論路面數字化施工智能監測系統對太原東二環高速品質工程的作用

李 峰

（山西路橋東二環高速公路有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

路面數字化施工改變了傳統的施工管理模式。主要體現在：從時間和空間角度上滿足了監管者對項目路面現場施工的管理需求；從傳統抽檢點模式改為數字化監控面模式對施工質量的控制需求；從經驗化要求改為程序化生產改變了對人的技能掌握要求；從機械、原材料的控制滿足了施工對成本的控制；從項目數字化改變了對問題分析處理方法；從路面全方位生命周期記錄為BIM預留數據接口。而傳統的路面施工，受環境因素影響太大，因此在施工過程中一定會或多或少地對質量造成一定的影響，故而會導致一定的返工可能，增加額外的施工成本。并且傳統路面施工在正式使用后，一旦出現一些問題比如裂縫、坑槽等，要找到原因和從本質解決問題都非常困難，這樣就造成了公路的使用壽命不高，甚至可能導致某些嚴重事故。但是目前國內大部分的公路建設采用的還是傳統的建設方式，而這種建設方式的技術局限性很大，對過程質量沒有任何監控能力；采用人工管理的方式，效率太低、成本太高、施工周期太長、控制手段太少，攤鋪碾壓過程基本都是經驗化施工。

從21 世紀開始，國內也開始陸續研究公路路面的數字化施工手段，希望借助一些數字化設備實現全過程的可視化管控，并且實時地進行質量反饋，便于及時做質量糾正。至今為止，國內也有了一套較為成熟，有科學依據的路面數字化施工管控程序。數字化施工是目前在國內施工領域的一項新興的技術應用。所謂數字化施工，主要依靠北斗高精度定位技術、物聯網技術、傳感器技術、現場施工動態模擬化技術等手段將即時信息加以整合處理，實現項目現場管理做到統一化、協調化、標準化。

1 工程概括

太原市東二環高速公路是山西省規劃“三縱十二橫十二環”高速公路網中重要組成部分。該項目路線為南北走向，項目起點太原市陽曲縣凌井店鄉南莊村北，以樞紐立交形式與平陽高速（京昆）相接，并與太原北二環高速公路相連，終點以樞紐立交形式與太舊高速公路相接，并與龍城高速公路相連，途徑陽曲、壽陽、榆次等地區縣，涉及2 個地市27 個自然村，路線全長共33.199 km。

該項目全線采用六車道高速公路標準建設，設計速度100 km/h。主要工程共設置3 處互通式立體交叉，分別為凌井店、龍白兩處樞紐式互通立交，南莊互通一處一般互通式立交，服務區、收費管理站、管理分中心、養護工區各1 處；特大、大中橋共10 365 m/41 座，其中特大橋1 088 m/1 座。

該項目建成后，作為G55 高速公路一部分，將會替代已運營的太原東環高速功能，很大幅度地緩解東環高速交通壓力，對完善山西省內以及我國國家高速公路網有很重要的意義。

為了從源頭上控制路面施工質量，在確保施工進度的情況下追求優良的施工品質，故在太原東二環高速公路上結合了數字化施工智能監測系統，由質量過程管控替代原本的事后檢測。并且降低人工成本，提高施工效率，保證施工安全，另外還附加持續化監測，動態預警和實時糾偏能力。這套系統在實際項目上的應用打破了傳統的路面施工規則，開創了智能化施工的時代，在打造品質工程和優良工程中起到了關鍵性的推動作用。

2 路面數字化施工智能監測系統的介紹

路面數字化施工質量智能監測系統利用智能遠程施工數據自動采集技術、現場施工過程追溯技術幫助提高路面施工質量，通過提供遠程管理和施工過程回溯手段提升施工質量、把控施工質量。智能監測系統有兩個核心特點，分別是“遠程施工質量監控”和“現場施工實時追溯”，通過這兩個核心點管理施工作業的施工進度、施工質量、施工過程，以及為達成施工目標提供有效幫助。該系統實現對路面施工混合料（瀝青、水穩）生產數據、運料車運輸（軌跡、運料次數、單次運料時間）、攤鋪數據（溫度、速度、軌跡）、壓實（速度、變數、厚度）的大量關鍵數據進行系統化的采集、傳輸、交互分析、追溯，同時完成業務數據持久化的儲存及施工現場可視化的展現，最終可以極大地幫助并強化監管層對施工質量和進度的掌控。

