论路面数字化施工智能监测系统对太原东二环高速品质工程的作用

李 峰

（山西路桥东二环高速公路有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

路面数字化施工改变了传统的施工管理模式。主要体现在：从时间和空间角度上满足了监管者对项目路面现场施工的管理需求；从传统抽检点模式改为数字化监控面模式对施工质量的控制需求；从经验化要求改为程序化生产改变了对人的技能掌握要求；从机械、原材料的控制满足了施工对成本的控制；从项目数字化改变了对问题分析处理方法；从路面全方位生命周期记录为BIM预留数据接口。而传统的路面施工，受环境因素影响太大，因此在施工过程中一定会或多或少地对质量造成一定的影响，故而会导致一定的返工可能，增加额外的施工成本。并且传统路面施工在正式使用后，一旦出现一些问题比如裂缝、坑槽等，要找到原因和从本质解决问题都非常困难，这样就造成了公路的使用寿命不高，甚至可能导致某些严重事故。但是目前国内大部分的公路建设采用的还是传统的建设方式，而这种建设方式的技术局限性很大，对过程质量没有任何监控能力；采用人工管理的方式，效率太低、成本太高、施工周期太长、控制手段太少，摊铺碾压过程基本都是经验化施工。

从21 世纪开始，国内也开始陆续研究公路路面的数字化施工手段，希望借助一些数字化设备实现全过程的可视化管控，并且实时地进行质量反馈，便于及时做质量纠正。至今为止，国内也有了一套较为成熟，有科学依据的路面数字化施工管控程序。数字化施工是目前在国内施工领域的一项新兴的技术应用。所谓数字化施工，主要依靠北斗高精度定位技术、物联网技术、传感器技术、现场施工动态模拟化技术等手段将即时信息加以整合处理，实现项目现场管理做到统一化、协调化、标准化。

1 工程概括

太原市东二环高速公路是山西省规划“三纵十二横十二环”高速公路网中重要组成部分。该项目路线为南北走向，项目起点太原市阳曲县凌井店乡南庄村北，以枢纽立交形式与平阳高速（京昆）相接，并与太原北二环高速公路相连，终点以枢纽立交形式与太旧高速公路相接，并与龙城高速公路相连，途径阳曲、寿阳、榆次等地区县，涉及2 个地市27 个自然村，路线全长共33.199 km。

该项目全线采用六车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h。主要工程共设置3 处互通式立体交叉，分别为凌井店、龙白两处枢纽式互通立交，南庄互通一处一般互通式立交，服务区、收费管理站、管理分中心、养护工区各1 处；特大、大中桥共10 365 m/41 座，其中特大桥1 088 m/1 座。

该项目建成后，作为G55 高速公路一部分，将会替代已运营的太原东环高速功能，很大幅度地缓解东环高速交通压力，对完善山西省内以及我国国家高速公路网有很重要的意义。

为了从源头上控制路面施工质量，在确保施工进度的情况下追求优良的施工品质，故在太原东二环高速公路上结合了数字化施工智能监测系统，由质量过程管控替代原本的事后检测。并且降低人工成本，提高施工效率，保证施工安全，另外还附加持续化监测，动态预警和实时纠偏能力。这套系统在实际项目上的应用打破了传统的路面施工规则，开创了智能化施工的时代，在打造品质工程和优良工程中起到了关键性的推动作用。

2 路面数字化施工智能监测系统的介绍

路面数字化施工质量智能监测系统利用智能远程施工数据自动采集技术、现场施工过程追溯技术帮助提高路面施工质量，通过提供远程管理和施工过程回溯手段提升施工质量、把控施工质量。智能监测系统有两个核心特点，分别是“远程施工质量监控”和“现场施工实时追溯”，通过这两个核心点管理施工作业的施工进度、施工质量、施工过程，以及为达成施工目标提供有效帮助。该系统实现对路面施工混合料（沥青、水稳）生产数据、运料车运输（轨迹、运料次数、单次运料时间）、摊铺数据（温度、速度、轨迹）、压实（速度、变数、厚度）的大量关键数据进行系统化的采集、传输、交互分析、追溯，同时完成业务数据持久化的储存及施工现场可视化的展现，最终可以极大地帮助并强化监管层对施工质量和进度的掌控。

