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  应用科技  2019, Vol. 46 Issue (2): 80-87  DOI: 10.11991/yykj.201809008
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引用本文  

陈景明, 袁海文. 机场冲碾施工压实度信息监管系统设计与实现[J]. 应用科技, 2019, 46(2), 80-87. DOI: 10.11991/yykj.201809008.
CHEN Jingming, YUAN Haiwen. Design and implementation of compaction information supervision system for airport rolling construction[J]. Applied Science and Technology, 2019, 46(2), 80-87. DOI: 10.11991/yykj.201809008.

通信作者

陈景明,E-mail: 18811426573@163.com

作者简介

陈景明,男,硕士研究生;
袁海文,男,教授,博士生导师

文章历史

收稿日期:2018-09-08
网络出版日期:2018-12-06
机场冲碾施工压实度信息监管系统设计与实现
陈景明, 袁海文    
北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191
摘要:冲击施工是机场建设路基处理工程中的基础施工环节。冲碾施工中碾压遍数不足或过多都会导致路基压实不足,影响机场道路使用性能,由此造成机场安全隐患问题。为了实现恶劣施工环境下冲碾压实度的监测,满足施工质量实时高效监管的客观需求,基于软测量思想,设计并开发了冲击碾压施工监管系统,完成冲击加速度信号的采集、存储、显示和分析;通过通用无线分组(GPRS)无线通信技术,实现多台压路机有效冲击信息的服务器端存储与查看。开发的系统环境适应性强,可以实现施工现场的实时监测,试验结果验证了所述监管系统的有效性和实用性。
关键词机场建设    冲击碾压    压实度    全球定位系统    信息综合监管系统    信号调理    远程通讯    拟合    
Design and implementation of compaction information supervision system for airport rolling construction
CHEN Jingming, YUAN Haiwen    
School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
Abstract: Impact construction is the basic construction link in the airport construction roadbed project. Insufficient or excessive rolling in the rolling construction will lead to insufficient roadbed compaction, affecting the performance of airport roads and resulting in airport potential safety hazards. In order to realize the monitoring of compaction under severe construction environment and meet the requirements of real-time and efficient supervision of construction quality, based on the soft measurement, the impact rolling construction supervision system was designed and developed to complete the collection, storage, display and analysis of impact acceleration signals. Using the GPRS wireless communication technology, server-side storage and viewing of effective impact information of multiple road rollers was realized. The developed system is highly adaptable to the environment and realizes real-time monitoring of the construction site. And the test results verify the effectiveness and practicability of the supervision system.
Keywords: airport construction    impact roller compaction    compaction degree    global position system (GPS)    integrated information supervision system    signal conditioning    telecommunication    fitting    

机场场面早期损坏的根本原因归于路基压实度不足,施工质量不达标。目前,机场建设地基处理有强夯、振碾和冲碾3种形式[1],其中冲击碾压由于其连续行驶和瞬间冲击的特殊性,使得在施工监管和项目质量层面存在一定的瓶颈制约,表现在施工参数设定依赖理论分析、施工过程现场难以实时监控、施工项目验收缺少数据支撑等。深入分析冲碾施工特点,研制适应机场建设恶劣施工环境的冲击压实度信息监管系统,可以为探索路基无损压实度监测、保证施工质量提供理论和技术支持。

近年来,国内外对数字化监控系统的研究工作也在不断地开展和深入。美国Trimble公司开发的土石方机械控制产品综合了传感器、GPS技术,实现了压路机碾压遍数、碾压层厚的自动检测;德国Bomag公司将GPS技术、远程通信技术结合,成功研制了全球定位测量系统(measuring system global positioning system, MSGPS),此系统可以精确地检测压路机的位置[24]。在国外智能压实的基础上,国内在振动碾压机上也取得了一定成果,如武汉大学黄声享等[56]研制了基于GPS技术的混凝土面板堆石坝施工质量监管系统,长安大学在道路施工过程动态实时测量方面做了很多研究,利用GPS−RTK技术实现了压路机行进速度、碾压轨迹的连续监测,并建立了路基压实度预测数学模型,有效地保证了道路建设质量[7]。但是,无论是从施工机械还是压实过程角度,上述系统都与机场建设冲击施工有非常大的差异。

本文基于冲击施工的特性和软测量技术思想,充分考虑施工现场强震动、无有线电源等复杂环境,设计研制了机场建设冲击碾压施工现场监测装置;并基于GPRS无线通信技术,开发了冲击加速度信息的远程监管平台。整个监管系统实现了冲击加速度、碾压遍数的实时采集、存储与显示,具备完善的加速度数据、碾压遍数信息可视化显示功能,将冲击加速度与碾压遍数进行关联,研究了不同碾压遍数下冲击加速度的变化规律,用于施工压实度的检测。

