高速公路施工质量GPS监控技术

汪玉卉

(湖北交通职业技术学院,湖北 武汉 430070)

1 GPS监控技术的由来及适用范围

1.1 传统的勘测技术的弊端

交通事业的发展很大程度上影响着高等级公路的发展,因此对修建高等级公路勘测技术也提出了更高的要求,由于线路长,已知点少,因此用常规测量技术手段不仅会出现布网困难,而且难以满足高精度的要求。

1.2 GPS监控技术满足高精度的要求

GPS的出现恰恰解决了传统的勘测技术的弊端,最近几年在各种公路工程项目中,GPS全球定位系统[1](global positioning system)在其建设中的应用得到了迅速推广及普及,GPS技术在其项目中的关键是建立在线路首级高精度控制网中,然后采用常规方法分布设置导线加密,也就是将GPS技术与常规方式结合。实践证明,运用该技术达到了常规方法难以实现的高精度：误差在大大的缩小,在几十公里范围内的点位误差仅仅只有2cm左右,减小了传统勘测的难度,减小户外勘测人员工作的危险,同时有助于工程及时的完工,缩短了工期,提高施工进程的同时保证了工程的质量[2]。

目前GPS测量技术已经较为成熟,现阶段将其技术运用到工程项目施工中去,能够实时测量出来的地理位置的三维坐标,三维速度和时间信息等技术参数,这些技术参数是施工碾压GPS监控系统的核心。这一特殊的技术优势,使其在工程碾压施工质量控制中得以有效运用。

2 GPS系统的工作原理

随着现代科学技术的飞速发展,GPS系统也在不断地更新,目前的GPS系统已是具有高精度、全球性、全能性(陆地、港口、海洋、航空与航天)、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成,除此之外,还有提供用户接收信号的卫星接收设备[3]。

2.1 GPS系统的定位原理

GPS系统是一种卫星导航定位系统,如图 1示。在需要的p点位置架设GPS接收机,在某一时刻ti同时接收了3颗(e、f、g)以上的GPS卫星所发出的导航电文,通过一系列数据分析处理和计算可以求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离S EP、SFP、SGP,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得p点的维坐标(X p,Y p,Z p),其数学式为[4]：

式中(X e,Y e,Z e),为卫星e在时刻ti的空间直角坐标。(X f,Y f,Z f),为卫星f在时刻ti的空间直角坐标。(X g,Y g,Z g),为卫星g在时刻ti的空间直角坐标。

在GPS测量中通常采用2种类型坐标系统,包括空间固定的坐标系统,与地球体相关联的坐标系统,亦称地固坐标系统。地固坐标系统是在施工控制测量中所选用的。由于在实际运用过程中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果,因此在工程测量中被得到了广泛的应用。

2.2 差分GPS定位原理

差分GPS定位是根据差分GPS基准站发送的信息方式,可将其划分为3类,即：伪距差分、位置差分和相位差分。这3类差分方式的工作原理是一样的,主要目的是要获得更为准确的定位结果。所不同点体现在结果的差分定位精度。为了获取较高精度的测量数据,因此选用RTK技术(real time kinematic)载波相位差分技术。

图1 施工质量GPS实时监控系统

2.3 GPS的技术特点

相对于常规的测量方法来说,GPS技术可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS技术测量的特点包括：观测站之间无需通视;定位精度相当的高;有效的节约了观测时间;提供可供全球统一的三维地心坐标;操作简便;全天候作业;实时定位。

3 GPS施工碾压实时监控系统

在碾压式施工中,获得满足设计要求的各种材料和按照设计要求进行的填筑,是保证施工质量管理的关键环节。国内在填筑施工质量控制上,《碾压式施工规范(DL/T5129-2001)》[5]提出了“石料的填筑,以控制压实参数为主,并按规定取样测定干密度和级配作为记录”和“石料压实质量检查,应以控制碾压等施工参数为主”的规定,即实行碾压参数和试坑取样“双控”的原则进行质量管理;国外则主要是控制碾压参数,堆石体的密度、级配试验只在一些重要的道路上作为施工记录进行少量试坑试验[6]。

