高速公路智慧試驗室的研究及應用

湯建昆

文山壯族苗族自治州交通運輸局

1 引言

隨著國家經濟的不斷發展，國家投入了大量的資源到基礎設施中。公路工程作為基礎設施的重要組成部分，其建設工程量逐漸增大，設計標準不斷提高，質量要求趨于嚴格，因此作為公路工程前哨的工地試驗室顯得尤為重要。如何保證工地試驗室的性能測試數據的科學、有效、及時等，是目前實際工作中的迫切需求。因此，需要充分發揮智能化技術，對高速公路工程進行動態管控，完成對各種原料的性能配比及相關參數的檢測并針對性地做出調整，在科學判斷的基礎上保證施工效率和質量，對高速公路的建設具備重要意義。

本文提出了智能化高速公路工地試驗室的設置，設計針對路面施工關鍵指標檢測的智能管控系統，在試驗室完成試驗驗證的基礎上選取相關路段進行了實際應用。

2 高速公路智慧試驗室

為了提高我國高速公路建設的整體水平，對建設質量進行全局把控，通常在施工前需在工程所在地建設室內檢測機構，即工地試驗室[1]。工地試驗室從高速公路施工項目立項到最終交付使用的全時間段都需要發揮作用，據統計，在所有高速公路項目竣工資料中，試驗資料占比約1∕3，足以表明工地試驗室對高速公路項目的重要性[2]。由于高速公路施工項目工期長，涉及多個環節的測試試驗，需要保證每個環節的檢測效率以便推動整個試驗檢測工作的有效展開。同時隨著智能化技術的發展，自動化管理設施和先進的科技在高速公路施工中的應用越來越廣泛，但是在大部分的工地試驗室中智能化發展不足，這會影響檢測數據的穩定性、精確性，亟待提升[3]。因此如何高效智能進行試驗檢測是保證高速公路建設效率和質量的關鍵。本文通過智能化技術建立了高速公路路面智慧化工地試驗室檢測系統，對其中的關鍵技術和動態管控功能進行簡要介紹。

2.1 關鍵技術

高速公路工地試驗室是為了工程項目各級管理部門對試驗過程的智能監管而設置的，其管控功能的原理示意圖如圖1所示。

圖1 工地試驗室管控原理示意圖

通過視頻監控、試驗過程數據采集等方式，通過傳感設備將數據采集并實時上傳到數據管控中心，利用智能化手段對數據進行統計分析，通常使用圖表的形式及時提供質量數據追蹤和分析，并自動生成報表，為決策者提供數據依據。

在工地試驗室管控系統中，主要包含以下三項技術。

（1）數據采集。對試驗室現有設備中不滿足采集要求的進行改造，通過改造可以實現試驗過程情況、試驗及生產設備工作情況、試驗原始數據等數據采集過程和實驗室人員試驗操作過程獨立，保證數據真實性和有效性。

（2）數據傳輸。數據采集完成后，數據自動保存到本地PC上，數據利用Internet網絡，后臺實時上傳到數據動態管理中心，對試驗起到動態管控的作用，同時不干擾試驗室工作的進行，數據傳輸支持斷點續傳。

（3）互聯網技術。利用J2EE技術開發互聯網平臺，存儲采集到的數據，建立工程質量數據庫，為質量分析、質量評定和質量追溯提供依據。

2.2 動態管控

針對實際試驗需要，對專業的試驗設備進行改造，部署采集終端，實現微機控制。利用數據傳輸的裝置，將試驗設備與研發的系統軟件鏈接，直接讀取試驗設備的試驗數據，采集各試驗指標，將采集到的數據實時存儲到數據采集器或加密的電腦數據庫中，實現對試驗數據的實時采集和傳輸，采集過程獨立于試驗過程，屬于第三方試驗數據采集，防止試驗數據造假。通過實時、獨立、安全的數據傳輸，可以實現動態管控的目的，動態管控的優勢包括以下幾點：（1）試驗設備數據采集、發送程序能夠在開機后自動運行，數據實時采集上傳，避免人為操作；（2）數據發送端支持斷點續傳，能夠保證試驗數據上傳的完整性；（3）系統可對所上傳的數據自動分類，對不合格數據進行單獨羅列、提示、標紅，方便試驗室管理人員查看；（4）系統配備短信提醒功能，對不合格試驗數據進行實時報警，方便管理者在第一時間獲取信息。

