基于“物联网+AI”技术的沥青路面施工管控关键技术研究与应用

毛剑

摘要：“物联网+”及“AI”理念已嵌入生产生活各个领域，研究基于“物联网+AI”的沥青路面施工管控关键技术，主要通过对拌和楼、摊铺机、压路机、运输车嵌入AI智能管控终端，完成对沥青施工中拌合、运输、摊铺、碾压全过程的智能化监管，实现沥青路面施工全域管控、实时过程决策、施工生命周期在线、监督预警及铺装质量的可追溯。实验证明，该系统可显著提高施工现场的决策能力和管理效率，无须人工干预，且已产品化，具有广阔的市场前景。

关键词：沥青路面施工；AI；“物联网+”

一、前言

近年来，我国交通基础设施的建设如火如荼、蓬勃发展，各种公路施工建设的过程中，沥青路面具有表面平整、行车舒适、耐磨、噪音小、养护维修简便等特点，越来越多地被应用到各种等级的公路中[1]。党的十九大提出的《交通强国建设纲要》中指出，大力发展智慧交通，推动大数据、互联网、人工智能等新技术与交通行业深度融合[2]；同时交通运输部紧紧围绕“建好、管好、护好、运营好”，出台《公路工程建设标准管理办法》[3]等文件，采用信息化手段推动公路建设高质量发展，以探索“互联网+交通基础设施”的发展新思路。

“物联网+”及“AI”理念已嵌入生产生活的各个领域，为各行业的发展起到了积极的促进作用。在此背景下，相关的智能技术在公路施工建设中的应用也在不断地涌现[4]。在保证公路工程建设质量、提高建设效率的前提下，如何将新型的、前沿的信息化技术应用于公路建设工程施工及管理的过程中，以进一步提高施工过程中质量控制的智能化与公路施工管理水平的科学性，成为目前公路建设工程信息技术及科学管理技术应用亟需解决的关键问题。

近年来，“公路养护施工智能化管控”应用越来越广泛，依托物联网技术高效地实现了公路工程建设过程中人、机、料、法、环多个维度信息数据共享、联动管理。但由于没有形成一个统一的建设标准及建设体系，其应用较为零星、局部、分散。故运用新型的互联网通信技术对施工设备进行状态监测，并运用AI技术对数据进行实时处理，将“结果检查”转变为“过程决策”对于工程费用较高的沥青路面施工尤为重要。

为此，有必要建立一个依托“物联网+AI”技术的沥青路面施工管控系统，其对推动各地沥青路面动态质量管控和施工过程决策具有深远意义，对于提高沥青路面施工质量、延长路面使用寿命都具有积极的促进作用。

二、系统概述

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是计算机科学的一个分支，是使机器能够具备一些通常需要人类思维、人类智能才能完成的复杂工作。随着微电子技术的跨越式发展，人工智能的研究已经逐步应用于系统监测方面的各个领域。

本课题基于“物联网+AI”的沥青路面施工管控体系，主要由沥青路面施工现场移动物联网监测、AI过程决策和沥青路面施工管控服务实现。通过对拌和楼安装智能管控终端，实现沥青混合料拌和生产环节关键参数的实时采集、分析、预警、决策，提升沥青混合料生产管理水平，降低生产质量波动；通过对沥青路面施工前场设备的物联网信息化改造，实现对沥青拌合料的运输、摊铺、碾压全过程智能量化监管。整个体系由沥青拌和楼生产智能化数据采集及出料温度监测系统、沥青混合料运输质量追溯监测系统、沥青混合料前场摊铺智能监测系统、沥青混合料前场碾压质量智能监测系统、施工现场可视化系统、AI物联网智能管控终端组成。其整体系统架构图如图1所示。

三、功能模块

沥青路面施工管控主要对拌合楼、运输、摊铺及碾压四个工序的各个环节关键点进行监测分析。本课题以公路沥青路面施工管控服务应用为抓手，全过程监管公路养护中沥青路面施工工作，提升管理效率，促进公路养护工作高质量发展。即基于AI技术实现沥青混合料拌和生产环节关键参数的实时采集、分析、预警、决策服务。通过对沥青拌合料从运输到沥青路面施工前场设备的物联网信息化改造，实现对沥青拌合料的运输、摊铺、碾压全过程智能化监管。同时，通过平台和手机App将各种分析后的数据发送给监管部门及施工管理人员。

（一）沥青拌和楼生产智能化数据采集及出料温度监测系统

沥青混合料的后场拌合生产是控制沥青路面施工质量的重要环节。通过在沥青拌合楼布设高精度温度传感器和AI物联网智能管控终端对生产过程中的温度数据进行实时采集，并实时传输至后台数据中心。数据中心对生产数据进行存储、计算分析和智能反馈，实现沥青混合料出料温度实时控制。

