董 刚1，刘义彬2，郑南翔1
（1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.广州市市政工程设计研究院，广东 广州 510060）
摘要：为了构建一套完整的沥青路面施工质量信息实时监控评价系统，开发了沥青混合料拌和站和摊铺机的数据实时采集程序，通过3G无线网络实现了数据实时传输，采用数据库、Java语言和统计过程控制（SPC）原理建立了基于B/S（浏览器/服务器）结构模型的沥青路面施工过程质量信息分析与评价模块，并对其关键技术进行研究；采用合格率、SPC控制图和过程能力指数等统计参数对沥青混合料拌和与摊铺的关键施工参数进行实时动态的评价和反馈，以可视化的图表显示评价结果，对超阈值数据进行高亮显示和自动短信报警。实际效果表明，该系统能实时、准确地对相关参数进行采集和分析评价，并对异常数据进行报警反馈。
关键词：道路工程；实时监控系统；信息化；施工过程控制；数据采集
过程控制对沥青路面施工质量和使用性能的好坏具有重要作用。长期以来，我国沥青路面施工质量控制方法一直采用“事后控制”的模式，只能对完工后的沥青路面性能进行检测。这使得施工检测
数据反馈时间较长。业主、监理和施工方无法及时地掌握施工质量情况。发现质量问题时，只能对已完工的部分进行铲除重铺，既影响路面质量，浪费严重，又耽误工期。解决该问题最有效的方法就是利用信息化远程监控系统进行施工过程质量信息的实时采集、传输、动态分析与判定，以及施工过程的远程可视化监控与管理，即实现真正意义的沥青路面施工质量过程控制。计算机远程监控是一种集计算机、互联网、通信和控制技术于一体的综合技术[1-3]。国内多名研究人员对沥青混合料拌和站及摊铺机的远程控制技术开展了研究[4-12]，基本实现了沥青路面主要施工机械的远程在线监控，但对实际施工数据的实时综合评价与反馈方面的研究较少。
为了实现沥青路面施工过程的远程监控和质量管理，本文开发数据自动采集程序并利用3G无线网络对沥青路面施工过程中关键设备的主要参数进行实时采集与传输，通过研发的数据分析评价模块对采集的参数进行实时、动态的二次挖掘，并将原始数据和评价结果以可视化图表的形式发布至互联网，对超过阈值的施工信息实现手机短信自动提醒报警功能，使业主方、监理方和施工方及时掌握施工情况，发现问题，及时纠正，以实现沥青路面施工过程控制，保证施工质量稳定性，提高施工控制水平与管理水平。
沥青路面施工过程质量信息化监控系统采用具有良好的跨平台特性、交互性和开放性的浏览器/服务器（Browser/Server）网络结构模式[8]。该系统由施工现场数据采集和视频监控模块、3G无线网络传输模块、数据库服务器和视频服务器模块、数据分析与质量评价模块以及信息反馈与用户终端5个部分构成。
图1所示为本系统的结构示意图。其中，施工现场数据采集和视频监控主要对沥青混合料拌和站、无机结合料稳定土拌和站、原材料加工场、沥青混合料摊铺机和压路机等关键设备进行施工过程质量信息和视频的提取与采集。现场采集的施工质量数据和视频将通过3G无线网络实时传输至数据服务器和视频服务器进行存储和管理。数据分析与质量判定模块对存储在数据库中的原始数据进行实时分析与质量评价，将结果以可视化的图表界面和手机短信报警的形式反馈给用户。用户只需获得权限，登录相应网站就能在线获得及时、全面的施工质量信息，并能查看历史施工数据。
图1 沥青路面施工过程质量信息监控系统结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of quality in formation monitoring system structure of asphalt pavement construction process
本系统主要的监控对象是沥青混合料的拌和与摊铺过程以及水泥稳定类基层材料的拌和过程。表1所示为本系统重点监控的内容与指标。
表1 本监控系统所监控的主要指标
Tab.1 M ain indexesmonitored by themonitoring system
机械名称 指监控标沥青拌和站 油石比、各热料仓的集料比例、粉料比例、集料和沥青的加热温度、混合料的出料温度；水泥稳定土拌和站 水泥剂量、各冷料仓的进料比例、含水量；摊铺机 混合料的摊铺温度、摊铺机的行走速度。
构建该监控系统的目标是实现真正的施工过程控制，及时发现和纠正施工过程中的异常情况，严控施工过程从而保障施工质量。而要实现这个目标，就必须解决网络通讯、数据自动连续采集与实时传输、远程可视化监控与管理、生产数据的实时自动分析与反馈这3方面的关键技术。
