劉 永，秦 旻，李紅鏑

(重慶交通大學 管理模擬實驗中心, 重慶 400074)

工程管理專業(yè)橫跨管理科學與工程、土木工程兩大學科，一方面要求學生掌握現(xiàn)代工程管理科學理論、方法、手段和土木工程技術(shù)，另一方面培養(yǎng)學生具備在國內(nèi)外工程建設(shè)領(lǐng)域從事項目決策和實施全過程管理的基本能力[1-3]?！肮佛B(yǎng)護技術(shù)與管理”是工程管理專業(yè)的專業(yè)課程之一，主要介紹公路技術(shù)狀況評定、公路日常養(yǎng)護方法和病害防治措施。本課程要求學生掌握基本的公路養(yǎng)護技術(shù)以及管理方法。目前，該門課程教學有48學時的理論教學課時，未開設(shè)實驗教學內(nèi)容。但是，公路養(yǎng)護技術(shù)作為該專業(yè)課程的主要教學內(nèi)容之一，具有很強的應用實踐性，迫切需要針對一些關(guān)鍵技術(shù)加強對學生實踐技能的培養(yǎng)。從近幾年的教學效果來看，大部分學生通過理論課程的學習，能夠知道和了解一些典型的公路養(yǎng)護技術(shù)知識，但還是缺乏對這些養(yǎng)護技術(shù)與方法的感性認識和深層次理解。據(jù)此，我們應該完善該專業(yè)課程的教學內(nèi)容，針對公路養(yǎng)護技術(shù)，設(shè)計與開展一系列具有一定工程實踐意義的能力和技能培訓的實踐教學內(nèi)容，幫助學生理解和消化課堂上的理論知識和關(guān)鍵技術(shù)要點，培養(yǎng)和鍛煉學生動手的實踐技能與崗位就業(yè)能力[4-7]。

2010年，在中央與地方共建高等學校專項資金的支持下，我校管理模擬實驗中心結(jié)合工程管理專業(yè)的發(fā)展特點和公路養(yǎng)護技術(shù)專業(yè)課程的實踐教學要求，新引進了一套先進的教學科研實驗平臺——紅外視頻檢測系統(tǒng)，服務(wù)于科研與實驗教學。充分考慮溫度作為瀝青路面就地熱再生技術(shù)施工過程中的關(guān)鍵檢測與控制參數(shù)，結(jié)合課題組科研項目的研究成果，將該過程引入實驗教學，并設(shè)計了一個“瀝青路面就地熱再生過程中溫度變異的探究”開放實驗項目。采用先進的紅外視頻檢測系統(tǒng)觀測瀝青路面就地熱再生施工過程中的溫度變異現(xiàn)象，不僅能夠使學生熟悉和掌握這一先進的檢測技術(shù)手段[8-11]，拓寬學生的專業(yè)知識視野，并通過對檢測數(shù)據(jù)的處理、分析和比較，加深對新型高等級公路養(yǎng)護技術(shù)“就地熱再生技術(shù)原理和施工工藝及機組設(shè)備”的理解和掌握，而且還能提高大型貴重儀器設(shè)備利用率，充分發(fā)揮投資效益。本文從實驗目的、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟及數(shù)據(jù)等方面闡述了該實驗項目的設(shè)計過程，并給出了實驗教學案例。

1 實驗目的與原理

通過開設(shè)針對該紅外視頻檢測系統(tǒng)的開放實驗項目，讓學生對該系統(tǒng)的功能和實踐應用有所了解，掌握就地熱再生技術(shù)原理和施工過程及機組設(shè)備，并在教師的引導下，自主完成有關(guān)驗證性、綜合性和探索性的實驗內(nèi)容。

1.1 實驗目的

(1) 了解紅外視頻檢測系統(tǒng)的工作原理，掌握該系統(tǒng)檢測溫度的操作使用方法；

(2) 熟悉瀝青路面就地熱再生技術(shù)施工的機組設(shè)備、施工過程及其在各個工作環(huán)節(jié)中的溫度控制要求；

(3) 掌握紅外圖像分析軟件和統(tǒng)計分析軟件進行溫度離析現(xiàn)象的紅外圖像數(shù)據(jù)分析和離析程度判斷方法。

1.2 紅外視頻檢測系統(tǒng)及測溫原理

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，其輻射能包括各種波長，且其波長分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。其中，波長范圍在0.76μm與1000μm之間為紅外光波，而紅外光波具有很強的溫度效應。從理論上講，只要能收集并探測這些輻射能，就可以通過重新排列來自探測器的信號，形成與景物輻射分布相對應的熱圖像，這正是紅外測溫技術(shù)的關(guān)鍵理論所在。據(jù)此，用于探測目標物體的熱紅外輻射的紅外視頻檢測系統(tǒng)，即通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等一系列手段，將目標物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像[12]。紅外視頻檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外視頻檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

