基于“物聯(lián)網(wǎng)+AI”技術(shù)的瀝青路面施工管控關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

毛劍

摘要：“物聯(lián)網(wǎng)+”及“AI”理念已嵌入生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，研究基于“物聯(lián)網(wǎng)+AI”的瀝青路面施工管控關(guān)鍵技術(shù)，主要通過對拌和樓、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)、運(yùn)輸車嵌入AI智能管控終端，完成對瀝青施工中拌合、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓全過程的智能化監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工全域管控、實(shí)時(shí)過程決策、施工生命周期在線、監(jiān)督預(yù)警及鋪裝質(zhì)量的可追溯。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可顯著提高施工現(xiàn)場的決策能力和管理效率，無須人工干預(yù)，且已產(chǎn)品化，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：瀝青路面施工；AI；“物聯(lián)網(wǎng)+”

一、前言

近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)如火如荼、蓬勃發(fā)展，各種公路施工建設(shè)的過程中，瀝青路面具有表面平整、行車舒適、耐磨、噪音小、養(yǎng)護(hù)維修簡便等特點(diǎn)，越來越多地被應(yīng)用到各種等級的公路中[1]。黨的十九大提出的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》中指出，大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合[2]；同時(shí)交通運(yùn)輸部緊緊圍繞“建好、管好、護(hù)好、運(yùn)營好”，出臺(tái)《公路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》[3]等文件，采用信息化手段推動(dòng)公路建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展，以探索“互聯(lián)網(wǎng)+交通基礎(chǔ)設(shè)施”的發(fā)展新思路。

“物聯(lián)網(wǎng)+”及“AI”理念已嵌入生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，為各行業(yè)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。在此背景下，相關(guān)的智能技術(shù)在公路施工建設(shè)中的應(yīng)用也在不斷地涌現(xiàn)[4]。在保證公路工程建設(shè)質(zhì)量、提高建設(shè)效率的前提下，如何將新型的、前沿的信息化技術(shù)應(yīng)用于公路建設(shè)工程施工及管理的過程中，以進(jìn)一步提高施工過程中質(zhì)量控制的智能化與公路施工管理水平的科學(xué)性，成為目前公路建設(shè)工程信息技術(shù)及科學(xué)管理技術(shù)應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

近年來，“公路養(yǎng)護(hù)施工智能化管控”應(yīng)用越來越廣泛，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高效地實(shí)現(xiàn)了公路工程建設(shè)過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)多個(gè)維度信息數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動(dòng)管理。但由于沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)體系，其應(yīng)用較為零星、局部、分散。故運(yùn)用新型的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對施工設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，并運(yùn)用AI技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將“結(jié)果檢查”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑^程決策”對于工程費(fèi)用較高的瀝青路面施工尤為重要。

為此，有必要建立一個(gè)依托“物聯(lián)網(wǎng)+AI”技術(shù)的瀝青路面施工管控系統(tǒng)，其對推動(dòng)各地瀝青路面動(dòng)態(tài)質(zhì)量管控和施工過程決策具有深遠(yuǎn)意義，對于提高瀝青路面施工質(zhì)量、延長路面使用壽命都具有積極的促進(jìn)作用。

二、系統(tǒng)概述

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是使機(jī)器能夠具備一些通常需要人類思維、人類智能才能完成的復(fù)雜工作。隨著微電子技術(shù)的跨越式發(fā)展，人工智能的研究已經(jīng)逐步應(yīng)用于系統(tǒng)監(jiān)測方面的各個(gè)領(lǐng)域。

本課題基于“物聯(lián)網(wǎng)+AI”的瀝青路面施工管控體系，主要由瀝青路面施工現(xiàn)場移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、AI過程決策和瀝青路面施工管控服務(wù)實(shí)現(xiàn)。通過對拌和樓安裝智能管控終端，實(shí)現(xiàn)瀝青混合料拌和生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、分析、預(yù)警、決策，提升瀝青混合料生產(chǎn)管理水平，降低生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)；通過對瀝青路面施工前場設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)信息化改造，實(shí)現(xiàn)對瀝青拌合料的運(yùn)輸、攤鋪、碾壓全過程智能量化監(jiān)管。整個(gè)體系由瀝青拌和樓生產(chǎn)智能化數(shù)據(jù)采集及出料溫度監(jiān)測系統(tǒng)、瀝青混合料運(yùn)輸質(zhì)量追溯監(jiān)測系統(tǒng)、瀝青混合料前場攤鋪智能監(jiān)測系統(tǒng)、瀝青混合料前場碾壓質(zhì)量智能監(jiān)測系統(tǒng)、施工現(xiàn)場可視化系統(tǒng)、AI物聯(lián)網(wǎng)智能管控終端組成。其整體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

