CN113177242A - 一种公路地基连续压实监测管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种公路地基连续压实监测管理系统，包括激励系统、量测系统、分析系统、定位系统和可视化控制系统。解决了连续压实系统如何快速连续获取并储存压实信息的问题。在振动碾压过程中，系统自动连续采集路基对振动轮的动态响应信息，精度高，通过信号识别分析，得到与路基压实状态相关的结构抗力指标，即振动压实值VCV，作为评定路基压实状态的参数，实现对路基压实质量控制的目的。
Description
技术领域
本发明涉及智能施工技术领域，尤其涉及一种公路地基连续压实监测管理系统。
背景技术
地基处理是工程施工流程中至关重要的一环。路基作为公路工程基础性构筑物，路基工程的施工质量直接影响公路工程质量、使用寿命、建设期和运营期的安全性。公路工程建设一般具有施工线路长、工程环境复杂、建设工期紧、工作强度大、质量要求高等特点。实际工程中，因路基施工不当所造成的路基不均匀沉降、路基滑动、边坡坍塌和与之有关的路基结构破坏等时常影响公路的正常通行。通过新技术、新工艺和新材料保障路基施工质量是公路建设科技领域的一个重要课题。
现行路基施工技术规范中强调“以碾压过程控制为主，并按抽检的方式检测压实质量”。然而，常规高等级公路施工主要依靠监理和施工人员人工控制压路机碾压过程，由于受人为因素干扰，管理较粗放，往往易于造成漏压、欠压和过压等问题，难以确保施工质量。同时，传统压实质量检测主要依靠现场“抽样”试验进行，存在欠压、漏压和过压现象，属于“点”控制和“事后”控制，难以实现过程控制和全面控制。基于以上不足，采用连续压实控制技术全过程实时的对整个碾压面压实质量进行全面监控和检测是提高路基施工质量的一条新途径。
连续压实控制技术是指在填筑体碾压过程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过连续量测振动压路机振动轮竖向振动响应信号，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制。当前主要发展出了三个重要分支：①瑞典的谐波比CMV方法；②德国的振动模量方法；③我国自主研发的动力学振动压实值VCV方法。其中，谐波比CMV方法原理及其局限性为：
谐波比CMV方法是采用压路机振动轮动态(振动)响应信号的畸变程度来评定压实程度，实际上是一种信号分析方法。这种方法对振动压路机响应信号的处理方式是从信号形态处理的角度进行的，其指标是一个无量纲的相对值。
式中，A2Ω为振动轮加速度的二次谐波振幅；AΩ为振动轮加速度的一次谐波振幅；C为公式常系数。
CMV是一个无量纲的比值，其大小不但与填筑体的性状有关，还受压路机振动参数的制约。国内外工程实践及相关研究表明：在正常碾压细粒料的情况下，CMV与压实度常规检测指标有较好的相关度，而对于堆石料等粗粒坚硬填料，CMV与压实度常规检测指标的相关度很差，采用该指标进行压实质量控制和管理尚存在一些问题。
振动模量原理及局限性为：这种方法将压路机与填筑体的相互作用采用“质量—弹簧—阻尼”来模拟，建立振动轮的动力学方程，根据压路机相关参数、土体相关参数，求解振动方程中的刚度系数KB。
再利用接触力学中的圆滚上的荷载和圆滚在一个弹性半空间上所产生的压印面积之间关系的计算模型得到刚度系数KB与弹性模量之间的关系，但在进行质量检验时，仍然需要将这两个指标与常规指标进行联系，建立他们之间的对应关系。该方法的局限性为：
1)确定刚度系数和模量指标需要较多参数的支撑，除了加速度是直接量测得到之外,其速度和位移都是根据加速度积分得到的，而其他一些机械性能参数等都需事先确定，这对于普通振动压路机很难适用，必须配备性能参数均为已知的专用振动压路机才能实现；
2)由于计算该指标需要的参数大都需要事先确定，因此该指标需要特定的专用配套振动压路机方可实现。
动力学方法及局限性为：连续压实控制的动力学基本原理是将填筑体的振动碾压过程看作一种动态试验过程(振动压实试验)，振动压路机为动态加载设备。在碾压过程中，振动轮同时受到来自机械本身的激振力和填筑体的抵抗力(反力)作用，二者的共同作用引起振动轮的振动响应。根据动力学和系统识别原理，可以通过对振动轮动态响应的实时量测与处理，得到与填筑体结构抗力有关的指标(如振动压实值VCV)，从而进行相应的压实质量控制。该方法的局限性为：
1)很多情况下需要进行校验对比试验，建立与常规指标之间的联系，并且要求试验路段的性质与后续碾压段的必须相同；
2)比较适用于大面积的平面压实检测，对于建筑物周边或沟渠的窄小填方地段则很难采用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种公路地基连续压实监测管理系统，在振动碾压过程中，系统自动连续采集路基对振动轮的动态响应信息，精度高，通过信号识别分析，得到与路基压实状态相关的结构抗力指标(振动压实值VCV)，作为评定路基压实状态的参数，实现对路基压实质量控制的目的。