（二）沥青混合料运输质量追溯监测系统

在沥青运输车辆上加高精度北斗+GPS融合定位和RFID标签，可以实时捕获车辆位置。在摊铺过程中，运输车辆与沥青摊铺机进行实时通讯，实现混合料与路面施工桩号的匹配，以及沥青混合料全周期前后场匹配和溯源。

（三）沥青混合料前场摊铺智能监测系统

通过在摊铺断面布置红外传感器，实时读取整个摊铺断面的实时温度数据，同时对摊铺机行驶速度进行实时采集，实时传输至后台数据中心。

（四）沥青混合料前场碾压质量智能监测系统

沥青混合料前场碾压关乎沥青路面施工的最终质量问题，通过对压路机加高精度北斗+GPS融合定位，实时获取压路机碾压速度和碾压遍数碾压。同时，通过红外温度传感器获取碾压沥青表面温度。

（五）AI物联网智能管控终端

摊铺机和压路机分别安装AI物联网智能管控终端，实时对采集的数据进行分析，并将分析的结果上传至数据中心。

四、系统软件

沥青路面施工智能管控中主要车辆包括压路机、摊铺机、沥青混合料运输车三种车辆的全过程管控，整个系统软件采用分层设计，主要包括系统展示层、应用服务层、AI分析处理层及硬件资源层组成。

硬件资源层主要由安装在拌合楼、沥青混合料运输车、沥青摊铺机、沥青压路机上安装的各种传感器及供电系统控制组成，负责底层数据采集，并将数据转发给AI分析处理层。

AI分析处理层负责对底层传感器的数据进行深度分析，实现对各设备的监测。①压路机运行状况实时动态监测，包括压路机运行速度、压路机行驶加速度、压路机转弯角速度及角加速度、压路机振动状态、压路机所处位置的混合料温度、地面碾压遍数；②摊铺机运行状况实时动态监测，包括摊铺机运行速度、摊铺机变速监测、摊铺机突然转弯监测、混合料摊铺温度等；③沥青混合料运输车实时监测，包括车辆速度、超速、超时、越界等；④拌合楼实时监测，包括出料口沥青混合料温度，生产配合比、各档热料仓用量、矿粉用量、油石比、混合料级配、拌和楼生产周期、骨料加热温度、沥青加热温度等。

应用服务层综合处理底层数据进行存储、计算分析和智能反馈，为顶层提供展示数据，为各种终端提供数据支撑及数据交互等。展示层根据用户需求将各种数据以图表、报警等方式进行展示。

五、数据分析

以沥青路面碾压为例，采用BOMAG双钢轮压路机进行数据采集并分析，压路机安装红外传感器用于实时采集地面沥青混合料温度；安装高精度北斗+GPS实时获取压力机位置；安装九轴传感器，获取双钢轮振动数据及驾驶员误操作监测；安装高清摄像头对采集数据及分析结果进行双向验证。选取压路机部分数据，即加速度、角速度、速度、沥青混合料温度，如图2所示。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，碾压过程中其沥青混合料温度不低于75℃，且全过程沥青混合料温度不能高于200℃。双钢轮压路机应以慢而均匀的速度对沥青混合料进行碾压，双钢轮压路机的碾压速度应满足2～6km/h，最大不超过6km/h；双钢轮压路机的碾压路线及碾压方向不应突然改变，否则容易导致沥青混合料推移、鼓包；碾压区的长度应大体稳定，两端的折返位置应随摊铺机前进而推进，横向不得在相同的断面上。

如图2所示，压路机加速度曲线图中红圈处，短时间出现加速现象，同时其方向也出现持续变化，AI智能管控终端给出结论为：压路机迅速减速后快速掉头，由于减速过快，双钢轮压路机的质量非常大，碾压局部温度超过200℃，且掉头后速度曲线可看出压路机车速短时间内超过了6km/h，本时间段沥青混合料有推移或鼓包风险。该分析结果通过与高清摄像头进行比对，与实际情况完全一致。

六、结语

本文引入时下先进的控制方法，即“物联网+AI”，对沥青路面施工管控关键技术提出了切实可行的控制方法，通过对拌合楼、运输、摊铺及碾压四个工序中各个环节的沥青混合物进行温度监测，保障整个过程施工温度符合规范要求；通过对摊铺及碾压过程采集其速度、加速度、转向速度、振动等数据进行监测，保障整个过程施工人员没有误操作。对施工过程实现全生命周期在线、留痕可溯、监督预警，对提高沥青路面施工质量、延长路面使用寿命都具有积极的促进作用。

参考文献

[1]蒋润兰.公路施工中沥青路面铺装的施工技术[J].科技风，2015（14）：1671-7341.

[2]中共中央国务院印发《交通强国建设纲要》[C].2020中国仓储配送行业发展报告（蓝皮书），2020：397-406.

[3]交通运输部关于印发《公路工程建设标准管理办法》的通知[J].中华人民共和国国务院公报，2020（21）：78-80.

[4]饶舰.新一代信息技术与公路工程建设管理融合应用研究[J].公路，2022，67（12）：245-252.

作者单位：杭州市综合交通运输研究中心