3.1 传统碾压方式的弊端

(1)对于施工人员来说,传统的碾压方式是仅靠用人工来记录整个碾压区域的碾压次数,单靠人工的感觉或简单的求匀速的计算去推算碾压车辆的行车速度等等施工参数,显然这些得到的参数不够准确,并且采用这样的工作方式是难以实现的。

(2)对于监理、业主们,采用挖坑取样法来判断碾压的土体层是否合格,具有局限性和不精确性,往往导致整个压实密度测量值不够精确。若挖坑过多会导致土质的松软,更加不利于后续的施工。

(3)在传统的施工中,监理方和施工方都对铺料的厚度以及平整度无法控制、检测,在碾压工序完成后路面有可能出现高低不平,形成波形状,这些现象最终影响碾压的质量,日后全程贯通后又会影响驾车人员和乘车人员的舒适度。

(4)对于业主方,传统的碾压土层验收的方法存在弊端,无法验收整个工艺过程,只能抽样检验,并且测试碾压的结果要消耗大量的人力、物力、时间,在一定程度上影响了工期。

这就需要采用一种既能够实时监控又能够得到施工参数的方法来替代人工监控法,这种被替代的方法不仅能得到这些准确的参数并且能够将其视频资料、数据资料做为依据将其备份保存起来,保留下来的信息将作为日后施工过程的回放、学习、评估、划分责任归属的重要依据,因此,解决这一系列的问题就需要利用一套实时监控系统,该监控系统由全球卫星定位系统进行实时监测,加上一些基于GIS开发的软件构成。

3.2 GPS实时监控系统在碾压工程中的应用

GPS实时监控系统,对碾压工程施工质量的监控发挥着不可取代的作用,该系统为碾压工程施工提供了一个系统平台：对施工质量进行实时、高精度、连续性、自动化监控等等。GPS实时监控系统是以双频实时差分(RTK)GPS技术、2.5G无线通讯技术、嵌入式系统技术、数据库技术、GIS技术的开发,互联网通信技术和计算机及软件技术为核心,该系统的应用能够自动对碾压填筑施工的现场进行管理与监控,尤为突出的一点是克服了靠人工完成该项工作所得到的不准确参数的弊端。

(1)可以实时掌握碾压施工车辆的所处地理位置以及操作执行情况。

(2)系统能记录下各碾压车辆的行车轨迹、运行方位。

(3)系统可以监控碾压车辆的行车速度,由此准确的计算出碾压遍数、碾压的厚度和压实率,为精准施工,检查判断及责任归属提供可靠、有效的依据。

3.3 GPS施工碾压实时监控系统的工作模式

该系统是基于Client/Server工作模式建立。检测点检测,传到公网;(移动检测点所计算出来的数据通过GPRS无线网络将其数据信息上传到公网的固定IP端口;)监控中心接收、保存数据;(数据信息经过路由后被传输到监控中心的服务器上,并予以保存 。)查看 、访问 、调用 。(对于业主 、监理 、施工方或其他利益相关者而言,他们各自拥有着属于自己权限,他们可以使用自己有效权限(口令、密码等)在自己的权限范围之内对服务器上的数据进行访问 、查询 。)

3.3.1 数据的接受、传递与显示

每台碾压机械上都配备GPS和工控机,当卫星将处理后的数据发送给了碾压车辆,碾压车辆准确无误地接收到数据后,该碾压车辆所在地理位置的三维坐标更新速度相当快,以秒速生成一次新的,将其显示并存储在工控机上,通过工控机内的GPRS无线网络及时把该数据传输到监控中心的服务器上,如图2所示。

