连续压实管理系统的研究和应用优势

林国利，陆永明，程经纬

(广州中海达定位技术有限公司，广东 广州 511400)



连续压实管理系统的研究和应用优势

林国利，陆永明，程经纬

(广州中海达定位技术有限公司，广东 广州 511400)

针对土方填筑过程中压实度的监控需求，综合高精度GNSS卫星定位技术和连续压实控制技术，研发了能够实现全过程监控的压实管理系统，介绍了整个压实管理系统的组成和各个子系统的功能，然后从所有子系统协同工作的作业流程上展现了管理系统的整体性。在碾压这一核心子系统中，通过压实工艺指标监控和压实质量指标监控，能够有效地控制压实作业的施工质量。连续压实管理系统能够对土方工程进行全过程实时监控和管理，是BIM系统在土方压实工程中的重大尝试，具有重大的应用前景和优势。

GNSS技术；连续压实控制；全过程；BIM

公路铁路路基、水利工程大坝和堤基等类型的工程项目中，土方的压实程度和均匀性直接关系到整个工程的质量，因此，压实度管理一直是工程界和科研界极为关注的问题。传统的检测手段只是局部的事后抽检，无法实现实时监测，且数据的记录和管理方法落后，因此迫切需要建立更完善、更科学的监测管理系统。

针对智能压实管理系统如今已经有了很多研究和探索。早在1975年，瑞典就根据压路机振动轮的响应信号研制了压实度计，并开始在工程项目中应用[1]。武汉大学黄声享等指出了GPS定位技术可以实时监测压路机在碾压施工中的工作状态[2-3]。但是将这两项技术结合并形成成熟产品的研究却少之又少。

本文利用压实度计的连续压实控制[4](continue compaction control，CCC)和北斗高精度定位技术，结合微电子技术和无线通信技术等现代科技，建成了连续压实管理系统。连续压实管理系统是集合了土方工程施工中的运料管理、摊铺管理和碾压管理的全过程多方位智能监控系统[5]。

1 连续压实管理系统的组成和功能

连续压实管理系统针对工程实际的需求，综合考虑运料、摊铺、碾压、点抽检和施工资料归档等施工过程，建立了现场数据采集系统和后台管理系统。其中，现场数据采集系统通过高精度卫星定位设备和各类传感器采集数据并在平板电脑上显示，包括运料车载子系统、摊铺车载子系统、碾压车载子系统和点抽检子系统；后台管理系统在后台服务器上运行，包括数据处理子系统、实时展示子系统和数据发布子系统。现场数据采集系统和后台管理系统的各系统之间通过无线通信等技术实现数据的交互，并通过数据库存储和共享数据资源，达到科学管理的目的，如图1所示。

1.1 现场数据采集系统

1.1.1 运料车载子系统

管理者根据现场需要的材料类型和数量对运料车进行远程调度；运料车司机通过手持GPS设备，接收并确认运送的材料、路线和目的地；同时后台服务器也会实时监控运料车的工作情况，实现对进场材料的科学管理，如图2所示。

图2 运料车载子系统

1.1.2 摊铺车载子系统

通过GNSS卫星定位接收机实时记录摊铺车作业过程中的水平位置和高程数据，经过程序计算得到摊铺车的工作轨迹和摊铺厚度，并在强固型车载平板电脑上以不同的颜色显示车辆作业轨迹上的摊铺厚度和摊铺高层，保证摊铺作业的均匀性，如图3所示。摊铺数据信息会进一步上传到后台服务器，生成摊铺专题图。

1.1.3 碾压车载子系统

碾压车载子系统是整个连续压实管理系统的核心部分。如图4所示，该子系统与摊铺车载子系统一样，首先综合GPS天线接收的差分数据和安装在碾轧车顶的GNSS卫星定位装置实时采集压路机的定位信息[6]，在作业轨迹上以不同的颜色显示碾压遍数和压实厚度等信息。除此之外，还要通过连续压实度传感器实时监控土方的压实度，并以不同的颜色在作业轨迹上连续显示出来(如图5所示)，指导压路机有针对性地进行碾压施工。