2.1 系统在东二环项目应用效果

2.1.1 提高施工效率

通过对路面施工各环节的施工质量和施工进度信息的实时采集、监测，优化各个施工区域调度效率，确保路面材料从生产到施工全过程各指标值的合格率，全面提升施工全周期的管理效率、施工效率。

2.1.2 保障施工进度

利用系统在施工期间不间断提供的对作业前场和后场业务生产数据对比分析、偏差自动预警功能，确保施工各级监管人员在任何时间、任何地点都能够详细了解并掌握路面工程施工过程是否存在各项指标值异常、各工艺层施工进度的动态监控等关键信息。

2.1.3 实现过程回溯

系统根据设定路面施工工艺及各施工工艺所对应的施工业务管理、技术管理要求，全过程自动采集作业现场所有生产关键数据，并同步到云存储中心进行业务数据筛选、清洗的二次加工。确保在路面施工环节的各个阶段均可对历史作业过程、业务参数、施工工艺、预报预警进行回溯和重放，为监管层的复盘工作提供可视化、强有力的决策依据。

2.1.4 完善施工大数据

使用光电全息显微镜对薄膜的变形进行测量，结果如图7所示。图7为未施加压力时，薄膜的干涉图形和3D图形。我们可以看出在没有施加压力的情况下，压力传感器的薄膜仍然存在约为0.25μm的微小变形，这是由于加工后存在残余应力所导致。压力传感器在压强为15kPa下的干涉图形及3D图形如图8所示。在施加压力不同的情况下，对薄膜最大变形量进行测量，能够得知薄膜最大变形量与所施加压强的变化关系，如图9所示。从图9可以看出，随着对薄膜所施加的压力的增大 （实际上通过控制应变片变形薄膜表面上作用的气体压强大小来控制压力），薄膜的变形加大。

通过路面数字化施工智能监测系统的上线应用，助力项目建设单位对路面施工作业全过程管理规范化、标准化、信息化、精细化。通过系统业务数据云存储应用，确保项目路面各施工工艺相关的业务数据长久留存，推动并完善集团公司对施工项目建设期大数据积累，通过大数据应用分析技术最终提升对施工质量和成本的有效控制。

2.2 系统整体拓扑结构（见图1）

图1 系统整体拓扑结构

2.3 沥青混合料拌和站生产质量监测系统

沥青混合料站监测管理系统监测管理以下数据指标进行分析反馈[1]：

a）沥青混合料拌和站热料仓料位监控。

b）沥青混合料全生产过程配合比等参数在线动态监控、分析（见表1）。

c）沥青混合料沥青含量（油石比）指标值监控、分析。

d）沥青混合料拌和站出料口料温度达标监控。

e）沥青单纯和料级配曲线走向绘制及分析（见s图2）。

表1 沥青混合料全生产过程参数在线动态监控

图2 沥青混和料级配比、油石比、温度实时在线动态监控

2.4 混合料运输过程质量监测系统

首先通过在混合料拌和站、混合料运输车辆、施工作业现场摊铺机终端上安装部署设备信息识别系统完成对进场机械的甄别（见图3）；其次通过高精度北斗定位及跟踪系统对终端机构设备运作及运行状态进行全方面定位及跟踪（见图4）。通过这两个监测环节，确保每一车混合料从装车、运输、摊铺全过程混合料温度、运输轨迹、过程用时、现场作业施工实现全方位监控、监测，同时也为后期的施工作业薄弱区及薄弱环节的工程施工质量问题追溯提供了真实的数据和决策依据。

通过混合料运输过程质量监测系统提供的电子围栏控制功能，当发现混合料运输车辆在混合料运输过程中出现超出已设定好的电子围栏范围或长时间停车时，系统会以手机短信方式自动进行违规状态预警及报警。