本发明提供一种公路地基连续压实监测管理系统，包括激励系统、量测系统、分析系统、定位系统和可视化控制系统，所述激励系统用于激发现场路基填筑体结构相关信息，所述量测系统用于将被测信号进行转换、放大、显示和记录，所述分析系统用于对所述量测系统处理后的数字信号进行运算、提取特征参量、分析、作图及将所述数字信号还原为原料的压实信息，所述定位系统用于获取行车碾压参数，所述可视化控制系统用于对每一辆碾压车进行定位，车载子系统自动记录碾压轮振动烈度检测值，并计算碾压遍数和碾压沉降，推算出车的轨迹、速度并进行实时显示，同时通过无线通讯将信息实时回传到后台服务管理系统，所述后台服务管理系统整合多台碾压车数据。
进一步地，所述激励系统为压路机。
进一步地，所述激励系统为：
其中，M为振动质量，p为振动压路机激振力，p＝meω2,m、e分别为偏心质量和偏心距，F(x)为系统抗力，X为实测的响应值，
进一步地，所述量测系统将经过二次仪表调理后的模拟信号转换成数字信号加以储存和显示，并将数据与上位计算机进行数据通信。
进一步地，所述量测系统的滤波截止频率为：
fm＝4f0
其中，fm为截止频率，f0为工作频率。
进一步地，所述定位系统采用为载波相位差分定位方式进行压路机定位；所述定位系统以厘米级精度给出压路机的三维坐标。
进一步地，所述公路地基压路机连续压实智能检测系统采用可拆装移动式户外差分信号收发基站，配备太阳能供电系统和设备存放箱，所述基站采用可拆装移动的支架底座。
进一步地，管理单位通过Web方式接入所述可视化控制系统，实时跟踪整个碾压工作区域当前层总体或者任意点位置的碾压情况，碾压车工作结束后，所述可视化控制系统给出整个区域的碾压效果评估报告。
进一步地，所述可视化控制系统包括Web管理系统、平板系统和数据管理展示平台，所述Web管理系统用于管理员进行人员管理、施工区管理、车辆管理以及GNSS设备管理，查看当前工程完成进度以及质量参数，为普通用户提供部分模块的查看权限，查看工程完成度以及质量，所述平板系统用于实时监控路基碾压的施工过程，将各种信息以可视化图形进行呈现，所述数据管理展示平台用于管理人员实时查看压路机的工作状态、路基压实信息，进行路基施工质量实时监控，调取任意历史工作数据，以列表或图像的形式进行信息展示，根据管理人员选定的作业区域进行压实效果分析，生成路基压实质量报告。
进一步地，所述分析系统用于对采集文件进行整理、存储、删除、计数；所述可视化控制系统采用高精度北斗辅助定位技术对每一辆碾压车进行厘米级定位。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种公路地基连续压实监测管理系统，获得的压实度计算值比传统监测方式获得的传统压实度结果相关性更高，在使用VCV数值计算压实度时，同步使用了GPS高精度定位技术精确获取行车碾压参数，使用线性插值曲线拟合技术获得压实度相关性计算值，弥补了常规使用VCV技术针对不同碾压段需要进行校验对比试验建立相关性的局限性。
解决了固定式基站长距离信号无法覆盖、经常维护的问题。新型户外差分信号收发基站采用拆装移动的支架底座，配备太阳能供电系统和设备存放箱，基站造价成本低，收发信号稳定，连续压实系统卫星定位、数据传输均保持正常，安全保障了户外施工数据的正常传输，实现了长距离户外各种复杂条件下的信号稳定传输。
通过WEB端、平板端和管理平台端三端信息交互的方式，实现远程实时路基施工质量监控。针对连续压实信息和定位信息数据传输和分析处理的问题，通过开发的数据处理和后台服务器软件，让各系统之间通过无线通信等技术实现数据的交互、处理及可视化展示，实现了压实信息的数字化管理。
业主管理员通过该系统可进行人员管理、施工区管理、车辆管理以及GNSS设备管理，可以查看当前工程完成进度以及质量参数；压路机操作手可以通过车载平板实时查看当前碾压轨迹、路基压实状态等信息。管理人员通过信息管理平台可实时查看压路机的工作状态、路基压实信息，进行路基施工质量实时监控。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种公路地基连续压实监测管理系统示意图；
图2为本发明的连续压实监控的激励系统示意图；
图3为本发明的载波相位差分(RTK)定位方式进行压路机定位示意图；
图4为本发明的可视化控制系统的部署视图；
图5为本发明的可视化控制系统的配套软件示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种公路地基连续压实监测管理系统，如图1所示，包括激励系统、量测系统、分析系统、定位系统和可视化控制系统。其中，
