李 峰

（山西路橋東二環(huán)高速公路有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

路面數(shù)字化施工改變了傳統(tǒng)的施工管理模式。主要體現(xiàn)在：從時間和空間角度上滿足了監(jiān)管者對項目路面現(xiàn)場施工的管理需求；從傳統(tǒng)抽檢點模式改為數(shù)字化監(jiān)控面模式對施工質(zhì)量的控制需求；從經(jīng)驗化要求改為程序化生產(chǎn)改變了對人的技能掌握要求；從機械、原材料的控制滿足了施工對成本的控制；從項目數(shù)字化改變了對問題分析處理方法；從路面全方位生命周期記錄為BIM預(yù)留數(shù)據(jù)接口。而傳統(tǒng)的路面施工，受環(huán)境因素影響太大，因此在施工過程中一定會或多或少地對質(zhì)量造成一定的影響，故而會導(dǎo)致一定的返工可能，增加額外的施工成本。并且傳統(tǒng)路面施工在正式使用后，一旦出現(xiàn)一些問題比如裂縫、坑槽等，要找到原因和從本質(zhì)解決問題都非常困難，這樣就造成了公路的使用壽命不高，甚至可能導(dǎo)致某些嚴重事故。但是目前國內(nèi)大部分的公路建設(shè)采用的還是傳統(tǒng)的建設(shè)方式，而這種建設(shè)方式的技術(shù)局限性很大，對過程質(zhì)量沒有任何監(jiān)控能力；采用人工管理的方式，效率太低、成本太高、施工周期太長、控制手段太少，攤鋪碾壓過程基本都是經(jīng)驗化施工。

從21 世紀開始，國內(nèi)也開始陸續(xù)研究公路路面的數(shù)字化施工手段，希望借助一些數(shù)字化設(shè)備實現(xiàn)全過程的可視化管控，并且實時地進行質(zhì)量反饋，便于及時做質(zhì)量糾正。至今為止，國內(nèi)也有了一套較為成熟，有科學(xué)依據(jù)的路面數(shù)字化施工管控程序。數(shù)字化施工是目前在國內(nèi)施工領(lǐng)域的一項新興的技術(shù)應(yīng)用。所謂數(shù)字化施工，主要依靠北斗高精度定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場施工動態(tài)模擬化技術(shù)等手段將即時信息加以整合處理，實現(xiàn)項目現(xiàn)場管理做到統(tǒng)一化、協(xié)調(diào)化、標準化。

1 工程概括

太原市東二環(huán)高速公路是山西省規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)中重要組成部分。該項目路線為南北走向，項目起點太原市陽曲縣凌井店鄉(xiāng)南莊村北，以樞紐立交形式與平陽高速（京昆）相接，并與太原北二環(huán)高速公路相連，終點以樞紐立交形式與太舊高速公路相接，并與龍城高速公路相連，途徑陽曲、壽陽、榆次等地區(qū)縣，涉及2 個地市27 個自然村，路線全長共33.199 km。

該項目全線采用六車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度100 km/h。主要工程共設(shè)置3 處互通式立體交叉，分別為凌井店、龍白兩處樞紐式互通立交，南莊互通一處一般互通式立交，服務(wù)區(qū)、收費管理站、管理分中心、養(yǎng)護工區(qū)各1 處；特大、大中橋共10 365 m/41 座，其中特大橋1 088 m/1 座。

該項目建成后，作為G55 高速公路一部分，將會替代已運營的太原東環(huán)高速功能，很大幅度地緩解東環(huán)高速交通壓力，對完善山西省內(nèi)以及我國國家高速公路網(wǎng)有很重要的意義。

為了從源頭上控制路面施工質(zhì)量，在確保施工進度的情況下追求優(yōu)良的施工品質(zhì)，故在太原東二環(huán)高速公路上結(jié)合了數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，由質(zhì)量過程管控替代原本的事后檢測。并且降低人工成本，提高施工效率，保證施工安全，另外還附加持續(xù)化監(jiān)測，動態(tài)預(yù)警和實時糾偏能力。這套系統(tǒng)在實際項目上的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的路面施工規(guī)則，開創(chuàng)了智能化施工的時代，在打造品質(zhì)工程和優(yōu)良工程中起到了關(guān)鍵性的推動作用。