1 系统总体方案设计

为了实现对于机场施工状况的监控,考虑到传统压实度测量方法的弊端[89],如具有破坏性、试验要求苛刻等,拟采取软测量的思想路线方案。通过对冲击加速度信息的直接检测,研究加速度−碾压遍数关系,实现冲击施工压实度检测与分析。

机场建设信息综合监管系统总体结构如图1所示。

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图 1 系统总体结构

系统总体结构主要由2层结构组成,分别为底层的采集端及远程信息管理平台。位于各个压路机上的采集端采集冲击加速度信号与GPS位置信息,经过调理、转换后,传送到嵌入式终端。嵌入式终端存储所有的数据,并将有效冲击加速度数据打包,通过GPRS网络发送至远程的服务器。远程综合软件平台包含服务器应用软件与Web端用户软件。远程服务器作为整个监测系统的数据平台,通过对端口监听,接收解析采集端GPRS传输的数据包,并按字段存储至数据库,用于远程压实度信息管理。

2 采集端设计 2.1 硬件设计

机场建设冲击碾压施工综合监管系统的硬件主要由控制单元、存储单元、通信模块、电源模块和传感器模块组成。其中控制单元是硬件结构的核心,它负责采集端的控制和数据采集,并对数据进行处理、分析和保存。图2所示为整个硬件结构示意图。

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图 2 采集端硬件结构
2.1.1 电源电路设计

压路机上电瓶可供给电压为+12 V,为适应系统采集端所需的+24、+5、+12、+2.5 V这4种供电电压,对系统进行电源调理电路设计。其中,+24 V电压用以给冲击加速度传感器供电,选择DCDC模块XZR05/12D12;+12 V电压用于给调理电路的运放以及ARM板、GPRS单元供电;+5 V电压用以给GPS模块供电,选择降压型电源管理芯片LM2596;+2.5 V电压为信号调理电路参考电压。同时利用电源滤波器电路对输入电压进行滤波,防止由于电瓶电压不平稳而造成元器件损坏。电路如图3所示。通过一对共模扼流圈L产生的磁场有效的对干扰信号进行衰减。C1C2是差模电容,大小为0.22 μF,耐压值为100 V,可以承受较高的瞬态峰值电压干扰。

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图 3 电源滤波电路示意
2.1.2 传感器接口调理电路设计

加速度传感器输出信号为−5~+5 V,但所选嵌入式终端SAMSUNG S5PV210 ADC输入信号为0~5 V,所以需要处理传感器的输出信号。如图4所示为本系统选用的冲击加速传感器与外接信号调理器的功能模块原理图,在图中传感器的模块所应用的是稳定性较好的恒流源模块,电阻R=20 kΩ。为了将信号电压调理至可测范围内,需要加上直流偏置。

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图 4 冲击加速度传感器与外接信号调理器原理
2.1.3 存储单元电路设计

系统需要连续记录数据,选用便携功效低的SD卡作为存储介质[10]。嵌入式终端提供SD/SDIO MMC卡主机模块(SDIO),由SDIO适配器模块和AHB总线接口2部分组成,其中SDIO适配器模块实现了所有MMC/SD卡的相关功能;AHB总线接口则是操作SDIO适配器模块中的寄存器,并产生DMA请求信号和中断信号。

2.1.4 GPRS通讯模块接口电路设计

采集端的远距离通讯是由通过全球移动通信系统(GSM网络)的GPRS业务实现数据发送到远程服务器的功能,具有高速传输、实时在线的特点。与嵌入式终端之间通过RS485协议通讯[11]。MAX485芯片与芯片的USART3连接,在AB端间的匹配电阻用于消除阻抗不匹配产生信号反射问题[12]。同时设计GPRS模块电源控制部分,通过三极管8050作为驱动器与电磁继电器构成GPRS的12 V电源控制,原理图如图5所示。

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图 5 GPRS模块接口电路
2.2 采集端压实度信息综合监测软件

采集端压实度信息综合监测软件的核心功能是完成与硬件设备的交互,实现冲击加速度与冲击位置的采集、显示和存储,为冲击施工压实度的检测与分析提供数据支持。软件基于SAMSUNG S5PV210主控芯片、Windows CE操作系统,采用C#语言实现,操作界面简洁、实用性强。以系统总体方案设计为基础,得到采集端压实度信息监测软件整体流程如图6

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图 6 采集端压实度信息监测软件流程

综上,采集端软件一方面负责采集存储显示加速度和GPS数据;另一方面将采集的数据提取特征值,经GPRS模块发送到远程服务器。根据经验,加速度数据采样频率设定为1 kHz,GPS数据采样频率设定为1 Hz,并进一步以模块化的方式完成数据存储和远程传输的设计与实现。

