基于物联网的高速公路沥青路面施工质量动态实时监控

张宗兵，王思尧，王 云，杨雄伟，余泰兴

(云南建投路面工程有限公司，云南 昆明 650000)

施工过程动态控制在沥青路面施工的质量管理和后期养护决策中起到至关重要的作用。我国传统意义上的沥青路面施工质量控制实际上是一种事后检验与控制的模式，这直接导致施工质量问题反馈时间较长，致使施工质量的实时控制失去重点，成为形式。

以往的施工质量管理主要集中在施工的前期且以管理人员的经验和应变能力为主，随着信息技术和物联网技术的发展，建筑领域行业逐渐利用计算机辅助各项工程的设计与施工阶段。计算机辅助下的可视化远程监控是一项包含了信息通信、计算机、物联网及信号控制技术等的全面综合技术。[1-2]结合信息化技术对施工环节的质量信息进行实时采集存储、处理分析是实现真正意义上沥青路面质量动态控制的必备环节。近年来，国内外诸多学者对沥青路面施工质量的动态控制展开了大量的研究，[3-7]大多数研究集中在拌合站的数据采集、摊铺机压路机的施工作业信息获取等，在一定程度上实现了沥青路面施工主要环节和机械的远程控制，但对于施工环节的质量信息评价与反馈处理研究较少。同时，结合先进的数理统计分析技术在施工生产数据异常波动检测上的应用也极为匮乏，[8-9]已有的研究大多是利用传统的休哈特控制图，其灵敏度和准确性已很难适用目前大面积施工生产过程产生的各类数据波动的检出需求。[10]当前沥青路面施工质量控制的信息化技术目前已成为施工质量控制的重要手段，结合运用信息化工具实时、全面采集和传输施工过程数据，并对施工数据实时处理和分析，对施工中出现的质量波动及时预警，将会大大提高了沥青路面施工的均匀性和稳定性。[11]

本文立足于实现沥青路面施工质量的动态实时监控、远程可视化管理及质量信息评价与反馈，依托云南省元蔓高速玉溪段的高速公路在建项目，结合卫星定位和云计算技术开发基于物联网的沥青路面施工质量控制信息系统，通过安装施工各环节控制指标检测的传感器，结合物联网技术实时传输至信息系统平台，利用先进的统计控制理论进行施工生产数据的异常波动检测并及时反馈纠偏，设置自动报警功能以达到第一时间反馈至各施工环节的目的。通过以上手段使项目部、业主、施工单位及监理单位实时同步地掌握施工现场情况，及时发现问题并采取纠正措施，从而真正实现沥青路面施工过程的动态实时监控，提高路面施工控制的信息化管理水平。

1 高速公路沥青路面施工质量动态控制系统组成

本文研究的沥青路面施工信息化系统是利用卫星定位、物联网和云平台等技术，采集沥青路面施工过程数据，借助大数据、云计算完成模型和数据关联分析，最终实现沥青路面施工的质量动态管控、高效管理的数字化、信息化系统。如图1所示，系统主要由拌合站管理子模块、运输管理子模块、摊铺管理子模块、压实管理子模块及领导驾驶舱等几大模块组成，具有以下特点：

(1)集成度高：涵盖路面施工各关键环节，多元化数据类型；

(2)独立性强：各子模块均可独立作为子系统运营；

(3)可扩展性强：可扩展视频监控模块等子模块，也可对接其他综合性平台，提供可靠的数据支撑。

图1中所示的系统结构表明了系统的数据采集、服务器布置、信息平台搭建及各层级用户端等内容，系统采用浏览器/服务器(B/S，Browser/Server)网络结构模式。[12-13]

对于施工过程的数据采集，本系统借助拌合站黑匣子、北斗高精度定位GNSS接收机、红外线温度传感器、振动加速度器、RFID无线射频设备等各类软硬件技术，实现施工全过程关键工艺参数数据的采集，并通过4G/GPRS技术进行传输。最后在信息平台上结合控制图理论进行施工生产数据的质量判定与预警。

服务端是基于Java，Linux及MySQL，运行于阿里云基础设置之上，确保稳定可靠；利用开放的Web服务接口实现完全面向服务的设计；采用MD5加密及SSL HTTP安全证书以保障服务端安全性。[14]

客户端调用Web服务而不是直接访问数据库，且与服务端异步传输数据，实现完全的AJAX交互界面，具有安全、友好、丰富、真实、大方的特点。

2 动态控制系统监控的内容

本系统主要针对沥青路面面层施工生产的拌合、运输、摊铺及碾压环节的质量进行监控。其中主要监控的关键指标如表1所示。

表1 沥青路面施工动态控制系统监控内容

3 基于物联网动态监控的关键技术

系统构建的核心目标是实现沥青路面施工质量的动态实时监控、远程可视化管理及质量信息评价与反馈，从而保证路面施工生产质量。基于以上核心目标的需求，系统建设的关键技术旨在解决数据采集与传输、网络通讯、生产数据与反馈等方面的问题。