激励系统用于激发被测对象相关信息。路基压实过程中，被测对象就是现场路基填筑体结构，填料的碾压过程是个结构的形成过程，由压路机振动压实而使土体压实挤密，因此，可以利用压路机作为激励系统，不但方便连续测试工作，而且实现了在碾压过程中进行连续、在线实时监控的目的，图2是连续压实监控的激励系统示意图。
其中，M为振动质量，p为振动压路机激振力，p＝meω2,m、e分别为偏心质量和偏心距，F(x)为系统抗力，X为实测的响应值，
量测系统将被测信号进行转换、放大、显示和记录，主要由传感器、信号调理电路和采集记录器三部分组成。采集记录器主要任务是把经过二次仪表调理后的模拟信号转换成数字信号加以储存和显示，并将数据与上位计算机进行数据通信。压路机工作中的频带一般为20～160Hz,所以最高采样频率为100kHz,足以满足采样精度。路基压实过程是振动压路机对被压填料施加振动荷载的过程，表现为一种强迫振动。一般振动压路机的激振频率为28～45Hz。对于路基而言，多为28～32Hz，并以30Hz的居多。因此，路基结构的动态反应也不会有太高频率的振动出现，故应选择低通滤波，即容许低频成分通过，滤掉高频信号。
振动轮动态响应信号的频谱结构成分一般都在2～3倍的工作频率范围之内。所以选择滤波截止频率为4倍的工作频率是比较合适的,这样既能保证被分析信号的正确性，又能滤掉其他噪声的干扰。这里的截止频率就是分析信号中的最高频率fm，故有
fm＝4f0
因此，对于振动压实信号，滤波所保留的频率范围为f∈[0，fm],这就是要分析的频带宽度。为保证滤波的彻底性，本系统采用双重滤波来截止滤波频率。
分析系统主要由软件构成，具体由系统软件、压实数据处理与分析控制软件、后台压实数据管理软件以及信息传输软件等组成,它们各自实现不同的功能。经采集记录后的数字信号一般要进行运算、提取特征参量和其他一些分析、作图等工作，同时还要将其还原成原来的压实信息。这一部分由压实数据管理与分析控制程序来完成，主要实现对采集数据进行有效的管理、分析、控制等一些功能，这是有别于其他系统的特色之处。此外,还可以对采集文件进行整理、存储、删除、计数等一系列的处理,以保证采集数据的正常进行。
如图3所示，定位系统通过高精度定位技术精确获取行车碾压参数，从而进行压实工艺控制。本实施例中，选择载波相位差分(RTK)定位方式进行压路机定位，该技术发展成熟，适应性好。这种方式可以根据相对定位原理实时处理数据，以厘米级精度给出压路机的三维坐标。
可视化控制系统应用高精度北斗辅助定位技术能够对每一辆碾压车进行厘米级定位，车载子系统自动记录碾压轮振动烈度检测值，并计算碾压遍数和碾压沉降，推算出车的轨迹、速度并通过车载平板电脑实时显示，同时通过无线通讯将这几类信息实时回传到后台服务管理系统。后台服务管理系统整合多台碾压车数据。管理单位通过Web方式接入系统，可实时跟踪整个碾压工作区域当前层总体或者任意点位置的碾压情况。碾压车工作结束后，系统给出整个区域的碾压效果评估报告，辅助判断碾压施工的质量。整个可视化系统给的部署视图如图4所示。
在振动碾压过程中，系统自动连续采集路基对振动轮的动态响应信息，通过高精度定位技术精确获取行车碾压参数弥补了VCV单独使用不能完全取代传统监测技术的缺陷，适用性广，精度高，通过信号识别分析，得到与路基压实状态相关的结构抗力指标，即振动压实值VCV，作为评定路基压实状态的参数，实现对路基压实质量控制的目的。
如图5所示，可视化控制系统配套软件主要分为三部分：Web管理系统、平板系统和数据管理展示软件。Web管理系统共有两种权限：管理员通过该系统可进行人员管理、施工区管理、车辆管理以及GNSS设备管理，可以查看当前工程完成进度以及质量参数；普通用户拥有部分模块的查看权限，可以查看工程完成度以及质量。平板系统用于实时监控路基碾压的施工过程；压路机操作手可以通过车载平板实时查看当前碾压轨迹、路基压实状态等信息，各种信息以可视化图形呈现在平板上。数据管理展示平台软件安装于服务器端；管理人员登录截面后，可实时查看压路机的工作状态、路基压实信息，进行路基施工质量实时监控；同时也可以调取任意历史工作数据，以列表或图像的形式进行信息展示，管理人员可选定作业区域进行压实效果分析，生成路基压实质量报告。
服务器端、后台服务管理端和平板端协同操作，区分责任和权利，实现不同协作单位对整个区域的碾压效果的实时综合评估，辅助保证施工的质量。应用曲线拟合，线性插值的方式来实现压实度相关性计算，进一步获得贴近实际传统压实度计算结果的数值。应用模拟+数字滤波处理方式，既能保证被分析信号的正确性，又能滤掉其他噪声的干扰。
公路地基压路机连续压实智能检测系统采用可拆装移动式户外差分信号收发基站，配备太阳能供电系统和设备存放箱，基站采用可拆装移动的支架底座。满足在户外长期稳定工作要求。根据现场实践应用，该基站具有差分稳定、覆盖距离远、成本低、安装拆除方便、免维护、适用范围广等优点，能够解决基础设施类工程中测量、监测和智能系统数据传输等通信问题，很好地解决了户外条件下信号稳定收发的问题。