2.2.1 SD卡读写模块

SD卡读写程序设计包括2部分,分别为编写SDIO接口函数和移植FatFs系统读写文件。编写SDIO接口函数包括内容初始化SD卡和读写SD卡扇区,并根据芯片SDIO接口标准来调用函数。系统移植主要包括通过修改ff.h进行配置,如字写入方法以及底层函数的修改。SD初始化流程如图7所示。

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图 7 SD初始化过程
2.2.2 GPRS模块程序设计

GPRS模块采用套接字的方式与服务器进行通讯。上电后,GPRS需要经过一定的时间才能连接至服务器。如果在连接成功之前向外发送数据,就可能造成通信阻塞。所以设置连接成功的标志,服务器接收到模块的连接请求并成功连接后,将成功连接的数据包发送至模块,模块接收到该包后,置连接成功标识位为1。

GPRS模块通过MAX485与控制芯片的USART3连接,在数据发送中采用数据透传模式。系统主要通过AT指令与串口读写实现,通过AT指令对模块的串口、目标服务器地址等参数进行设置,建立TCP连接,每4 min发送一次数据。为确保通讯的传输质量,系统采用循环冗余校验法(cyclic redundancy check, CRC)来检测传输的差错[13]

3 远程端综合信息管理平台开发

远程端综合信息管理平台主要包含服务器端应用软件和Web端信息管理软件。服务器应用软件主要功能包含接收采集端数据、解析数据包、存储解析后的加速度与GPS数据。如图8所示,服务器通过IP地址和端口号建立与网络的数据传输通道,然后接收数据并对数据进行校验。成功校验后,通过数据库中的数据表来保存管理数据。通过访问接口,Web用户端可以访问数据库中的数据,并能查询数据和下载数据,以及显示图形。

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图 8 远程端综合信息管理平台框架
3.1 通信模块设计

远程端综合信息管理平台主要通过Socket通信机制获取远程终端数据以及进行终端控制,并采用多线程技术实现同时响应多个采集端的连接请求。具体通信流程如图9所示。首先服务器方启动,打开一个绑定IP和端口号的Socket,进入监听状态,等待客户请求到达端口。接收到服务请求后,即进行处理,发送应答信号,然后继续等待下一个请求。客户端的工作过程是打开一个Socket,连接到服务器指定的IP地址和端口,并向其发送服务请求,然后等待并接收应答,如果还有其他请求则继续提出,直至请求结束后关闭通信通道。

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图 9 Socket通信流程

图10所示的为程序的多线程设计流程,服务器建立起Socket套接字,服务器会对端口连接情况进行侦听,在侦听到客户端连接请求时,将会建立出一个新的终端连接线程。在终端连接线程中将远程终端Socket套接字存储到字典当中,用于后续的查找使用。进而,客户端连接确立就会新建一个数据交互线程Communication,同时将对应的套接字作为参数传递给线程,其主要是在客户端交互数据和处理数据过程中被应用。

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图 10 服务器多线程流程
3.2 服务器端设计 3.2.1 数据库操作模块设计

本系统采用ActiveX数据对象(ActiveX data objects, ADO)技术进行数据库操作。ADO是基于微软提倡的COM体系结构建立的,包含自动化的接口,如C++等支持COM的开发语言都可以通过接口来访问ADO[1316]。当服务器端接收到来自GPRS模块的数据后,将数据拆包,并分别计算冲击加速度、经纬度等值,而后对应添加至数据库的属性中。选用SQL SERVER作为数据库管理系统。

3.2.2 界面设计

服务器端应用软件主要实现加速度数据与GPS数据的接收、解析、展示。服务器端软件界面如图11所示,主要可分为4个部分:第1部分的菜单栏包含软件的设置、说明和帮助,同时在左侧展示服务器的运行状态信息;第2部分为采集端状态,显示目前节点在线情况,同时可以选择侦听的对象;第3部分为数据接收框,显示数据包内容;第4部分为数据展示区,用于展示选定的传感器在目标时间区域内的冲击加速度变化情况。

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图 11 服务器应用设置界面
3.3 Web端设计

Web用户端软件的主要功能是从数据库检索数据,并将其以不同形式显示给用户。在用户更改数据之后,系统再将更新的内容存储到数据库中。

3.3.1 软件体系结构设计

Web用户端软件基于Asp.net的模型−视图−控制器架构(model view controller, MVC)实现。MVC架构的核心是模型,系统的业务规则和核心流程被模型封装了,模型主要负责商业数据的更新、访问和表示,同时用于执行商业逻辑操作。其次视图主要负责将模型的内容显示出来。控制器用来定义我们所设计的应用程序的行为。如图12展示了MVC设计模式结合ASP.NET应用于B/S结构系统的设计实现。