3.1 网络通讯
考虑到沥青路面施工的地方都比较偏远，且摊
铺、碾压等设备的移动性强，不便于采用有限宽带网络实现监控数据和视频信息的采集和传输，因此必须采用无线网络作为本系统的信息传输模块。与2G（GPRS/CDMA）无线网络相比，3G无线网络能提供更高速的数据和多媒体信号传输能力，其在不同环境下的传输速度能够达到384 kb～3 Mb/S[13]。本文采用中国电信3G（CDMA2000）无线网络进行数据传输。中国电信的3G无线网络具有非常广泛的网络覆盖率，且网络信号比较稳定。这些特点基本能够满足监控系统实时传输视频数据以及采集到的数据信息的要求。
3.2 施工过程质量信息的连续采集与传输
3.2.1 拌和站的数据采集
拌和是沥青路面施工的关键过程，其控制水平的好坏对沥青路面的使用性能和使用寿命具有重要影响。为了实现对拌和站数据的采集和传输，开发了集成3G模块的数据采集设备，将其与拌和站的工控机建立连接，利用安装在采集设备里的数据采集软件实时从拌和站里采集并传输生产数据。图2所示为拌和站数据采集设备。
图2 拌和站数据采集设备
Fig.2 Data acquisition equipment for m ixing plant
目前，各施工单位所使用拌和站的品牌和型号多样，使方式变得复杂。在采用本系统的几个工程建设项目中，拌和站的数据采集主要通过以下4种方式实现：
（1）直接从拌和站工控机的本地数据库采集实时数据；（2）通过工控机的并口打印机截取实时生产数据；（3）直接从拌和站PLC（可编程控制器）的485串口读取数据；（4）直接读取工控机上的数据文件。这种方式常用于水泥稳定土拌和站的数据采集。
通过（1）、（4）两种方式采集到的直接是实际的数据，而通过（2）、（3）采集到的数据需要按照一定的协议进行数据处理，才能获得真实的拌和数据。
另外，对于数据采集的方式来说，还可以通过抓取拌和站工控机显示器界面进行图像文字识别（OCR）或给拌和站架设一套独立的称重系统、传感器以及控制系统来进行数据采集。然而前者的识别准确率较差，后者费用高，且实施起来费时费力。
在服务器端，按照（项目名称，标段，工区号，设备型号，混合料类型，所属层位，时间）的格式存储数据。在数据存储时特别增加了以设定生产配比、最佳油石比、热料仓个数、粉料比例等参数为判断标准的脚本，以免将层位识别不清楚的个别数据存放至错误的位置，避免数据存储过程中出现错误或遗漏。
3.2.2 摊铺现场的数据采集
利用摊铺机的车载电源，在摊铺设备上安装一套用于数据采集和传输的小工控机，主要采集混合料的摊铺温度和摊铺机的行走速度，并通过车载网络摄像头实现摊铺现场的视频监控，如图3所示。所有的温度和速度数据都通过RS232串口传输车载工控机上进行信号数字化处理，再通过3G传输模块发送到远程服务器，存储在数据库中，保证了数据的准确性、及时性和客观性。
图3 车载数据采集设备
Fig.3 Data acquisition equipment for paver
（1）混合料摊铺温度采集
混合料的摊铺温度对其工作性和沥青路面的压实度有非常重要的影响，是混合料摊铺过程中应严格控制的指标之一。
利用安装在螺旋布料器两端和中间位置同一高度上的3个高精度红外温度传感器测试混合料的摊铺温度。因为非接触式的红外温度传感器只能检测到混合料表面的温度，而表面温度一般都会比混合料内部温度低一些。因此不能用传感器检测到的表
面温度正确评价混合料的摊铺温度。这就必须要通过大量的人工测量的混合料内部实际温度值对传感器的测试值进行修正，以得到修正补偿温度。最后，以3个温度传感器测试值的平均值与修正补偿温度之和作为混合料的摊铺温度，见式（1）。摊铺温度的采集频率设置为30 s/次或1 min/次。
式中，Ti为某时刻沥青混合料的测试摊铺温度；TiL，TiR分别为某时刻摊铺机螺旋布料器左侧位置和右侧位置的温度传感器测试的沥青混合料摊铺温度；TiM为中间位置；ΔT为沥青混合料摊铺现场的修正补偿温度。
（2）摊铺机行走速度的采集
摊铺机的行走速度主要可以通过以下几种方法采集：
①通过信号截取方式直接从摊铺机控制系统中读取信号，再通过数字信号处理获得其行走速度；
②在摊铺机机身两侧加装外挂的测速轮采集其行走速度。
3.3 实现施工过程监督方的远程可视化监控与管理
采用网络监控摄像头、USB视频采集卡和3G无线视频服务器对沥青路面施工过程的各个环节进行全方位的视频监控，并将视频信号发送至视频服务器，用户通过互联网即可随时查看施工操作过程的视频，减少施工过程中的不规范操作。本文采用CR300NC型3G网络摄像头。它采用H.264视频压缩编码，支持D1和CIF两种视频格式，自适应网络带宽方式传输视频。另外，目前的电信3G网络的带宽为384 kb～3 Mb/s，基本可以适应较低码率下的视频数据传输。