图3 摊铺车载子系统

图4 碾压车设备安装示意图

施工数据同样上传至服务器，生成碾压专题图和施工质量报告，根据施工质量报告结果进行实时和后续管理。

图5 碾压车载子系统

1.1.4 点抽检子系统

手持GPS设备可以显示碾压结果地图，针对碾压薄弱区和不均匀区域找到需要检测的特征点进行抽检，利用定位技术在地图上找到抽检点，并利用传统的灌砂、灌水等检测方法得到工程资料，保存和上传到数据库，如图6所示。

图6 点抽检子系统

1.2 后台管理系统

1.2.1 数据处理子系统

数据处理子系统的主要功能是对施工区进行前期处理并为车载子系统准备数据。

首先施工场地的CAD图纸会通过数据处理子系统中的坐标转换工具进行坐标转换，并以此与卫星定位坐标匹配。

如图7所示，在数据处理子系统中加载实际工程的CAD图纸，从中选取施工区域并将该区域划分网格。在工作过程中每个网格被赋予相应空间的属性信息，包括位置信息、高程信息等。作业过程中通过网格属性的变化计算得到摊铺厚度、碾压厚度、碾压变数等信息，且网格颜色的变化是显示施工状态的直观手段。网格数据的处理结果直接保存到数据库中，支持其他子系统对网格属性信息的输入和展示。

数据处理子系统还负责为车载子系统和点抽检子系统生成配置文件，作为相应子系统的初始数据。

1.2.2 实时展示子系统

实时监控和显示摊铺作业和碾压作业，摊铺作业时，通过GPS实时定位数据计算显示碾压点的摊铺厚度，实时显示摊铺作业轨迹；碾压作业时，实时自动统计和计算任意位置处的碾压遍数、压实厚度和压实度传感器测到的压实度等数据，并考虑土方压实的分层施工情况在地图上分层可视化显示(如图8所示)，同时可供用户在线查询。

图8 实时展示子系统

1.2.3 数据发布子系统

发布子系统是一个Web网页系统，管理员通过该系统可进行人员管理、施工区管理、车辆管理及GNSS设备管理，并且可以查看当前工程完成进度及质量参数。但是工程信息要求具有真实性，即使是管理员也只具有查看权限，此类信息都是通过车载系统生成的信息，记录着工程的施工情况，不能进行增删改操作。

1.3 工作流程

连续压实管理系统的各个子系统之间相互协同工作，实现对土方工程的全过程连续管理。如图9所示，首先数据处理子系统根据工程实际需求预先设置车辆、人员和施工区的配置文件信息；将配置文件加载到车载子系统，车载子系统在作业工程中实时采集位置轨迹信息、摊铺和压实信息，这些信息可以在车载平板电脑上显示并根据后台的反馈结果对施工车辆进行管理；同时采集到的信息经过无线传输至实时展示子系统中展示和生成评估报告；根据显示和报告结果，寻找需要抽检的特征点，抽检后将抽检结果录入点抽检系统；如果符合施工标准则结束该作业层施工，并在数据发布子系统中发布工程数据。

图9 连续压实管理系统的工作流程

2 压实指标控制

土方压实工程管理中最核心的就是压实度指标的监控，连续压实管理系统除了能够全方位实时监测并记录所有施工机械作业的时间、位置和工作质量，还针对碾压这一核心过程同时进行压实工艺指标监控和压实质量指标监控[7-8]，并且能够在现场车载平板和后台服务器实时显示和管理。施工质量状况将在自动生成的报告中显示，指导传统检测项目的进行，并将传统检测方法得到的结果录入系统，进行科学管理。

2.1 压实工艺指标监控

压实工艺指标监控是一种宏观的监控方法，传统的监控方法是人工测量和记录碾压遍数和压实厚度数据，数据资料不准确、不全面；而且填筑材料和压实机械不同，很难凭经验确定压实状态，无法做到科学管理[9]。

在连续压实管理系统中，车载平板和后台计算机都能够实时显示碾压遍数、压实厚度等压实工艺指标，不同位置的碾压遍数和压实厚度会根据卫星定位技术在地图上相应的位置以不同的颜色表示，直观可视化的控制方法可以有效地避免漏压、欠压和过压现象的出现。