2.1 系統在東二環項目應用效果

2.1.1 提高施工效率

通過對路面施工各環節的施工質量和施工進度信息的實時采集、監測，優化各個施工區域調度效率，確保路面材料從生產到施工全過程各指標值的合格率，全面提升施工全周期的管理效率、施工效率。

2.1.2 保障施工進度

利用系統在施工期間不間斷提供的對作業前場和后場業務生產數據對比分析、偏差自動預警功能，確保施工各級監管人員在任何時間、任何地點都能夠詳細了解并掌握路面工程施工過程是否存在各項指標值異常、各工藝層施工進度的動態監控等關鍵信息。

2.1.3 實現過程回溯

系統根據設定路面施工工藝及各施工工藝所對應的施工業務管理、技術管理要求，全過程自動采集作業現場所有生產關鍵數據，并同步到云存儲中心進行業務數據篩選、清洗的二次加工。確保在路面施工環節的各個階段均可對歷史作業過程、業務參數、施工工藝、預報預警進行回溯和重放，為監管層的復盤工作提供可視化、強有力的決策依據。

2.1.4 完善施工大數據

使用光電全息顯微鏡對薄膜的變形進行測量，結果如圖7所示。圖7為未施加壓力時，薄膜的干涉圖形和3D圖形。我們可以看出在沒有施加壓力的情況下，壓力傳感器的薄膜仍然存在約為0.25μm的微小變形，這是由于加工后存在殘余應力所導致。壓力傳感器在壓強為15kPa下的干涉圖形及3D圖形如圖8所示。在施加壓力不同的情況下，對薄膜最大變形量進行測量，能夠得知薄膜最大變形量與所施加壓強的變化關系，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著對薄膜所施加的壓力的增大 （實際上通過控制應變片變形薄膜表面上作用的氣體壓強大小來控制壓力），薄膜的變形加大。

通過路面數字化施工智能監測系統的上線應用，助力項目建設單位對路面施工作業全過程管理規范化、標準化、信息化、精細化。通過系統業務數據云存儲應用，確保項目路面各施工工藝相關的業務數據長久留存，推動并完善集團公司對施工項目建設期大數據積累，通過大數據應用分析技術最終提升對施工質量和成本的有效控制。

2.2 系統整體拓撲結構（見圖1）

圖1 系統整體拓撲結構

2.3 瀝青混合料拌和站生產質量監測系統

瀝青混合料站監測管理系統監測管理以下數據指標進行分析反饋[1]：

a）瀝青混合料拌和站熱料倉料位監控。

b）瀝青混合料全生產過程配合比等參數在線動態監控、分析（見表1）。

c）瀝青混合料瀝青含量（油石比）指標值監控、分析。

d）瀝青混合料拌和站出料口料溫度達標監控。

e）瀝青單純和料級配曲線走向繪制及分析（見s圖2）。

表1 瀝青混合料全生產過程參數在線動態監控

圖2 瀝青混和料級配比、油石比、溫度實時在線動態監控

2.4 混合料運輸過程質量監測系統

首先通過在混合料拌和站、混合料運輸車輛、施工作業現場攤鋪機終端上安裝部署設備信息識別系統完成對進場機械的甄別（見圖3）；其次通過高精度北斗定位及跟蹤系統對終端機構設備運作及運行狀態進行全方面定位及跟蹤（見圖4）。通過這兩個監測環節，確保每一車混合料從裝車、運輸、攤鋪全過程混合料溫度、運輸軌跡、過程用時、現場作業施工實現全方位監控、監測，同時也為后期的施工作業薄弱區及薄弱環節的工程施工質量問題追溯提供了真實的數據和決策依據。

通過混合料運輸過程質量監測系統提供的電子圍欄控制功能，當發現混合料運輸車輛在混合料運輸過程中出現超出已設定好的電子圍欄范圍或長時間停車時，系統會以手機短信方式自動進行違規狀態預警及報警。