3.4 施工过程质量信息的实时动态分析与判定
根据相关规范和具体项目的设计文件要求，开发基于统计学的数据分析与质量评价模块，对传输到数据库的生产数据进行及时、动态的统计分析、评价与反馈，对超阈值的数据进行报警，并通过手机短信发送至项目建设方、监理方和施工方的相关人员，以便于工程相关单位及时纠正与调整，保证施工质量。
针对拌和站的生产数据，分析每盘沥青混合料的油石比、各热料仓的集料比例、粉料仓的比例、沥青加热温度及混合料出料温度。对于水泥稳定土拌和站，分析每分钟内各料仓所进料的重量比例、水泥剂量和含水量，将分析结果与设计值或设定的阈值进行对比，对超过阈值的数据进行短信报警；同时实时分析当天各参数的累积合格率、标准差和变异系数，绘制油石比、各温度数据、水泥剂量和含水量等参数的实时动态波动图；基于SPC统计过程控制，绘制油石比的均值-方差（
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4。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4 沥青路面施工过程质量信息监控系统实施结构图
Fig.4 Structure diagram for imp lementation of quality information monitoring system of pavement construction process
本监控系统先后应用于四川、甘肃和青海的多个沥青路面施工项目，对施工过程质量进行成功的监控和反馈，取得了良好的应用效果。
4.1 油石比监控实例
图5和图6分别为所示为四川某高速LM1标2012年9月3日的下面层混合料油石比波动曲线和甘肃某标段2014年6月28日的油石比波动曲线的部分截图。从这两张图中均可看出，每盘料的油石比基本都是贴着业主要求的控制下限。但由于拌和站称量系统控制精度所限，均出现了一些油石比低于控制下限的数据。其中，图5所示油石比的合格率只有51.66％，即将近50％盘数的沥青混合料的油石比都低于控制下限。
图5 四川某标段2012年9月3日油石比波动曲线
Fig.5 Curve of asphalt-aggregate ratio in a contract section in Sichuan Province（2012-09-03）
图6 甘肃某标段2014年6月28日油石比波动曲线
Fig.6 Curve of asphalt-aggregate ratio in a contract section in Gansu Province（2014-06-28）
究其原因，施工单位将沥青拌和楼的油石比设定值调为控制下限，导致监控数据出现异常。油石比长时间处于低限会对沥青混合料的水稳定性、低温性能和耐久性造成不良影响，容易过早引起导致路面病害，甚至会缩短其使用寿命。通过信息化监控系统的及时反馈，业主管理者和监理方迅速与施工单位就该问题进行了沟通。施工单位在监理方的督促下迅速恢复了正常的油石比设计值，沥青混合料的生产质量得到了有效保证。例分析表。从表中可知，矿粉的设计用量是4％，单实际拌和时却显示为0％。总监办通过监控系统及时发现这个问题，然后第一时间要求施工单位停止拌料。经实地核查，发现在拌和时确实添加了矿粉。出现该问题的原因是矿粉称量系统出现故障，无法将称量信息反馈给拌和站上位机。因而采集程序无法获得真实的矿粉含量，所以也无法明确在拌和时到底添加了多少矿粉。经过拌和站技术维护人员的现场检修之后，更换了损坏的零部件，彻底解决了该问题，保证了沥青混合料的生产质量，如表4所示。
4.2 矿料比例监控实例
表2是某项目LM4标2014年6月8日下面层混合料AC20的实时配合比分析表，从表中可以明显看出，标准生产配合比中矿粉比例的设定值为4％。在该项目中，矿粉比例的合理阈值范围为设计值± 0.5％。从表中高亮部分显示的内容和“平均值”一行里可明显看出当天实际拌和时矿粉比例仅为2.6％，低于3.5％的阈值下限。这对该混合料的高温抗车辙性能带来了非常大的隐患。
经现场调查，施工过程中有一台矿粉研磨机发生故障，矿粉生产受到影响，无法满足正常生产需求。相关人员施工过程中未经申请增加了0～3 mm细集料的用量，降低了矿粉用量。根据监测系统的反馈和现场情况调查，监控人员对该问题提出了相关纠正和改进建议。
4.3 设备故障远程监控实例