3 試驗檢測關鍵指標

高速公路工地試驗室檢測系統具備瀝青試驗管控、瀝青混合料試驗管控、水穩混合料實驗管控等功能，針對這三項主要功能設計相關關鍵指標。

3.1 指標選取

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004）《公路工程質量檢測評定標準》（JTGF80∕1—2017）《公路路面基層施工技術細則》（JTG∕TF 20—2015）和相關項目的要求，同時根據本文研究需要、施工和檢測設備的信息化發展水平，確定了關鍵指標。在此基礎上，結合室內試驗、基層生產和施工、瀝青路面生產和施工機械設備的信息化技術水平，經過梳理后的瀝青路面施工質量動態智能管控體系關鍵指標如表1所示。

表1 瀝青路面施工質量動態智能管控體系關鍵指標

瀝青混合料水穩混合料軟化點（℃）穩定度（kN）流值（0.1mm）無側限抗壓強度（MPa）

3.2 指標采集

根據實際生產施工過程中的質量控制需求、試驗設備現有的信息化技術水平等，確定了工地試驗室動態智能管控體系關鍵指標的采集方法和采集頻率。采集方法是對瀝青針入度儀、軟化點儀、延度儀、瀝青混合料穩定度儀、水穩混合料無側限抗壓強度儀進行系統改造，使得系統可自動采集試驗數據，并實時上傳于管控系統。指標需要的采集頻率為每次試驗時均采集。

4 試驗分析

本文對瀝青及瀝青混合料進行了試驗測試，采用的實驗設備是基于現有專業試驗設備改造而獲得的。

4.1 試驗管控系統

管控系統包含的試驗指標查詢界面如圖2所示，在實驗類型中可以對試樣樣品進行選擇，實驗過程可以記錄工程名稱、試驗時間、保存時間、試驗類型、試驗人等簡明標簽。每次試驗都會生成相應的試驗結果報表，系統通過與標準技術要求對比，可以直觀明了地檢驗每次試驗的指標是否合格，同時可以對每個過程進行實時的監控。該系統還支持Word文件導出功能，導出的報表如表2所示，其包含的內容與在線報表一致。

圖2 管控系統試驗指標查詢界面

表2 瀝青試驗結果報表

4.2 應用試驗

基于上述的設備和系統功能，對工地試驗室的設備進行改造，安裝數據傳輸設備，于2020年7月在某項目高速公路路段進行應用。試驗管控系統分為瀝青試驗管控、瀝青混合料試驗管控和水穩混合料試驗管控。

在管控期間，以針入度為例，瀝青拌和站取樣為SBS改性瀝青，數據變化如圖3所示。通過工地試驗室瀝青試驗指標的管控，經過分析匯總，瀝青的試驗指標滿足規定要求，達到了試驗管控的目的。

圖3 SBS改性瀝青針入度指標試驗指標數據分析圖

5 總結

本文利用智能化的檢測技術、通信技術等方式對高速公路工地試驗室的設備、數據采集方式、數據分析方式等進行改造，根據各項標準和實際工程要求，設計了針對不同項目的路面試驗關鍵指標，開發了相應的試驗管控系統。本文的主要貢獻如下。

（1）對高速公路智慧工地試驗室進行了研究，通過設備改造、系統開發等實現了路面工程試驗過程的實時、動態管控，提升了試驗數據的準確性和反饋及時性。

（2）設計開發了工地實驗室動態管控系統，提出了試驗檢測的關鍵指標。

（3）將開發的試驗管控系統應用到實際路段中，針對不同樣品的指標進行了試驗指標測定，數據表明了可以達到實時管控的目的，對工程試驗起到了積極的督促作用，可以有效推進我國公路工程的不斷發展。