本发明提供一种公路地基连续压实监测管理系统，解决了连续压实系统如何快速连续获取并储存压实信息的问题。在振动碾压过程中，系统自动连续采集路基对振动轮的动态响应信息，精度高，通过信号识别分析，得到与路基压实状态相关的结构抗力指标，即振动压实值VCV，作为评定路基压实状态的参数，实现对路基压实质量控制的目的。
本发明利用北斗定位技术实现北斗高精度厘米级定位，北斗高精度定位结合路基碾压施工，监测轨迹、速度等数值实现实时连续可视化施工过程跟踪分析；根据不同碾压材料开发高精度压实传感器采集系统得到压实度值，采集值对比施工实地压实度值建立不同土料的压实度值的对应标准，进而实现压实度实时连续可视化，指引机手有效地施工；所有采集分析数据开发相对的接口平台，实现采集数据与信息化系统对接。最终实现施工质量的控制，提高车辆使用率、降低油耗损耗，实现绿色环保，进而实现项目的精细化管理。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：包括激励系统、量测系统、分析系统、定位系统和可视化控制系统，所述激励系统用于激发现场路基填筑体结构相关信息，所述量测系统用于将被测信号进行转换、放大、显示和记录，所述分析系统用于对所述量测系统处理后的数字信号进行运算、提取特征参量、分析、作图及将所述数字信号还原为原料的压实信息，所述定位系统用于获取行车碾压参数，所述可视化控制系统用于对每一辆碾压车进行定位，车载子系统自动记录碾压轮振动烈度检测值，并计算碾压遍数和碾压沉降，推算出车的轨迹、速度并进行实时显示，同时通过无线通讯将信息实时回传到后台服务管理系统，所述后台服务管理系统整合多台碾压车数据。
2.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述激励系统为压路机。
3.如权利要求2所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述激励系统为：
其中，M为振动质量，p为振动压路机激振力，p＝meω2,m、e分别为偏心质量和偏心距，F(x)为系统抗力，X为实测的响应值，
4.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述量测系统将经过二次仪表调理后的模拟信号转换成数字信号加以储存和显示，并将数据与上位计算机进行数据通信。
5.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述量测系统的滤波截止频率为：
fm＝4f0
其中，fm为截止频率，f0为工作频率。
6.如权利要求2所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述定位系统采用为载波相位差分定位方式进行压路机定位；所述定位系统以厘米级精度给出压路机的三维坐标。
7.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述公路地基压路机连续压实智能检测系统采用可拆装移动式户外差分信号收发基站，配备太阳能供电系统和设备存放箱，所述基站采用可拆装移动的支架底座。
8.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：管理单位通过Web方式接入所述可视化控制系统，实时跟踪整个碾压工作区域当前层总体或者任意点位置的碾压情况，碾压车工作结束后，所述可视化控制系统给出整个区域的碾压效果评估报告。
9.如权利要求8所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述可视化控制系统包括Web管理系统、平板系统和数据管理展示平台，所述Web管理系统用于管理员进行人员管理、施工区管理、车辆管理以及GNSS设备管理，查看当前工程完成进度以及质量参数，为普通用户提供部分模块的查看权限，查看工程完成度以及质量，所述平板系统用于实时监控路基碾压的施工过程，将各种信息以可视化图形进行呈现，所述数据管理展示平台用于管理人员实时查看压路机的工作状态、路基压实信息，进行路基施工质量实时监控，调取任意历史工作数据，以列表或图像的形式进行信息展示，根据管理人员选定的作业区域进行压实效果分析，生成路基压实质量报告。
10.如权利要求1所述的一种公路地基连续压实监测管理系统，其特征在于：所述分析系统用于对采集文件进行整理、存储、删除、计数；所述可视化控制系统采用高精度北斗辅助定位技术对每一辆碾压车进行厘米级定位。
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