3.3.2 配备GPS、工控机和显示器的用途

除了每辆碾压车辆上必须配备GPS和工控机,还要在每辆碾压车辆上必须安装显示器。因为配备GPS和工控机仅仅是针对监控方而言的,但这些对于施工现场作业的司机而言,若有问题只能够受人遥控,没有自主权,所以必须安装显示器,让施工现场作业的司机与监控方同时获取信息数据,他们可以一边驾驶碾压车辆,一边观察显示器里提供的数据信息,通过这些数据信息可以判断碾压过的区域质量是否达标,对不达标的地方进行补碾,直到碾压合格为止。

对于监理人员来讲,他们同样将显示器安装在监控中心和现场监理车上,监理人员可以随时调出任意车辆,掌握任意区域的碾压实况,通过显示器显示出的碾压图形来判断碾压是否合格,若不合格可以及时的发现并迅速发布指令,责令补碾,直到合格为止。

3.3.3 GPS施工碾压实时监控系统的工作模式在碾压中所起到的作用

(1)施工方和监理方可以同时控制与弥补由人工统计和控制碾压的遍数,尽量的避免多次数碾压或超次数碾压。

(2)只要凭借有效的权限密码,与工程质量相关人员以及有访问权限的人员均可以看到工地施工现场的碾压实况。

(3)监控中心的人员还可以根据所传送来的数据资料进行三维建模,对数据进行分析和计算,并上传到网络上供有查询权限的人员进行查询。

3.3.4 数据处理

显示器上显示的碾压区域位置就是碾压车上的GPS和工控机一体机所测得地理位置的数据信息。由于碾压车在施工作业的时候是不断发生位移的,因而其地理位置的坐标也在不断的变化,碾压车每秒钟行驶的距离可以通过监控系统检测到的数据得知,并且通过这些数据可以间接地计算出碾压车的每秒的行车速度及轨迹。

图2 数据传递模式

根据碾压车辆的行车路径,系统可以统计出碾压车辆所碾压区域的遍数,精准地计算出碾压车辆在碾压场地所处于的地理位置,碾压的遍数、行车速度与行车方向。如果在碾压车辆的系统软件上事先设定好的要碾压线路,碾压车辆就会按照系统的指示,按照事先既定的线路进行碾压,从而保证施工要求的规范性。

3.3.5 GPS施工碾压实时监控系统判断碾压层的厚度达标办法

(1)根据最后一遍碾压的高度计算得出的结果进行判断。

(2)运用在土体摊铺好后,由于移动巡查工程监理车上是安有GPS和工控机一体机及显示器,当工程监理车在碾压施工场地内移动的时候,也可以通过系统计算并显示出土体摊铺厚度的数据,由此来判断碾压层的厚度是否达标,如图3所示。

图3 移动巡查系统体现结构

4 GPS施工碾压实时监控中心数据库管理以及数据统计分析

4.1 数据管理

(1)调用图纸数据库,建立碾压划分区域层块,形成区域边界。

(2)对每层碾压数据进行处理,通过对数据的曲面拟合形成区域面,并对该区域面进行网格化划分。

(3)建立各层网格化后每一网格块的碾压数据库,包括碾压遍数、压实率和厚度等。

(4)在监控中心把数据计算分析结果上传到互联网上。

4.2 数据统计分析

4.2.1 机械碾压遍数合格范围

对GPS所传送的数据进行差分形成碾压后的曲面,归纳出整个被碾压区域内碾压的遍数、碾压的合格率,这样就可以形成一个近似标准的碾压遍数合格范围。

4.2.2 碾压厚度和压实率合格范围

统计每个网格块的厚度,形成一个标准压实率控制指标,这样可以对每个网格块的厚度和压实率设置合格范围。通过这些合格的范围指标系统会自动的判断哪些合格、哪些不合格,对于不合格的网格块系统用不同的颜色在碾压场地层厚图上区分开来。