1.3 就地熱再生技術(shù)與溫度檢測

就地熱再生技術(shù)是一種將舊瀝青路面經(jīng)過加熱、軟化、銑刨、收集后，與再生劑、新瀝青材料、新集料等按照一定的比例重新拌和混合料，用于鋪筑路面面層或基層的新型高等級公路養(yǎng)護技術(shù)[11, 13]。其主要施工機組包括路面加熱機組、銑刨機、復拌機、攤鋪機和壓實機組。施工工藝流程為：首先使用專用的路面加熱機組對路面進行加熱升溫，軟化原有的瀝青路面，然后利用銑刨機進行翻松，翻松過程中加入適當比例的再生劑或改性瀝青，再將其收集到復拌機中，同時添加部分新拌瀝青混合料，拌和均勻，通過攤鋪機按路面施工設(shè)計要求進行攤鋪，最后使用壓實機組對攤鋪后的路面進行壓實,如圖2所示。

圖2 施工機組設(shè)備的施工流程圖

對于就地熱再生技術(shù)而言，瀝青混合料的溫度離析問題是路面不均勻性的主要原因之一，直接影響著后期路面使用性能和壽命[14-16]。溫度離析可使不同的溫度區(qū)域的壓實性不同，溫度高的地方壓實性能較好，溫度低的地方較差，達不到路用性能設(shè)計要求。因此，從施工溫度控制到溫度離析控制，對解決路面不均勻的早期損壞、提高路面使用壽命，具有重要的作用和意義。

考慮到施工工藝中溫度檢測的各個重要環(huán)節(jié)，如圖2中所標注的數(shù)字序號1—7。1表示待施工路面的初始溫度檢測點；2表示經(jīng)過加熱機組加熱后，路面的實時溫度檢測點；3表示路面經(jīng)過加熱銑刨機的處理后，瀝青混合料的溫度分布檢測點；4表示料斗中加入了新料，新料的溫度分布檢測點；5表示混合料經(jīng)過復拌機處理后，混合料的溫度分布檢測點；6表示混合料經(jīng)過攤鋪機拌和、整形、初步振實整平后，路面的溫度分布檢測點；7表示各壓實機組對路面壓實過程中的溫度分布檢測點。利用紅外視頻檢測系統(tǒng)，依次對固定作業(yè)路面按照上述各個溫度檢測點的位置要求進行紅外視頻圖像數(shù)據(jù)的拍攝和存儲，完成實驗分析所需數(shù)據(jù)的采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理與分析奠定基礎(chǔ)。

2 實驗步驟

首先打開紅外視頻檢測系統(tǒng)，進入操作界面，按照設(shè)備說明書，在選單欄進行設(shè)備調(diào)試與檢測參數(shù)設(shè)置，包括日期和時間、偏好設(shè)置、物料輻射率、物距、環(huán)境溫度、濕度設(shè)置等；然后，按照實驗原理中所講解的施工過程所要求的溫度檢測點，選取待檢測瀝青路面標段的某個固定空間位置點，依次拍攝并存儲紅外視頻圖像；最后，在后臺應用紅外圖像分析軟件提供的點、區(qū)域等分析功能和統(tǒng)計分析軟件的數(shù)據(jù)處理功能進行溫度數(shù)據(jù)的處理、對比和分析溫度分布情況。

3 實驗結(jié)果及分析

通過紅外視頻檢測系統(tǒng)，可以采集就地熱再生施工機組運行過程中的瀝青路面或集料的溫度分布紅外圖像。某等級公路養(yǎng)護施工樁號K154+800，根據(jù)溫度檢測要求，按照施工流程圖(見圖2)中的溫度檢測點分布的情況，采集紅外視頻圖像與可見光對照圖像，結(jié)果如圖3所示。由于篇幅有限，只列出來某個溫度檢測點的一幅圖像對照組。在學生實驗過程中，要求在每個溫度檢測點位置，至少采集3幅紅外圖像與可見光對照圖像，用于綜合分析，減少誤差。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，很難從紅外圖像中認識溫度離析的現(xiàn)象，需要借助相關(guān)軟件來對紅外圖像數(shù)據(jù)做進一步的分析。以探究經(jīng)過壓實機組壓實完畢后的瀝青路面溫度離析情況為例，利用分析軟件SatIrReport System對紅外圖像進行分析。壓實機組作業(yè)完畢之后，在拍攝的路面區(qū)域中，最高溫度為72.46℃，最低溫度為57.29℃，平均溫度為65.40℃，極差溫度為15.17℃，即壓實后的路面溫度最大差異為15.17℃。參照美國NCHRP441報告中提出的溫度離析標準(見表1)，此種情況為輕度溫度離析。