在监控系统运行过程中还发现了个别拌和设备在称量系统和控制系统方面存在一些缺陷。表3所示为某标段2012年7月28日沥青拌和站各热料仓比
表2 实时配合比分析表
Tab.2 Real-time analysis table ofm ix p roportion
AC-20时间 集料1集料2集料3集料4集料5 LM4-＞沥青拌和站-＞实时配合比分析-＞日期：2014-06-08-＞混合料类型：91.02 95.56 98.31 86.59 44.03 1.06 100数据个数947 947 947 947 947 947 947平均值 24.1 10.03 20.07 17.05 26.11 2.63 4.33总量/t 869.93 362.21 725.01 615.73 942.32 95.03 156.5变异系数 0.03 0.06 0.05 0.06 0.03 0.11 0.01 21∶26∶43设定比例矿粉油石比合格率22 12 20 19 23 4 4.4实测比例23.85 10.17 19.92 18.93 24.53 2.6 4.28 21∶25∶40设定比例22 12 20 19 23 4 4.4实测比例24.46 10.34 18.99 18.07 25.33 2.8 4.33 21∶24∶35设定比例22 12 20 19 23 4 4.4实测比例24.67 10.04 20.34 17.71 24.54 2.69 4.31 21∶23∶35设定比例22 12 20 19 23 4 4.4实测比例24 9.79 21.06 16.89 25.64 2.63 4.29 21∶22∶39设定比例22 12 20 19 23 4 4.4实测比例23.3 9.84 19.84 19.03 25.34 2.65 4.3
表3 2012年7月28日某标段各档石料比例分析表
Tab.3 Analysis table ofm ix proportion in some contract section on July 28rd，2012
时间 集料1～3 集料4 集料5 矿料1矿粉设计比例 23 21 4 08∶15∶20 22.33 21.08 0 08∶16∶20 22.32 21.37 0 08∶17∶27 23.37 20.79 0 08∶18∶23 22.32 21.15 0 08∶19∶29 21.94 20.6 0 08∶20∶24 23.51 20.81 0 08∶21∶32 22.51 22.35 0粒径 11-16 16-22 08∶23∶38 22.08 20.92 0
表4 2012年8月10日某标段各档石料比例分析表
Tab.4 Analysis table ofm ix proportion in some contract section on August 10rd，2012
时间 集料1～3 集料4 集料5 矿料1矿粉设计比例 23 21 4 07∶00∶41 22.65 20.7 3.73 07∶01∶35 23.13 20.74 3.82 07∶02∶29 22.28 21.23 3.83 07∶03∶22 22.83 21.42 4 07∶04∶16 22.95 21.01 4.07 07∶05∶33 23.78 21.06 4.04 07∶07∶05 23.35 20.51 3.86粒径 11-16 16-22 08∶18∶26 22.17 21.03 3.87
4.4 摊铺温度监控实例
图7所示为2013年9月25日四川某标段下面层AC-20C沥青混合料的摊铺温度曲线图的部分截图。从图7中可以看出，当天总共采集到了155组现场摊铺温度数据。根据现行《公路沥青路面施工技术规范》（JFG F40-2004）和项目实际要求，确定AC-20C混合料现场最低摊铺温度为130℃。以最低摊铺温度为下限值，监控系统自动实时计算出当天摊铺温度的合格率为63.87％，摊铺温度的平均值为139.63度。综合考虑合格率和平均摊铺温度这两方面的结果，表明当天混合料摊铺温度的总体情况比较良好。
图7 2013年9月25日某标段AC-20C混合料摊铺温度分析曲线图
Fig.7 Analysis curve of paving tem perature of AC-20C m ixture in a contract section（2013-09-25）
（1）本文利用3G无线网络和互联网信息技术构建了沥青路面施工过程质量信息化监控系统，对路面施工关键机械设备的主要参数进行实时自动采集、传输与分析评价，实现了施工过程的远程可视化监控与信息化管理。实际应用效果表明，该信息化监控系统操作简单、运行稳定，对保证沥青路面施工质量的稳定性和提高沥青路面施工管理水平具有重要现实作用。