3.1 施工过程质量信息的连续采集与传输

如图2所示的是系统数据采集拓扑图，本系统借助黑匣子、北斗高精度定位GNSS接收机、红外线温度传感器、振动加速度器、RFID无线射频设备等各类软硬件技术，实现施工全过程(包含拌合、运输、摊铺及碾压)关键工艺参数数据的采集。数据采集过程需满足以下要求：

图2 系统数据采集拓扑图

(1)全面：从原材料到生产、现场、试验检测全过程环节涵盖；

(2)实时：实时采集、实时解析、实时传输，确保及时响应；

(3)续传：在因故中断后，可自动续传，维护数据链完整性。

3.1.1 拌合站的数据采集

拌合站沥青混合料的施工生产质量控制是路面施工质量控制的关键，其关键指标对于建成后的路面使用性能有很大的影响。为实现沥青拌合站生产数据的精准实时传输，系统建立了集成4G数据协议模块的拌合站生产数据采集模块，并将其安装在沥青混凝土拌合站控制室工控电脑上，实时采集沥青混凝土生产过程数据(配合比、材料用量、拌合时间温度、拌合站时间、施工层位等)，最终发送到信息软件平台进行数据可视化表达，如图3所示。

图3 拌合站系统数据采集传输展示流程图

3.1.2 施工现场的数据采集

施工现场数据采集主要包括野外作业基站及定位系统的选址于安装、运输摊铺及碾压环节相应硬件的安装。首先，依据基站选取的地势和视野要求，将基准站安置在建筑物顶以便接入电源和网线，同时建筑物的高度保护也有利于向RTK和GIS流动站传送RTK和DGPS数据，以及建构大地控制网。

然后，安装车载GPS于运输车内，利用北斗定位系统、RFID等数据采集设备，准确识别填料运输车车辆信息、驾驶员信息、装料时间、装料地点、运输路线、运输时间等重要信息。保证系统具备填料溯源和运输监控作用，将施工现场和料场衔接，确保运输车在有效时间内及时到场和卸料。

最后，摊铺数据采集终端是将温度、速度传感器、高精度卫星定位模块及集成控制箱子，安装于摊铺机，以实时采集摊铺过程数据；碾压数据采集终端安装是将温度、振动、速度传感器、高精度卫星定位模块及集成控制箱子，安装于压路机，以实时采集压实过程数据。最终采集的数据一并发送到信息系统软件平台。

图4 施工现场数据采集设备安装

3.2 网络通讯

一般户外高速公路沥青路面的施工现场位置基本都比较偏僻，尤其是山区路面建设，同时施工机械(摊铺机、压路机等)。综合考虑以上因素，本系统不便采用有限网络通讯的方式，必须选取无线网络通讯传输作为数据传输方案。

本系统采用是一款智能型GNSS接收机AI startra CM1，可用于厘米级精密定位服务系统，兼备高可靠性和高精度、体积小等特点。产品抗震等级高，有较高的硬度和抗冲击指标，适应野外工程环境。此外还利用BD/GPS卫星定位系统、GPRS/4G/蓝牙无线通信网络、ARM嵌入式计算机等技术，具有多系统RTK解算功能。中国移动4G无线网络覆盖率广泛且传输信号稳定。以上设备及功能特点基本满足了沥青路面施工质量监控信息系统的数据实时采集与传输展示需求。

3.3 施工过程质量信息的实时动态分析与判定

施工生产过程控制图是基于统计学而形成的，对过程质量数据测定、记录从而进行质量控制。图上有中心线(CL)、上控制限(UCL)和下控制限(LCL)，如图5所示。本系统根据高速公路沥青路面施工规范和标准的规定，结合统计过程控制(SPC)相关理论，开发基于控制图方法的施工关键指标动态控制，通过采集上传至信息平台的批次数据，结合控制图设定的上下限，进行质量实时监控并发送短信至各环节进行调整施工。[15-16]

图5 控制图实例

对于施工采集的数据分为以下两类：

(1)一级指标：直接可以采集到数据信息的指标，如拌合站的矿料重量、沥青拌和温度、摊铺温度、速度、碾压温度、速度等；

(2)二级指标：需要通过一级指标计算得到的，如油石比、关键筛孔通过率、级配曲线等。

结合以上指标的样本检测数据，考虑到传统休哈特控制图的不足，本子通将累积和(CUSUM)控制图与休哈特控制图在沥青路面施工质量控制过程中联合应用起来进行监控分析，[17-18]将两种控制图的优势进行融合，检出效果明显优于其中的一种，可以尽快发现沥青路面生产过程中的异常波动。

4 动态控制系统实际应用

沥青路面施工过程质量信息化监控系统在实际使用时按权限高低分为3层结构，见图6。用户只需获得权限，登录系统后，就能查看所有的原始数据和分析评价结果。

图6 系统管理数据流程图(分级别)

