路面施工過程平整度智能監測系統設計與應用分析

為了提升瀝青路面施工過程平整度，文章設計了一種部署于終壓雙鋼輪壓路機的平整度智能監測系統，采用激光位移傳感器實時檢測路面縱斷面相對高程位移變化，利用振動加速度傳感器消除壓路機振動對激光位移傳感器的影響，建立了智能采集縱斷面相對高程位移標準差與連續式八輪儀采集的平整度線性回歸關系。結果表明：智能監測系統采集的平整度與連續式八輪儀測試的平整度具有良好的相關性，可通過智能監測系統對施工路面進行平整度監測，具有較高的工程應用普及價值，有助于提升路面施工品質。

平整度；監測系統；激光位移傳感器；加速度傳感器

U491.1+16A541754

作者簡介：

許夏熒（1981—），碩士，高級工程師，主要從事公路建設和公路養護管理工作。

0" 引言

平整度是瀝青路面施工質量控制的重要指標之一，其直接影響車輛行駛的舒適性，同時間接影響了行車安全［1］。車輛在平整度差的路面上高速行駛過程中會產生附加振動，此時車輛就會對路面產生慣性沖擊力，使路面容易出現疲勞損害；同時，不平整的路面容易積滯雨水，在長期水力耦合作用下易出現水損害，影響路面的使用壽命［2-3］。因此，在施工過程中及時監控平整度，提升瀝青路面施工質量具有重要的意義。

國內傳統瀝青路面平整度檢測方法常采用三米直尺法、連續式平整度儀和車載式激光平整度儀檢測方法等［4-5］。三米直尺法需投入大量單點試驗的人力和時間，同時受試驗人員檢測水平影響，精度與效率不能滿足目前路面平整度檢測的要求［6］；連續式平整度儀和車載式激光平整度儀檢測方法常在施工后的瀝青路面進行檢測，無法在瀝青路面施工過程中進行監測和及時反饋路面平整度數據，此時，現場施工人員無法及時發現問題并采取相應的施工措施來提高路面平整度［7-9］，不利于在施工過程中控制瀝青路面質量。

路面平整度可以通過檢測路面縱斷面的一條剖面曲線的凹凸量偏差值來反映，目前國內研究學者對于快速檢測平整度方法常采用激光位移傳感器測量。趙康等［10］研究表明，多功能檢測車上的雙激光位移傳感器路面平整度檢測系統能有效消除車輛振動對平整度檢測產生的干擾，實現路面平整度準確、實時、全天候的采集和處理。許翠云［11］通過車載激光平整度儀的設計，采用加速度傳感器消除車體振動對激光位移傳感器的影響，實現高效率、高精度地采集平整度數據。張志遠［12］研究顯示以激光位移傳感器和加速度傳感器為主要組成部分的車載式路面平整度檢測系統采集的平整度數據與平整度儀相差不大。

針對上述瀝青路面施工過程中傳統平整度監控方法較少的問題，考慮施工過程中平整度檢測的高效性和及時性，本文設計一種瀝青路面平整度智能監測系統，通過在鋼輪壓路機上布設激光位移傳感器和振動加速度傳感器，激光位移傳感器能實時檢測其到路面的距離，振動加速度傳感器實時同步檢測壓路機機身振動位移，消除壓路機振動對激光位移傳感器的影響，得到更加精準的路面縱斷面相對高程位移，計算其路面平整度標準差，并分析與連續式平整度儀采集平整度標準差數據相關性，其成果可為提升瀝青路面施工質量提供指導依據。

1" 監控系統設計

本監測系統主要包括數據采集端、數據處理端和成果顯示端。數據采集端主要由激光傳感器和振動加速度傳感器組成，激光位移傳感器采集路面相對高程位移，在激光位移傳感器的同一安裝平臺上布設振動加速度傳感器，采集壓路機振動加速度信號，通過對振動加速度二次積分獲得壓路機振動產生的高程位移，對激光位移傳感器進行補償。由于傳感器采集的數據信號為電信號，需要將電信號經數據處理端的數據采集卡處理后，轉換成數字信號，并將數據傳輸給上位機進行存儲、處理及顯示。其監測系統結構組成如圖1所示。

1.1" 系統硬件選型與設計

因為該平整度監測系統所采用的設備均由其他部件組裝構成，所以需要對系統涉及的監測設備進行選型與設計，下面對平整度智能監測系統的主要硬件選型與設計進行分析。

1.1.1" 激光位移傳感器

為了精確識別路面縱向斷面曲線變化情況，獲得路面相對高程信息，本文選用激光位移傳感器為松下HG-C1200。該傳感器采用高精度CMOS影像傳感器、反射鏡的新型光學系統和鋁鑄外殼，采集精度高，同時能減少外殼變形和溫度不穩定因素的影響，還能適應瀝青路面高溫施工的環境要求。該傳感器具體結構圖如圖2所示，技術參數如表1所示。