（2）沥青路面施工过程的评价参数和评价结果等“过程值”如何能有效地与沥青路面交、竣工验收所得到的“结果值”有效结合，用以综合评价沥青路面在服务运营阶段的性能表现，构建一个大的沥青路面施工质量评价与管养系统，将是下一个要面临的挑战。
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Study on Real-time Monitoring System of Asphalt Pavement Construction Process Quality Information
DONG Gang1，LIU Yi-bin2，ZHENG Nan-xiang1
（1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Edvcation，Chang，an University，Xi，an Shaanxi710064，China；2.Gvangzhov Mvnicipal Engineering Design＆Research Institvte，Gvangzhov Gvangdong 510060，China）
Abstract：In order to establish a complete real-time information monitoring and evalvating system of constrvction qvality of asphalt pavement，a real-time data acqvisition program for collecting some key parameters from asphalt mixing plant and paver is developed.3G wireless internet is vsed to real-time transmit these data.Using data base techniqve，Java langvage and statistical process control（SPC）principle，a qvality information analysis and evalvation modvle of asphalt pavement constrvction process is developed based on B/S strvctvre model，and some research of the key technology is condvcted.Some statistical parameters are adopted to evalvate and feed back the key constrvction parameters of the asphalt mixing plant and paver real-timely，svch as qvalified rate，SPC control chart and process capability index. The evalvation resvlt is displayed with visval charts，the vnqvalified data arewarned bymobile shortmessage and highlight avtomatically.The application effect shows that the system can collect and evalvate the key parameters and warn the vnqvalified data real-timely and accvrately.
Key words：road engineering；real-time monitoring system；informatization；constrvction process control；data acqvisition
doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2015.11.005
中图分类号：U415.11
文献标识码：A
文章编号：1002-0268（2015）11-0027-06
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