2 路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的介紹

路面數(shù)字化施工質(zhì)量智能監(jiān)測系統(tǒng)利用智能遠程施工數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)、現(xiàn)場施工過程追溯技術(shù)幫助提高路面施工質(zhì)量，通過提供遠程管理和施工過程回溯手段提升施工質(zhì)量、把控施工質(zhì)量。智能監(jiān)測系統(tǒng)有兩個核心特點，分別是“遠程施工質(zhì)量監(jiān)控”和“現(xiàn)場施工實時追溯”，通過這兩個核心點管理施工作業(yè)的施工進度、施工質(zhì)量、施工過程，以及為達成施工目標提供有效幫助。該系統(tǒng)實現(xiàn)對路面施工混合料（瀝青、水穩(wěn)）生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運料車運輸（軌跡、運料次數(shù)、單次運料時間）、攤鋪數(shù)據(jù)（溫度、速度、軌跡）、壓實（速度、變數(shù)、厚度）的大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化的采集、傳輸、交互分析、追溯，同時完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)持久化的儲存及施工現(xiàn)場可視化的展現(xiàn)，最終可以極大地幫助并強化監(jiān)管層對施工質(zhì)量和進度的掌控。

2.1 系統(tǒng)在東二環(huán)項目應(yīng)用效果

2.1.1 提高施工效率

通過對路面施工各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量和施工進度信息的實時采集、監(jiān)測，優(yōu)化各個施工區(qū)域調(diào)度效率，確保路面材料從生產(chǎn)到施工全過程各指標值的合格率，全面提升施工全周期的管理效率、施工效率。

2.1.2 保障施工進度

利用系統(tǒng)在施工期間不間斷提供的對作業(yè)前場和后場業(yè)務(wù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析、偏差自動預(yù)警功能，確保施工各級監(jiān)管人員在任何時間、任何地點都能夠詳細了解并掌握路面工程施工過程是否存在各項指標值異常、各工藝層施工進度的動態(tài)監(jiān)控等關(guān)鍵信息。

2.1.3 實現(xiàn)過程回溯

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定路面施工工藝及各施工工藝所對應(yīng)的施工業(yè)務(wù)管理、技術(shù)管理要求，全過程自動采集作業(yè)現(xiàn)場所有生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并同步到云存儲中心進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)篩選、清洗的二次加工。確保在路面施工環(huán)節(jié)的各個階段均可對歷史作業(yè)過程、業(yè)務(wù)參數(shù)、施工工藝、預(yù)報預(yù)警進行回溯和重放，為監(jiān)管層的復(fù)盤工作提供可視化、強有力的決策依據(jù)。

2.1.4 完善施工大數(shù)據(jù)

使用光電全息顯微鏡對薄膜的變形進行測量，結(jié)果如圖7所示。圖7為未施加壓力時，薄膜的干涉圖形和3D圖形。我們可以看出在沒有施加壓力的情況下，壓力傳感器的薄膜仍然存在約為0.25μm的微小變形，這是由于加工后存在殘余應(yīng)力所導(dǎo)致。壓力傳感器在壓強為15kPa下的干涉圖形及3D圖形如圖8所示。在施加壓力不同的情況下，對薄膜最大變形量進行測量，能夠得知薄膜最大變形量與所施加壓強的變化關(guān)系，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著對薄膜所施加的壓力的增大 （實際上通過控制應(yīng)變片變形薄膜表面上作用的氣體壓強大小來控制壓力），薄膜的變形加大。

通過路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的上線應(yīng)用，助力項目建設(shè)單位對路面施工作業(yè)全過程管理規(guī)范化、標準化、信息化、精細化。通過系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)云存儲應(yīng)用，確保項目路面各施工工藝相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長久留存，推動并完善集團公司對施工項目建設(shè)期大數(shù)據(jù)積累，通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析技術(shù)最終提升對施工質(zhì)量和成本的有效控制。