三、功能模塊

瀝青路面施工管控主要對拌合樓、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓四個(gè)工序的各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測分析。本課題以公路瀝青路面施工管控服務(wù)應(yīng)用為抓手，全過程監(jiān)管公路養(yǎng)護(hù)中瀝青路面施工工作，提升管理效率，促進(jìn)公路養(yǎng)護(hù)工作高質(zhì)量發(fā)展。即基于AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀝青混合料拌和生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、分析、預(yù)警、決策服務(wù)。通過對瀝青拌合料從運(yùn)輸?shù)綖r青路面施工前場設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)信息化改造，實(shí)現(xiàn)對瀝青拌合料的運(yùn)輸、攤鋪、碾壓全過程智能化監(jiān)管。同時(shí)，通過平臺(tái)和手機(jī)App將各種分析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)管部門及施工管理人員。

（一）瀝青拌和樓生產(chǎn)智能化數(shù)據(jù)采集及出料溫度監(jiān)測系統(tǒng)

瀝青混合料的后場拌合生產(chǎn)是控制瀝青路面施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過在瀝青拌合樓布設(shè)高精度溫度傳感器和AI物聯(lián)網(wǎng)智能管控終端對生產(chǎn)過程中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算分析和智能反饋，實(shí)現(xiàn)瀝青混合料出料溫度實(shí)時(shí)控制。

（二）瀝青混合料運(yùn)輸質(zhì)量追溯監(jiān)測系統(tǒng)

在瀝青運(yùn)輸車輛上加高精度北斗+GPS融合定位和RFID標(biāo)簽，可以實(shí)時(shí)捕獲車輛位置。在攤鋪過程中，運(yùn)輸車輛與瀝青攤鋪機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)混合料與路面施工樁號(hào)的匹配，以及瀝青混合料全周期前后場匹配和溯源。

（三）瀝青混合料前場攤鋪智能監(jiān)測系統(tǒng)

通過在攤鋪斷面布置紅外傳感器，實(shí)時(shí)讀取整個(gè)攤鋪斷面的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)對攤鋪機(jī)行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心。

（四）瀝青混合料前場碾壓質(zhì)量智能監(jiān)測系統(tǒng)

瀝青混合料前場碾壓關(guān)乎瀝青路面施工的最終質(zhì)量問題，通過對壓路機(jī)加高精度北斗+GPS融合定位，實(shí)時(shí)獲取壓路機(jī)碾壓速度和碾壓遍數(shù)碾壓。同時(shí)，通過紅外溫度傳感器獲取碾壓瀝青表面溫度。

（五）AI物聯(lián)網(wǎng)智能管控終端

攤鋪機(jī)和壓路機(jī)分別安裝AI物聯(lián)網(wǎng)智能管控終端，實(shí)時(shí)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)中心。

四、系統(tǒng)軟件

瀝青路面施工智能管控中主要車輛包括壓路機(jī)、攤鋪機(jī)、瀝青混合料運(yùn)輸車三種車輛的全過程管控，整個(gè)系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)展示層、應(yīng)用服務(wù)層、AI分析處理層及硬件資源層組成。

硬件資源層主要由安裝在拌合樓、瀝青混合料運(yùn)輸車、瀝青攤鋪機(jī)、瀝青壓路機(jī)上安裝的各種傳感器及供電系統(tǒng)控制組成，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給AI分析處理層。