圖3 各溫度檢測點采集的紅外圖像與可見光對照圖

溫度離析程度無輕度中度重度溫度/℃<1010-1617-25>25

為了進一步探究溫度離析現(xiàn)象，利用分析軟件提供的點工具、區(qū)域工具作進一步分析。應用點分析工具，隨機選取10個溫度檢測點(見圖4中的P1、P2、……、P9、P10)，做統(tǒng)計分析，分別求取溫度均值、極差、標準方差和變異系數(shù)，按照表1中的標準，出現(xiàn)了輕微離析，且根據(jù)變異系數(shù)也可得出溫度存在一定差異。計算結(jié)果見表2。

圖4 點工具、區(qū)域工具分析結(jié)果

測試點P1P2P3P4P5溫度值/℃58.6566.2865.6268.1265.65測試點P6P7P8P9P10溫度值/℃65.5266.5367.9470.5660.20平均值:65.51℃ 極差:11.91標準差:3.577 變異系數(shù):5.46%

應用區(qū)域分析工具，隨機確定了3個不同位置的區(qū)域分析圓(見圖4中的C1、C2、C3)，做直方圖統(tǒng)計分析，如圖5所示。3個區(qū)域的直方圖統(tǒng)計特征相似，且極差分別為11.63、11.76、13.65，見表3。依據(jù)標準可判定為屬于輕度離析。

圖5 C1、C2、C3區(qū)域分析直方圖

測試區(qū)域全區(qū)域C1C2C3最大值/℃72.4669.7870.4772.46最小值/℃57.2958.1558.7158.81平均值/℃65.4064.7464.9965.93溫度極差/℃15.1711.6311.7613.65

4 結(jié)束語

所設(shè)計的實驗項目首次應用于我校工程管理專業(yè)開放教學環(huán)節(jié)中，選擇此課題的學生超過了預期設(shè)定的人數(shù)。在開放實驗項目教學實訓的過程中，實驗教師首先要給參與開放實驗的學生講解開放實驗的目的、內(nèi)容及要求，再由學生根據(jù)實驗內(nèi)容的要求自主完成分析問題、查找資料、設(shè)計方案、過程分析、數(shù)據(jù)論證、結(jié)論總結(jié)等實驗過程的訓練。經(jīng)過為期8個學時的開放實驗訓練，大多數(shù)學生不但掌握了紅外視頻檢測系統(tǒng)的工作原理和實操技能，熟悉了就地熱再生這一典型的瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)的施工機組設(shè)備原理、施工工藝流程及溫度控制要求，而且可以設(shè)計方案實現(xiàn)關(guān)鍵質(zhì)量控制點的溫度分布檢測與溫度離析程度判斷。但是，還存在一些有待完善的問題：

(1) 工程管理專業(yè)的學生對關(guān)鍵的施工技術(shù)能夠很快理解和消化，但是由于實驗設(shè)備以及現(xiàn)場的熱再生機組涉及計算機硬件設(shè)備、大型機械設(shè)備的知識內(nèi)容繁多、交叉明顯，所以在實驗教學之前，需要針對性地講解其他專業(yè)的預備知識，從而影響了開放實驗項目的教學進度；

(2) 在實驗項目實施過程中，考慮到現(xiàn)場施工環(huán)境的復雜性、安全性等問題，未能組織學生到施工現(xiàn)場進行實驗，只是由實驗教師到施工現(xiàn)場預先拍攝和錄制視頻和紅外圖像資料，然后再結(jié)合視頻資料講解施工過程，最后由學生根據(jù)自主設(shè)計的方案，在資料庫里選擇施工作業(yè)段的視頻和紅外圖像資料來完成實驗過程，此實驗過程易使得學生對這一技術(shù)應用的感性認識不足，存在一些理解偏差；

(3) 開放實驗項目的設(shè)計只針對了該紅外視頻檢測系統(tǒng)應用的一個典型工程技術(shù)應用方面——就地熱再生瀝青路面養(yǎng)護施工過程溫度變異，應用面較窄，使得所研究與設(shè)計的實驗項目并未充分發(fā)揮該系統(tǒng)的教學實踐優(yōu)勢，后期需要進一步拓寬其應用領(lǐng)域，使該套教學實驗系統(tǒng)更好地服務(wù)于實驗教學。

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