路面施工過程平整度智能監測系統設計與應用分析/許夏熒，覃金壽，劉" 宇，姚新宇

從表1可知，HG-C1200型激光位移傳感器測試距離范圍為（200±80）mm，因此，布設在鋼輪壓路機的激光位移傳感器，離地面高度宜控制在200 mm左右。

1.1.2" 振動加速傳感器

為了消除壓路機機身振動產生的高程位移對激光位移傳感器采集的縱斷面高程信息影響，本文選用上海澄科公司的CT101110LC型壓電式加速度傳感器進行振動加速度檢測。該傳感器具有頻率范圍寬，測量精度高，信號穩定，底座變形和熱瞬變不敏感等特點，適合瀝青路面施工環境要求。具體實物圖如圖3所示。

1.1.3" 多功能數據采集卡

考慮本研究采用兩種不同類型的傳感器，在數據采集過程中需要保證振動加速度傳感器和激光位移傳感器能同時同步進行采集，因此本研究多功能數據采集卡選用USB-1608FS-Plus同步數據采集設備。該數據采集卡每個模擬輸入通道都有一個專用的16位A/D轉換器，所有輸入通道可同步獲取數據，因此能滿足同時同步數據采集的需求。

1.2" 系統軟件設計

本研究根據平整度監控參數要求，開發設計出路面縱斷面高程位移監測軟件，該軟件包括三大模塊，分別是采集參數配置、采集卡數據讀取與分析、數據保存與展示。軟件整體功能流程如圖4所示。

2" 工程應用

2.1" 平整度數據采集

根據瀝青路面施工工藝特點，終壓采用雙鋼輪壓路機進行收面整平，此時雙鋼輪壓路機一般設置靜壓，因此在終壓雙鋼輪壓路機上布設采集設備。壓路機振動對激光位移傳感器采集路面縱斷面相對高程位移影響較小，整平后表面平整度為瀝青路面施工最終的平整度。

本研究在廣西某在建項目瀝青路面中面層施工中的終壓雙鋼輪壓路機上布設采集設備，布設過程嚴格控制激光位移傳感器與振動加速度傳感器處于同一水平面上，并且保證激光位移傳感器安裝高度必須在測試距離范圍內。

本研究采集了4個不同路段的瀝青路面中面層第1和第2車道長度為100 m的平整度。由于雙鋼輪壓路機起步階段處于加速狀態，機身抖動較大，因此為了保證雙鋼輪壓路機加速到速度較為穩定狀態，本研究選取前6 s為壓路機加速階段，相當于前6 s屬于設備調試階段，在第7 s開始連續采集長度為100 m的路面縱斷面相對高程位移，雙鋼輪壓路機行走速度為5～7 km/h。以其中一個路段（路段編號A）為例進行數據采集和處理介紹，激光位移傳感器與振動加速度傳感器在第1和第2車道采集的原始數據如圖5、圖6所示，其中橫坐標時間以秒為單位。

（a）激光位移傳感器采集相對高程位移值

（b）振動加速度二次積分后位移有效值

從圖5、圖6可以看出，激光位移傳感器采集的位移均值是一個常數，而監測系統在壓路機行駛過程受振動影響發生上下移動，激光位移傳感器采集的位移均值需通過加速度二次積分進行補償，使采集的路面縱斷面相對高程位移與實際相符合。由于最終需要的結果是縱斷面相對高程曲線變化，因此對補償后激光位移傳感器采集的相對高程位移減去一個常數值不影響最終結果。本研究選擇該常數值為補償后的激光位移傳感器采集相對高程位移的平均值，處理后縱斷面相對高程曲線變化如圖7所示。

（a）激光位移傳感器采集相對高程位移值

（b）振動加速度二次積分后位移有效值

（a）第1車道相對高程曲線

（b）第2車道相對高程曲線

計算上述縱斷面相對高程曲線各點位移值標準差σ1，在智能監測系統每采集一次后，使用連續式八輪儀測試對應路段平整度標準差σ2，結果如表2所示。

2.2" 相關性分析

為了表征智能監測系統采集的平整度標準差σ1與連續式八輪儀測試平整度標準差σ2的關系，本研究采用線性回歸分析兩者相關性。將智能采集的平整度標準差σ1作為自變量x，八輪儀采集的平整度標準差σ2作為因變量y，得到回歸分析結果如圖8所示。

從圖8可以看出，智能監測系統采集的平整度標準差與連續式八輪儀測試平整度標準差呈正相關，其回歸方程為：

y=0.79x-0.22（1）

該方程相關系數R2為0.97，表明該擬合方程優良程度高，連續式八輪儀測試的平整度標準差與智能監測系統采集的平整度標準差具有良好的相關性，因此可以通過本設計的智能監測系統采集相對高程位移的標準差以反映路面平整度良好情況。

3" 結語

（1）本文建立了智能監測系統采集的平整度與連續式八輪儀采集的平整度線性回歸模型，回歸方程為y=0.79x-0.22，擬合程度高。因此在不同型號的壓路機布設智能平整度監測系統，通過找出其與八輪儀采集的平整度線性回歸關系，即可進行瀝青路面施工過程的平整度監控。

（2）較傳統瀝青路面平整度檢測方法，本研究設計的平整度智能監測系統經濟適用，安裝方便，能高效和實時地檢測施工中路面的平整度，項目可根據平整度標準差目標值進行施工平整度控制，提升路面施工質量。

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20240408