5 施工工地现场监理实时数据检测查询

5.1 碾压前铺筑层铺料示意图

该图形来自于填筑碾压施工前,铺料是碾压工作的一个关键的环节,如果铺料厚度不一样,平整度的不均匀,将对整个碾压工程的质量将会有很大的影响,如图4所示。

图4 铺筑层示意图

5.2 碾压后的遍数分布图

碾压车辆在规定碾压的区域内进行碾压施工的时候,碾压的具体工作就是需要驾驶碾压车辆来回运行,在这里碾压车辆来回运行的次数便是碾压的遍数,而碾压车辆的每次移动运行工作,系统都会有详细的精确的记载,根据系统所得到测量的数据,通过在同一网格块(碾压区域)中不同时间的出现的次数,由此次数可以判断出对每个网格块的碾压次数。

在系统设定中,我们也设置了不同的颜色来表示碾压的变数,网格块每被碾压一次系统就会使用不同的颜色在显示器上体现出来,这样我们就可以通过多不同的色彩的统计,对整个碾压区域的碾压遍数作出正确的判断,如图5所示。

图5 GPS施工碾压实时监控系统界面

5.3 碾压后的高程分布图

该图形来自于完成最后一遍碾压工序后,与碾压的最终高度息息相关。用每个网格块最后一次碾压的高程来表示网格曲面的实际高程,通过所有网格块的高程分布情况可以判断出整个场地的平整度以及反映场地的最低高程,最高高程以及平均高程,对填压的土方量进行精确的计算。如图6、图7所示。

图6 碾压后的高程均匀分布图

图7 碾压后的高程不均匀分布图

5.4 碾压后的层厚分布图

该图形的形成同样也必须等到最后一遍的碾压工序结束之后。碾压后的层厚的计算通俗地讲就是用最后一次碾压所得到的高程的数据去减去上一层的高程的数据。在系统上就是用h1(h1为网格块本层最后一遍的碾压高程)减去h2(h2为上一层最后一次的碾压高程),这样计算出来的结果就是该网格块层的实际碾压后的层厚s1。如果在碾压车运行开展碾压工作之前,将配以装有GPS的监理车事先就在该网格块上(碾压区域上)行车,这样系统就会帮助我们事先测量出土体的摊铺好后碾压前的高程h0,从而由h0-h2可以得出土体的摊铺厚度s2。从而可以得出土体的碾压参数压实率V。公式于下：

5.5 工程业主方和监理方以及施工方实时调整通讯

(1)碾压验收程序。碾压验收的前提条件是施工方完成当前施工碾压的工作任务,其程序为：当碾压完成后由施工方发出当前碾压层验收邀请函;监理收到邀请函;监理人员验收和确认碾压报告;监理人员验收确认后,向施工方签发合格验收函件,并向业主方提交验收报告以备日后查看。

(2)碾压过程回放设置。系统对整个碾压施工全过程做了全程监控,这里的全程监控具体体现在以下两点系统为我们提供了进行实时观测碾压的实际情况的功能;系统预留了足够的储存空间,系统可以将检测到的数据资料全都存放在储存空间内并将其自动整理归类建立相应的数据库。储存空间的功能不仅仅如此,它还可以对碾压的全过程实际情况全都拷贝下来,通过调用储存空间数据库资料进行全过程动态回放。

[1]李明峰,冯宝红,刘三枝.GPS定位技术及其应用[M].北京：国防工业出版社,2006.

[2]周建郑.GPS定位测量[M].郑州：黄河水利出版社,2010.

[3]周建郑.GPS测量定位技术[M].北京：化学工业出版社,2004.

[4]吴晓铭.面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案研究[J].水力发电,2002(10)：30～ 32.

[5]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T5129-2001碾压式土石坝施工规范[S].北京：中国电力出版社,2001.

[6]黄声享,曾怀恩.GPS实时监控系统及其在碾压施工中的应用[J].测绘工程,2006(3)：1～ 4.