图3 混合料拌和、运输、摊铺过程识别设备

图4 施工车辆定位及动态跟踪

2.5 东二环路面摊铺碾压质量智能监控系统

东二环路面施工摊铺碾压质量智能监控系统作为项目路面水稳层的摊铺碾压、沥青层的摊铺碾压施工作业质量监测控制的重要组成部分。通过信息化软件系统与智能化物联网硬件相结合（见图5），实现后台施工工艺关键参数的集中管理与调用，完成作业现场产生的业务数据实时在线采集处理，过程中做到了后台参数与前端数据同步对比分析，第一时间为作业监管人员推送质量评价信息。

图5 施工设备智能化物联网设备

系统的应用，实现将项目路面作业施工现场为一个有机整体进行全过程、全方位的监管。首先，在施工过程中针对水稳、沥青层摊铺、压实作业进行相应的工艺信息设置；其次，针对摊铺机和压路机操作手可通过车载工业平板所展示的实时施工作业模拟画面提供现场作业质量把控的可视化施工辅助（见图6、图7）；再者，摊铺、碾压系统平台同步实时记录存储并展示现场各工艺施工作业模拟画面及对应的包括摊铺温度、速度、位置及压实遍数、温度、速度、轨迹等业务数据统计汇总（见图8、图9、图10），并为质量回溯提供数据支撑。

图6 施工作业机械设备工作信息可视化动态监控

图7 路面施工作业过程可视化动态监控

图8 路面施工生产进度统计

图9 路面施工工艺达标率统计

图10 施工机械设备工作量统计

3 应用效果

路面数字化施工智能监测系统在东二环高速公路项目上的应用，本质是为了提高施工质量、确保施工安全、减少人工成本、降低机械损耗，过程管控代替事后检测，全面提高了施工作业数据的可靠性和真实性。通过这次应用，我们也获得了一些成效。

3.1 提高了施工质量

通过系统中实时作业数据的监控，确保了路面施工过程符合管理规范要求。系统在动态监控过程中，当发现施工过程作业实时数据与规范参数出现偏差时，会自动通过现场报警、平台预警、短信息提醒等手段通知相关人员，对施工工艺、方法及时纠偏，使施工过程的实时质量监控成为现实。

3.2 提升了施工效率

在东二环高速项目路面施工的各个环节，完成了施工质量、施工进度数据信息的实时采集、监测，过程中优化了工料之间的调度，减少资源浪费。通过系统作业数据的收集，利用智能薄弱区分析，做到了有针对性检测，避免返工与识判，从而提升了工程项目整体管理效率和施工效率。

3.3 提供施工质量回溯手段

系统的上线应用过程中采集了施工过程所有数据，并将其存储于集团公司指定的云数据中心，过程中或后期可随时利用原始数据对历史施工过程、作业参数、施工工艺等资料进行回溯与重放。

3.4 降低施工成本

系统的上线应用，为企业基于精确的施工项目现场各作业环节业务数据的采集、应用做到了充分的储备，同时通过系统的生产进度分析、摊铺压实分析、生产数据分析、车辆数据等分析模块，协助完成施工成本的核算，为业主单位优化建设成本提供了决策支持。

3.5 为项目路面全生命周期运维提供数据支持

通过系统上线应用，完成对路面施工过程中所采集到的所有施工作业数据进行长久保存，为项目后期养护运营过程中提供准确、全面的原始施工数据。

4 主要研究结论

a）路面数字化施工智能监测系统的引入，使整个路面施工质量和效率比传统施工提高40%以上。主要体现在：拌和站生产监管（后场）使材料生产合格率达到95%以上；材料运输监管（衔接）提高了材料生产后场和施工前场之间材料供应效率协调问题，同时也解决了合格混合料和施工前场不协调导致的混合料失温问题；摊铺压实动态监管使操作手在施工过程中科学地参考平台实时数据，保证了摊铺状态下的机械作业速度和混合料摊铺的温度，同时监管压路机在碾压时的速度、温度、变数，通过硬性数据监管路面摊铺碾压的实时质量。

b）路面数字化施工智能监测系统的上线应用，针对传统的路面施工管理及人员管理存在的盲点做了有效补充，并且对后期可能出现的质量问题有了更明显的责任追究机制，有助于提高路面施工过程的质量控制管理水平。