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图 12 MVC应用模型
3.3.2 界面设计

Web用户端软件的主要功能是从数据库检索数据,并将其以不同形式显示给用户,包括当前与历史查询,可显示出各个施工区域的工作数据供监管人员浏览,以实现科学的监管施工;同时实现数据的更改操作以及数据下载。软件界面如图13所示。

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图 13 Web用户端软件界面
4 实验及结果分析

本系统在2017年8月9日于成都天府国际机场进行现场实验。系统数据保存分为加速度数据保存与GPS数据存储,两者通过时间建立关联。首先对加速度数据进行处理。由于采集系统所采集的数据为嵌入式终端内部二进制数据,其AD采集为12 bit。在得到AD采集数据后,需要先进行数据转换,转换为加速度值。转换公式为:

$a{\rm{ = }}\frac{{d - 2 \; 048}}{{4 \; 096}} \times 100$

式中:d为AD采集获取到的二进制数据,转换为10进制的数据范围是0~4 096;a为转换后的加速度值。某位置的原始数据展示如图14所示。

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图 14 原始信号波形

首先将加速度数据与GPS数据进行匹配关联,进行加速度的极大值提取与均值计算,以此作为特征值,确定某个位置的加速度变化趋势。具体方法为设置位置范围裕度,确定一定位置范围。由于GPS为1 s采集一次数据,因此本文寻找到该范围内1 s的所有加速度极大值的平均值,然后利用最小二乘法对不同遍数的数据进行拟合[17]。选取了15个位置进行拟合,如图15为其中4个位置的原始数据和加速度变化拟合曲线。

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图 15 加速度变化曲线

根据图15,可以分析得到加速度在不同位置的变化规律。根据图示可以得出,冲碾压路机施工过程中加速度随碾压遍数变化的规律与压实度随碾压遍数变化的规律极为相似,均表现出“先缓慢增加再迅速增大后趋于平缓”,这与碾压过程中压实度的变化规律很相似。然后分别对本文所选取的15个位置进行分析,对应获取了15个拟合关系表达式。分别计算15处位置对应的平均绝对误差 (mean absolute error, MAE),结果如表1所示。

表 1 不同位置平均绝对误差计算结果

可见函数关系表达式能够精确地估计当前碾压遍数下的加速度。再对这些表达式参数做相关性分析,结果如图16所示,由此可见这15个位置的拟合表达式之间存在极大的相似性。

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图 16 相关性因数频数分布直方图

相关性较高,表明他们之间有一定的共性成分,可以获取一个能够全面代表该工况下的加速度−碾压遍数函数表达式。由于相关性较强,把每组参数作为正态分布的一个采样,把正态分布的期望作为特征值,经数值计算得到:

$\begin{array}{l} y = - 0.007 \; 2{x^4} + 0.175 \; 8{x^3} - {\rm{1}}{\rm{.380 \; 5}}{x^2} + \\ \;\;\;\;\;\;5.{\rm{434 \; 2}}x + 1.034 \; 1 \end{array}$

式中:x为冲击碾压遍数;y为可以反映施工压实度的冲击加速度峰值。

再对冲击加速度和压实度进行拟合。在飞机场施工现场的实验场地上进行冲击碾压,每进行5遍碾压,都选择场地上的几个位置进行压实度测量,测量的方法是传统的灌水法。根据取样的位置选择12组数据进行冲击加速度和压实度的关系拟合,部分数据如表2所示。

表 2 冲击加速度和压实度部分对应数据

再利用最小二乘法对数据进行线性拟合,计算得到:

$ z = 0.527 \; 1y + 81.265 \; 5 $

式中:z为压实度;y为冲击加速度。求出了拟合的均方误差(mean squared error, MSE)为0.21,可见冲击加速度与压实度之间有较好的线性关系,冲击加速度可以用来表征压实度。

在同一工况下,根据不同场地要求的压实度计算出对应的冲击加速度,即可作为碾压合格的标准。

5 结论

文中设计并研制了机场建设冲碾施工压实度信息监管系统,适应冲击施工复杂环境,实现了冲击加速度信息的实时监测与远程管理。分析了冲击加速度与碾压遍数的变化关系,满足了冲击施工压实度检测与分析的客观需求,且具备如下特点:1)模块化的硬件设计,保证了系统具有良好的可扩展性,可以根据需求扩展硬件资源;2)能够很好地应对机场道路施工恶劣的环境条件,运行稳定可靠;3)提供了一种间接测量路基压实度的方法,无破坏性,应用广泛;4)提供了采集信息的远程传输及管理。远程监控系统优化了对于机场道路施工情况的监控,为机场建设的改进提供数据基础,具有较高的实用价值和社会经济效益。

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