2.2 压实质量指标监控

压实质量指标的监控可以直接反映土方的压实度指标，但是传统的检测方法(灌砂法、弯沉法等)都是事后局部点的抽检[10]，无法做到实时管理，也无法保证抽检结果的代表性。只能通过加大抽检数量增加检测结果的可靠性，但是这些检测方法都是破坏性检测且费工费时，纸质的施工资料也不方便保存和管理。

在连续压实管理系统中，连续压实控制技术的应用可使压实度传感器直接实时地检测土方压实状态。压路机振动轮对土方施加振动激励时，由于土方的密实程度不同而得到不同的动态响应，压实度传感器会根据振动响应计算压实度情况，压实度情况也会根据定位结果以不同的颜色显示在轨迹地图上，从而进行连续压实质量监控。压实质量指标监控更本质地记录了压实工程的施工质量，这是进行机械调度和管理的直接依据，也是传统抽检项目选点的重要依据。

3 后续研究方向

3.1 智能化

随着我国压路机制造技术的日益成熟，在连续压实度管理系统的基础上，可以进一步发展智能压实管理系统[11]。

可根据实时记录的土方压实度情况调整压路机振动轮内偏心块的相位角，对压路机振动程度进行调整，这样有针对性地碾压施工，可以保证土方压实度的均匀性[12]。

高精度卫星导航技术的应用除了可以实时记录工程机械的作业轨迹，还可以为自动驾驶技术的应用提供支持[13]。智能压实管理系统的后续研究中可以综合压实度数据和卫星定位信息，实现压路机的自动碾压。

3.2 三维可视化

连续压实系统虽然已经能够实时记录工程机械的作业轨迹，但只是在平面网格上以不同颜色进行展示。后续的研究目标就是通过三维建模软件，建立施工区的三维模型[14]，直观地展示压实状态，这也是BIM技术在土方工程中更深层次的应用[15]。

4 结 语

连续压实管理系统集成了卫星定位技术、连续压实控制技术、微电子技术和无线通信技术，针对土方工程施工的运料、摊铺、碾压和抽检的全过程，通过现场数据采集系统和后台管理系统进行综合智能展示和管理，方便业主、监理和施工各方实时全面地掌握施工进度和质量，准确记录和存储工程资料，实现科学管理，节约人工和成本，未来必然会有更大的研究和发展空间。

[1] 福斯布拉德.土石填方的振动压实[M].甘杰贤，译.北京:人民交通出版社,1986.

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[3] 黄声享, 刘经南, 吴晓铭. GPS实时监控系统及其在堆石坝施工中的初步应用[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2005, 30(9):813-816.

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[5] 陆永明. 中海达智能压实管理系统及其应用[J]. 测绘通报, 2014(12):129-130.

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Research and Application Advantages of Continuous Compaction Control System

LIN Guoli，LU Yongming，CHENG Jingwei

(Hi-Target Positioning Technology Co. Ltd.， Guangzhou 511400，China)

In order to meet the requirements of compactness in the earthwork reclamation construction, high precision positioning technology based on Global Navigation Satellite System(GNSS) and continuous compaction control(CCC) technology are both used to develop a compaction management system that can monitor the whole process. The composition of the compaction management system and functions of each subsystem are also introduced, and the integrity of the management system is embodied in the cooperative workflows of all subsystems. In the rolling subsystem which is the core of the system, the construction quality can be effectively controlled by compaction process index and compaction quality index. Continuous compaction management system can monitor and manage the whole process of earthwork. It is an important attempt of building information modeling(BIM) in the earthwork compaction project, which has great application prospects and advantages.

GNSS technology; continuous compaction control; whole process; BIM

林国利，陆永明，程经纬.连续压实管理系统的研究和应用优势[J].测绘通报，2017(6)：114-117.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0202.

2016-10-21

林国利(1982—)，男，工程师，研究方向为卫星导航技术在土木工程方面的应用。E-mail：lingl2002@126.com

程经纬。E-mail:jwchengzhd@163.com

P208

A

0494-0911(2017)06-0114-04