本系统在云南省元蔓高速玉溪段的高速公路在建项目中实际应用，在施工质量控制的各个环节进行监控与反馈，取得了良好的效果。

4.1 领导驾驶舱

如图7所示，进入系统驾驶舱页面就像进入汽车驾驶舱一样，展现在面前的将是各种各样的图形界面，例如项目进度图等、生产中的各种进度指标的具体数据，使得就能够更直观、全面地了解到了生产中所有指标的具体情况，便于快速地做出下一步决策。

图7 领导驾驶舱

4.2 拌合站控制子模块

4.2.1 一级指标动态控制实例

图8显示的是云南元蔓高速某在建路段1标2020年8月14日～2020年9月5日连续施工二十天的油石比指标采集样本数据的控制图案例。如图8所示，根据本系统提出的休哈特控制图与累积和控制图联合应用的方法，选用受控平均链长为740，参考值系数k取值为0.5，据此得到控制限值系数h=4.77，则K=ke，判定值H=13.72。在同一坐标系中分别绘制出相应的累积和控制图和休哈特控制图。

图8 油石比波动曲线

图8中显示的油石比的累积和控制图虽然显示基本受控，但结合通过Xbar-s图，第9个样本均值超出控制图上限，这也体现了休哈特控制图对瞬时的均值便宜检测较为灵敏的优势，通过系统预警功能及时反馈至拌合站，结合现场实际判断需要调整施工生产相应方案。

4.2.2 二级指标动态控制实例

表2是云南元蔓高速某在建路段面层施工原材料信息，通过试验获取的配合比设计，将筛孔通过率计算算法编写到施工质量控制信息系统之中，以便于实时计算得到筛孔通过率的二级指标。

表2 配合比实时分析表(单位℃)

为了对比分析，对于上中下面层分别采用4.75mm筛孔通过率(2020年9月1日-9月20日生产数据)进行质量动态分析，采用休哈特与和累计和联合控制图进行异常情况分析。

图9中上面层4.75mm筛孔通过率通过Xbar-s图，第6个样本标准差s超出控制图超限，综合判断需要调整施工生产相应方案。

图9 上面层4.75mm筛孔样本检测数据联合控制图

图10中中面层4.75mm筛孔通过率的累积和控制图在第17个样本时超过上侧界限，同时Xbar-s图第16个样本均值即超过控制图上限，可以判定施工生产处于失控状态，需及时调整措施。

图10 中面层4.75mm筛孔样本检测数据联合控制图

图11中下面层4.75mm筛孔通过率的累积和控制图基本受控，结合休哈特控制图综合分析其施工生产过程属于受控状态。

4.3 运输环节监控子模块

如图12所示的是云南元蔓高速某在建路段2020年12月9日一标段上面层施工过程运输车的系统监控界面。系统中根据路段实际施工的范围和运输车计划行车轨迹和时间制定了相应的围栏区域，如图所示的水蓝色区域，图中展示的车辆在监控时刻结合GPS获取的位置信息及围栏区域、可以判定该车辆正在合理范围内进行运输工作。可以看到列表中有两辆运输车显示离线状态，系统显示字体变红，此时需要发送告警信息，结合实际车辆判断是何种原因所致(定位系统损坏或运输车违规操作等)。

图12 运输环节信息系统监控示例

4.4 摊铺环节监控子模块

如图13所示为云南元蔓高速某在建路段2019年5月11日二标段下面层AC-25密级配沥青混合料的摊铺温度实时监控示例。从图13中可以看出，当天总共采集到了155 组现场摊铺温度数据。根据交通运输部制定的《公路沥青路面施工技术规范 JTG F40-2004》并结合项目实际需求，设定该摊铺过程温度控制的上小界限。如图13所示以2d平面效果图展示实时摊铺的过程，在路桩之间分段展示，可用温度进行筛选。当天所示的下面层混合料摊铺温度合格率较高。

图13 摊铺环节信息系统监控示例

4.5 碾压环节监控子模块

图14所示为云南元蔓高速某在建路段2019年5月50日二标段左幅下面层AC-25密级配沥青混合料碾压数据及其细节的展示。图中的列表展示了该标段碾压机遍数和车道等综合信息，对于K114路桩范围内点击右方碾压遍数细节可弹出碾压遍数的3D效果图，直观形象地展示出该范围路段施工整体碾压遍数符合要求。

图14 碾压环节信息系统监控示例

5 结论

本研究基于信息技术、物联网技术、云计算和统计过程控制分析理论的高速公路沥青路面施工质量控制信息系统，具有以下结论：

(1)系统利用GPRS/4G无线网络通信技术，基本满足了沥青路面施工质量监控信息系统的数据实时采集与传输展示需求，结合各类硬件设备对沥青路面施工环节关键质量指标进行自动采集、实时传输分析计算，实现了路面施工控制的远程可视化信息管理。

(2)针对施工关键质量指标的异常波动检测，提出了一种联合运用休哈特控制图和累积和控制图的方法，优势互补，满足了持续性偏移和瞬时便宜的检出需求。

(3)在施工过程的摊铺碾压环节，结合信息可视化手段，对摊铺碾压过程的关键指标和施工过程进行三维可视化展示，信息表达更加清晰直观，便于及时发现问题。