AI分析處理層負(fù)責(zé)對底層傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的監(jiān)測。①壓路機(jī)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，包括壓路機(jī)運(yùn)行速度、壓路機(jī)行駛加速度、壓路機(jī)轉(zhuǎn)彎角速度及角加速度、壓路機(jī)振動(dòng)狀態(tài)、壓路機(jī)所處位置的混合料溫度、地面碾壓遍數(shù)；②攤鋪機(jī)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，包括攤鋪機(jī)運(yùn)行速度、攤鋪機(jī)變速監(jiān)測、攤鋪機(jī)突然轉(zhuǎn)彎監(jiān)測、混合料攤鋪溫度等；③瀝青混合料運(yùn)輸車實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括車輛速度、超速、超時(shí)、越界等；④拌合樓實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括出料口瀝青混合料溫度，生產(chǎn)配合比、各檔熱料倉用量、礦粉用量、油石比、混合料級配、拌和樓生產(chǎn)周期、骨料加熱溫度、瀝青加熱溫度等。

應(yīng)用服務(wù)層綜合處理底層數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算分析和智能反饋，為頂層提供展示數(shù)據(jù)，為各種終端提供數(shù)據(jù)支撐及數(shù)據(jù)交互等。展示層根據(jù)用戶需求將各種數(shù)據(jù)以圖表、報(bào)警等方式進(jìn)行展示。

五、數(shù)據(jù)分析

以瀝青路面碾壓為例，采用BOMAG雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析，壓路機(jī)安裝紅外傳感器用于實(shí)時(shí)采集地面瀝青混合料溫度；安裝高精度北斗+GPS實(shí)時(shí)獲取壓力機(jī)位置；安裝九軸傳感器，獲取雙鋼輪振動(dòng)數(shù)據(jù)及駕駛員誤操作監(jiān)測；安裝高清攝像頭對采集數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進(jìn)行雙向驗(yàn)證。選取壓路機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)，即加速度、角速度、速度、瀝青混合料溫度，如圖2所示。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，碾壓過程中其瀝青混合料溫度不低于75℃，且全過程瀝青混合料溫度不能高于200℃。雙鋼輪壓路機(jī)應(yīng)以慢而均勻的速度對瀝青混合料進(jìn)行碾壓，雙鋼輪壓路機(jī)的碾壓速度應(yīng)滿足2～6km/h，最大不超過6km/h；雙鋼輪壓路機(jī)的碾壓路線及碾壓方向不應(yīng)突然改變，否則容易導(dǎo)致瀝青混合料推移、鼓包；碾壓區(qū)的長度應(yīng)大體穩(wěn)定，兩端的折返位置應(yīng)隨攤鋪機(jī)前進(jìn)而推進(jìn)，橫向不得在相同的斷面上。

如圖2所示，壓路機(jī)加速度曲線圖中紅圈處，短時(shí)間出現(xiàn)加速現(xiàn)象，同時(shí)其方向也出現(xiàn)持續(xù)變化，AI智能管控終端給出結(jié)論為：壓路機(jī)迅速減速后快速掉頭，由于減速過快，雙鋼輪壓路機(jī)的質(zhì)量非常大，碾壓局部溫度超過200℃，且掉頭后速度曲線可看出壓路機(jī)車速短時(shí)間內(nèi)超過了6km/h，本時(shí)間段瀝青混合料有推移或鼓包風(fēng)險(xiǎn)。該分析結(jié)果通過與高清攝像頭進(jìn)行比對，與實(shí)際情況完全一致。

六、結(jié)語

本文引入時(shí)下先進(jìn)的控制方法，即“物聯(lián)網(wǎng)+AI”，對瀝青路面施工管控關(guān)鍵技術(shù)提出了切實(shí)可行的控制方法，通過對拌合樓、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓四個(gè)工序中各個(gè)環(huán)節(jié)的瀝青混合物進(jìn)行溫度監(jiān)測，保障整個(gè)過程施工溫度符合規(guī)范要求；通過對攤鋪及碾壓過程采集其速度、加速度、轉(zhuǎn)向速度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，保障整個(gè)過程施工人員沒有誤操作。對施工過程實(shí)現(xiàn)全生命周期在線、留痕可溯、監(jiān)督預(yù)警，對提高瀝青路面施工質(zhì)量、延長路面使用壽命都具有積極的促進(jìn)作用。

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作者單位：杭州市綜合交通運(yùn)輸研究中心