2.2 系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)（見圖1）

圖1 系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 瀝青混合料拌和站生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

瀝青混合料站監(jiān)測管理系統(tǒng)監(jiān)測管理以下數(shù)據(jù)指標進行分析反饋[1]：

a）瀝青混合料拌和站熱料倉料位監(jiān)控。

b）瀝青混合料全生產(chǎn)過程配合比等參數(shù)在線動態(tài)監(jiān)控、分析（見表1）。

c）瀝青混合料瀝青含量（油石比）指標值監(jiān)控、分析。

d）瀝青混合料拌和站出料口料溫度達標監(jiān)控。

e）瀝青單純和料級配曲線走向繪制及分析（見s圖2）。

表1 瀝青混合料全生產(chǎn)過程參數(shù)在線動態(tài)監(jiān)控

圖2 瀝青混和料級配比、油石比、溫度實時在線動態(tài)監(jiān)控

2.4 混合料運輸過程質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

首先通過在混合料拌和站、混合料運輸車輛、施工作業(yè)現(xiàn)場攤鋪機終端上安裝部署設(shè)備信息識別系統(tǒng)完成對進場機械的甄別（見圖3）；其次通過高精度北斗定位及跟蹤系統(tǒng)對終端機構(gòu)設(shè)備運作及運行狀態(tài)進行全方面定位及跟蹤（見圖4）。通過這兩個監(jiān)測環(huán)節(jié)，確保每一車混合料從裝車、運輸、攤鋪全過程混合料溫度、運輸軌跡、過程用時、現(xiàn)場作業(yè)施工實現(xiàn)全方位監(jiān)控、監(jiān)測，同時也為后期的施工作業(yè)薄弱區(qū)及薄弱環(huán)節(jié)的工程施工質(zhì)量問題追溯提供了真實的數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

通過混合料運輸過程質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)提供的電子圍欄控制功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混合料運輸車輛在混合料運輸過程中出現(xiàn)超出已設(shè)定好的電子圍欄范圍或長時間停車時，系統(tǒng)會以手機短信方式自動進行違規(guī)狀態(tài)預(yù)警及報警。

圖3 混合料拌和、運輸、攤鋪過程識別設(shè)備

圖4 施工車輛定位及動態(tài)跟蹤

2.5 東二環(huán)路面攤鋪碾壓質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)

東二環(huán)路面施工攤鋪碾壓質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)作為項目路面水穩(wěn)層的攤鋪碾壓、瀝青層的攤鋪碾壓施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測控制的重要組成部分。通過信息化軟件系統(tǒng)與智能化物聯(lián)網(wǎng)硬件相結(jié)合（見圖5），實現(xiàn)后臺施工工藝關(guān)鍵參數(shù)的集中管理與調(diào)用，完成作業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實時在線采集處理，過程中做到了后臺參數(shù)與前端數(shù)據(jù)同步對比分析，第一時間為作業(yè)監(jiān)管人員推送質(zhì)量評價信息。

圖5 施工設(shè)備智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)將項目路面作業(yè)施工現(xiàn)場為一個有機整體進行全過程、全方位的監(jiān)管。首先，在施工過程中針對水穩(wěn)、瀝青層攤鋪、壓實作業(yè)進行相應(yīng)的工藝信息設(shè)置；其次，針對攤鋪機和壓路機操作手可通過車載工業(yè)平板所展示的實時施工作業(yè)模擬畫面提供現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量把控的可視化施工輔助（見圖6、圖7）；再者，攤鋪、碾壓系統(tǒng)平臺同步實時記錄存儲并展示現(xiàn)場各工藝施工作業(yè)模擬畫面及對應(yīng)的包括攤鋪溫度、速度、位置及壓實遍數(shù)、溫度、速度、軌跡等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總（見圖8、圖9、圖10），并為質(zhì)量回溯提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 施工作業(yè)機械設(shè)備工作信息可視化動態(tài)監(jiān)控

