性,利用插钢尺法,在相同位置处进行检测验证。可知,两者的误差不超过0.3cm,误差均值为0.04cm,均方差为0.16cm,可见本文开发的摊铺厚度监控系统可满足工程精度控制要求。

    监控完成后,可生成图形报告。可知:在监控初始阶段,出现了摊铺厚度值小于最小控制范围的情况,报警信息及时反馈到现场质量管理人员,并对摊铺厚度进行及时调整,此后摊铺厚度始终稳定在控制标准内。



结语


(1)本文利用研制的摊铺厚度实时采集装置,提出了公路路面摊铺厚度的连续检测与实时可视化监控的流程、路面摊铺厚度的实时计算方法和摊铺厚度监控信息的三维网络可视化集成方法,并研制开发了相应系统。工程实例试验表明该系统的摊铺厚度监控具有较高精度,验证了所提方法的可行性。

 

(2)本文所述系统不仅可向施工机械操作者实时反馈施工信息,还可利用Web客户端进行摊铺厚度连续、自动、远程、可视化监控,同时摊铺厚度不达标区域的实时报警,可直观、准确地指示摊铺厚度不合格位置,便于指导补救施工,为参建各方进行路面摊铺施工质量的一体化管理提供了先进的技术手段。

 

(3)路面摊铺厚度实时采集装置的安装方式会直接影响摊铺厚度的计算精度,由于不同型号摊铺机结构不尽相同,因此研制可适应各种摊铺机型号通用的实时采集装置,是进一步需要做的工作。




——转载微信公众号沥青路面

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