圖3 混合料拌和、運輸、攤鋪過程識別設備

圖4 施工車輛定位及動態跟蹤

2.5 東二環路面攤鋪碾壓質量智能監控系統

東二環路面施工攤鋪碾壓質量智能監控系統作為項目路面水穩層的攤鋪碾壓、瀝青層的攤鋪碾壓施工作業質量監測控制的重要組成部分。通過信息化軟件系統與智能化物聯網硬件相結合（見圖5），實現后臺施工工藝關鍵參數的集中管理與調用，完成作業現場產生的業務數據實時在線采集處理，過程中做到了后臺參數與前端數據同步對比分析，第一時間為作業監管人員推送質量評價信息。

圖5 施工設備智能化物聯網設備

系統的應用，實現將項目路面作業施工現場為一個有機整體進行全過程、全方位的監管。首先，在施工過程中針對水穩、瀝青層攤鋪、壓實作業進行相應的工藝信息設置；其次，針對攤鋪機和壓路機操作手可通過車載工業平板所展示的實時施工作業模擬畫面提供現場作業質量把控的可視化施工輔助（見圖6、圖7）；再者，攤鋪、碾壓系統平臺同步實時記錄存儲并展示現場各工藝施工作業模擬畫面及對應的包括攤鋪溫度、速度、位置及壓實遍數、溫度、速度、軌跡等業務數據統計匯總（見圖8、圖9、圖10），并為質量回溯提供數據支撐。

圖6 施工作業機械設備工作信息可視化動態監控

圖7 路面施工作業過程可視化動態監控

圖8 路面施工生產進度統計

圖9 路面施工工藝達標率統計

圖10 施工機械設備工作量統計

3 應用效果

路面數字化施工智能監測系統在東二環高速公路項目上的應用，本質是為了提高施工質量、確保施工安全、減少人工成本、降低機械損耗，過程管控代替事后檢測，全面提高了施工作業數據的可靠性和真實性。通過這次應用，我們也獲得了一些成效。

3.1 提高了施工質量

通過系統中實時作業數據的監控，確保了路面施工過程符合管理規范要求。系統在動態監控過程中，當發現施工過程作業實時數據與規范參數出現偏差時，會自動通過現場報警、平臺預警、短信息提醒等手段通知相關人員，對施工工藝、方法及時糾偏，使施工過程的實時質量監控成為現實。

3.2 提升了施工效率

在東二環高速項目路面施工的各個環節，完成了施工質量、施工進度數據信息的實時采集、監測，過程中優化了工料之間的調度，減少資源浪費。通過系統作業數據的收集，利用智能薄弱區分析，做到了有針對性檢測，避免返工與識判，從而提升了工程項目整體管理效率和施工效率。

3.3 提供施工質量回溯手段

系統的上線應用過程中采集了施工過程所有數據，并將其存儲于集團公司指定的云數據中心，過程中或后期可隨時利用原始數據對歷史施工過程、作業參數、施工工藝等資料進行回溯與重放。

3.4 降低施工成本

系統的上線應用，為企業基于精確的施工項目現場各作業環節業務數據的采集、應用做到了充分的儲備，同時通過系統的生產進度分析、攤鋪壓實分析、生產數據分析、車輛數據等分析模塊，協助完成施工成本的核算，為業主單位優化建設成本提供了決策支持。

3.5 為項目路面全生命周期運維提供數據支持

通過系統上線應用，完成對路面施工過程中所采集到的所有施工作業數據進行長久保存，為項目后期養護運營過程中提供準確、全面的原始施工數據。

4 主要研究結論

a）路面數字化施工智能監測系統的引入，使整個路面施工質量和效率比傳統施工提高40%以上。主要體現在：拌和站生產監管（后場）使材料生產合格率達到95%以上；材料運輸監管（銜接）提高了材料生產后場和施工前場之間材料供應效率協調問題，同時也解決了合格混合料和施工前場不協調導致的混合料失溫問題；攤鋪壓實動態監管使操作手在施工過程中科學地參考平臺實時數據，保證了攤鋪狀態下的機械作業速度和混合料攤鋪的溫度，同時監管壓路機在碾壓時的速度、溫度、變數，通過硬性數據監管路面攤鋪碾壓的實時質量。

b）路面數字化施工智能監測系統的上線應用，針對傳統的路面施工管理及人員管理存在的盲點做了有效補充，并且對后期可能出現的質量問題有了更明顯的責任追究機制，有助于提高路面施工過程的質量控制管理水平。