圖7 路面施工作業(yè)過程可視化動態(tài)監(jiān)控

圖8 路面施工生產(chǎn)進度統(tǒng)計

圖9 路面施工工藝達標率統(tǒng)計

圖10 施工機械設(shè)備工作量統(tǒng)計

3 應(yīng)用效果

路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)在東二環(huán)高速公路項目上的應(yīng)用，本質(zhì)是為了提高施工質(zhì)量、確保施工安全、減少人工成本、降低機械損耗，過程管控代替事后檢測，全面提高了施工作業(yè)數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。通過這次應(yīng)用，我們也獲得了一些成效。

3.1 提高了施工質(zhì)量

通過系統(tǒng)中實時作業(yè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，確保了路面施工過程符合管理規(guī)范要求。系統(tǒng)在動態(tài)監(jiān)控過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)施工過程作業(yè)實時數(shù)據(jù)與規(guī)范參數(shù)出現(xiàn)偏差時，會自動通過現(xiàn)場報警、平臺預(yù)警、短信息提醒等手段通知相關(guān)人員，對施工工藝、方法及時糾偏，使施工過程的實時質(zhì)量監(jiān)控成為現(xiàn)實。

3.2 提升了施工效率

在東二環(huán)高速項目路面施工的各個環(huán)節(jié)，完成了施工質(zhì)量、施工進度數(shù)據(jù)信息的實時采集、監(jiān)測，過程中優(yōu)化了工料之間的調(diào)度，減少資源浪費。通過系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)的收集，利用智能薄弱區(qū)分析，做到了有針對性檢測，避免返工與識判，從而提升了工程項目整體管理效率和施工效率。

3.3 提供施工質(zhì)量回溯手段

系統(tǒng)的上線應(yīng)用過程中采集了施工過程所有數(shù)據(jù)，并將其存儲于集團公司指定的云數(shù)據(jù)中心，過程中或后期可隨時利用原始數(shù)據(jù)對歷史施工過程、作業(yè)參數(shù)、施工工藝等資料進行回溯與重放。

3.4 降低施工成本

系統(tǒng)的上線應(yīng)用，為企業(yè)基于精確的施工項目現(xiàn)場各作業(yè)環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)用做到了充分的儲備，同時通過系統(tǒng)的生產(chǎn)進度分析、攤鋪壓實分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、車輛數(shù)據(jù)等分析模塊，協(xié)助完成施工成本的核算，為業(yè)主單位優(yōu)化建設(shè)成本提供了決策支持。

3.5 為項目路面全生命周期運維提供數(shù)據(jù)支持

通過系統(tǒng)上線應(yīng)用，完成對路面施工過程中所采集到的所有施工作業(yè)數(shù)據(jù)進行長久保存，為項目后期養(yǎng)護運營過程中提供準確、全面的原始施工數(shù)據(jù)。

4 主要研究結(jié)論

a）路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的引入，使整個路面施工質(zhì)量和效率比傳統(tǒng)施工提高40%以上。主要體現(xiàn)在：拌和站生產(chǎn)監(jiān)管（后場）使材料生產(chǎn)合格率達到95%以上；材料運輸監(jiān)管（銜接）提高了材料生產(chǎn)后場和施工前場之間材料供應(yīng)效率協(xié)調(diào)問題，同時也解決了合格混合料和施工前場不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的混合料失溫問題；攤鋪壓實動態(tài)監(jiān)管使操作手在施工過程中科學(xué)地參考平臺實時數(shù)據(jù)，保證了攤鋪狀態(tài)下的機械作業(yè)速度和混合料攤鋪的溫度，同時監(jiān)管壓路機在碾壓時的速度、溫度、變數(shù)，通過硬性數(shù)據(jù)監(jiān)管路面攤鋪碾壓的實時質(zhì)量。

b）路面數(shù)字化施工智能監(jiān)測系統(tǒng)的上線應(yīng)用，針對傳統(tǒng)的路面施工管理及人員管理存在的盲點做了有效補充，并且對后期可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題有了更明顯的責(zé)任追究機制，有助于提高路面施工過程的質(zhì)量控制管理水平。