瀝青路面施工平整度的監測裝置設計

陳鈺龍，周柳齊，吳 磊

（1.中山三生物聯科技有限公司，廣東 中山 528437；2.中山火炬職業技術學院，廣東 中山 528436）

0 引言

截至2020年，我國高速公路通車里程居世界第一位，達到16.10 萬km。瀝青路面由于取材方便，工藝流程簡單，路面開闊平整，能為駕駛員行車創造安全、舒適的環境等優點，所以在公路工程的運用越來越廣泛[1-2]。但由于設計、原材料的質量及施工工藝等方面的原因，近幾年全國建成的多條瀝青混凝土高速公路，通車一段時間后都不同程度的存在路面早期破損的現象[3-4]。導致的原因之一與鋪設的瀝青路面不平整有關[5-7]。因此，如何設計一款能夠監測瀝青攤鋪過程路面平整度的監測裝置具有很重要的意義。

1 監測裝置結構及工作原理

該監測裝置主要由兩部分組成，分別是圖1 的監測采集終端及圖2 的數據處理終端。監測采集終端用于現場數據的采集，而數據處理終端則對采集終端提供的數據進行處理。

圖2 數據處理終端

圖1 中，監測采集終端[8]包括有可水平方向轉動的第一云臺電機1，第一云臺電機1 與轉接臂2 的一端連接，轉接臂2 的另一端連接有可垂直方向轉動的第二云臺電機3，第二云臺電機3 安裝有攝像頭4，攝像頭4 前端設有用于測距的激光測距模塊5，攝像頭4 內置有陀螺儀，可以測量兩個角度，分別是測量激光測距模塊5 的測距軸線與豎直面之間夾角以及水平轉動角。

圖1 監測采集終端

攝像頭可以采集視頻和圖像數據，供數據處理終端處理后可實現實時的狀態監測；激光測距模塊可以測量采集終端到施工采樣點的距離，提供采樣點的空間距離信息，陀螺儀可以測量測距軸線與豎直面之間夾角以及水平轉動角，提供采樣點的空間角度信息，結合距離和角度信息就可以確定采樣點的唯一坐標。第一云臺電機和第二云臺電機可實現監測采集終端水平360°連續旋轉及垂直-135° ～135°的轉動。

圖2 中，數據處理終端[9]包括有包括有底蓋1 和頂蓋2，底蓋1 上設有用于供電的電池3、用于處理并記錄外部監控攝像頭圖像和視頻信息的數據處理模塊4，數據處理模塊4 連接有顯示輸出接口5 和用于與監測采集終端連接接收視頻及采集數據的通訊接口6，頂蓋2 上設有用于顯示數據處理模塊4 處理的視頻信息的顯示屏7，顯示屏7 連接有顯示輸入接口8，顯示輸出接口5 與顯示輸入接口8 之間通過數據線連接。其中，底蓋1 上設有與數據處理模塊4 連接用于測量底蓋1 與水平面的夾角的陀螺儀模塊9。

2 裝置應用實施

2.1 監測采集終端的實施

本監測采集終端主要采集施工現場的采樣點空間坐標，同時收集圖像和視頻信息作為輔助。在施工現場架設監測采集終端進行數據監測以供后臺進行數據處理，監測方法包括有以下步驟：

（1）將監測采集終端架設在施工的路面上，通過后臺設定第一云臺電機1 依次轉動設定的k個角度，分別是：β1，β2，…，βi，…βk；

（2）當第一云臺電機轉動到設定的角度βi后，通過后臺控制第二云臺電機3 依次轉動到設定的m個垂直轉動角θ1，θ2，…，θj，…，θm；

（3）激光測距模塊5 測出在每個水平轉動角βi和每個垂直轉動角θj下其到路面的距離Lij。

通過上述3 個步驟就可以采集到的采樣點相對于監測采集終端的唯一坐標。

2.2 數據處理終端的實施

數據處理終端主要處理監測采集終端采集的相關數據。

使用時，一方面與數據處理模塊4 連接的通訊接口6 連接監測采集終端拍攝的實時視頻信息及采集數據，同時利用數據線使數據處理模塊4 的顯示輸出接口5 與顯示屏7 的顯示輸入接口8 連接，在數據處理模塊4 處理并記錄外部的實時視頻及數據信息，并通過顯示屏7 進行實時顯示；另一方面底蓋1 平放在瀝青施工路面上，通過陀螺儀模塊9 測量底蓋1 與水平面的夾角θ并發送到數據處理模塊4 上，當監控檢測出現瀝青施工路面存在不符合施工要求的問題時，通過顯示屏7 進行報警提示，其中電池3 用于分別向數據處理模塊4、顯示屏7、陀螺儀模塊9 供電。

3 數據建模及平整度的評定

根據上述測量的過程，可以對測量點建立如下球坐標系，如圖3 所示。可見，每一個點都有唯一對應的坐標（Lkm，θm，βk）。

圖3 測量點的球坐標系

球坐標系可以轉換為直角坐標系，假設總共采集到的i=1…n個點，其中

由于每3 個點就可以建立1 個平面，如果任意選取3 個點作為基準面，則會帶來結果的隨意性，因此采用最小二乘法來評定施工路面的平整度。以最小二乘法擬合出1 個最小二乘平面，并且使被測平面上的所有測量點到該平面的距離的平方和為最小。根據被測平面上所有測量點相對于最小二乘平面的變動量來確定評定基準的位置，該方法能夠比較準確地反映整個被測平面總的誤差勢態。

對于直角坐標系下的空間平面，其方程為：

假設A1，A2，A3分別是所采集的數據點的最小二乘平面對應a1，a2，a3的系數。該平面方程為

根據最小二乘法的定義，所有測量點到該平面的距離的平方和為最小。即

P值需要最小，則公式（7）分別對A1，A2，A3求偏導，并等于零，則有

聯合式（2）～（4）及（8）～（10）則可求出最小二乘平面的3 個參數A1，A2，A3。

最小二乘平面方程確定之后，利用點到最小二乘平面的距離公式，計算所有測量點至最小二乘平面的距離，這些距離值中必定存在1 個最大距離值和最小距離值，則距離值的最大值與最小值之差就是施工路面平整度的評定值。該評定值越小，則說明平整度越好。

4 結束語

本檢測設備可以對現場的施工進行實時的檢測，并反饋平整度結果。同時也可以給定最大的平整度評定值，對于超出要求的施工路面也可以及時報警并提醒修整。瀝青路面施工平整度的監測裝置設計進行展開，具體總結如下：

（1）闡述了監測裝置的整體方案，分為監測采集終端和數據處理終端；

（2）對兩個終端設備如何工作進行了闡述；

（3）對監測終端采集的數據進行坐標系建模，依據最小二乘法求得最小二乘平面對于的參數，并將計算采集點至最小二乘平面的距離，取其中的最大距離值和最小距離值的差值作為施工路面平整度的評定值。