目前，在碾压施工过程监控中，传统的人工现场记录控制方式存在效率低下、精度低、非实时性等问题，与大规模机械化施工严重不相适应^[1-4]。随着测量新技术的发展，特别是测量机器人技术的推广应用，其自动搜索、辨识、精确照准目标和跟踪目标的特点^[5-8]，为填筑工程碾压施工质量的实时监控，实现实时、高效、高精度的过程控制提供了一种新途径。本文基于测量机器人可直接获取目标三维坐标，具有实时、连续跟踪、自动化、高精度以及使用环境灵活、远程可控等特点，研究并开发出具有自动化、全程实时监控、质量信息可视化等特点的碾压施工质量监控软件。该软件可对填筑工程的碾压机械施工过程进行实时、自动跟踪测量，通过测量结果解算碾压参数，反映碾压机械施工过程是否符合质量控制要求。

1 系统组成与软件设计 1.1 系统的结构与组成

本文研制的测量机器人碾压施工监控系统是基于多台测量机器人实现多目标跟踪测量的监控系统，精准获取目标的实时运行速度、轨迹等信息，其结构与组成方式如图 1所示。

1) 基站集是多个用来架设测量机器人的基站的集合，要求在施工现场附近稳定的制高点处，且对碾压施工区域具有良好的通视条件。

2) 参考点主要用于测站坐标的测定和测量定向，为监控工作提供坐标系统，可直接选取与测站通视的施工控制网点为参考点。

3) 移动远端是施工现场安装有信号反射器的各碾压机械，为测量机器人自动跟踪测量的目标。

4) 计算机运行监控软件，通过串口通信控制测量机器人进行跟踪测量。

1.2 软件设计目标

利用测量机器人锁定目标自动跟踪测量的特点，监控软件通过串口通信方式，发送指令控制测量机器人对碾压施工机械进行跟踪测量，获取用于计算碾压质量参数的三维坐标信息，实时处理与分析，并可视化实现对碾压轨迹、行车速度、碾压遍数等质量参数的实时监控。

1) 自动化监控。软件在照准目标开始测量后，能够自动对目标跟踪测量，获取目标位置坐标数据，并自动对原始观测数据进行处理和分析。数据的采集和传输、数据的计算分析、碾压机械的运行轨迹和运行速度显示、当前仓面碾压遍数分布情况等都是自动化的。

2) 全程实时监控。软件实现对每一个碾压单元施工全过程的实时监控，实现碾压质量参数的实时分析与成果输出，保证施工质量。测量机器人自动照准移动远端的全向棱镜并锁定，每间隔1 s测量一个三维坐标，实现系统监控的连续性。

3) 碾压质量参数的可视化。软件使用图形的方式将碾压施工状况直观、准确地展现出来。施工区域格网化，能快速、准确找到当前施工部位。软件实现了图形放大、缩小等功能，可通过鼠标查看任何点位或区域的碾压遍数数值。

4) 自动报警。软件会对施工过程中碾压机械超速的情况进行预警，以便监理人员实时提醒车辆调整速度。

5) 数据的有效存储和管理。软件在采集到监控数据后，进行有效的存储和管理，为建设后期和运营期提供详细全面的施工质量监控数据，为工程的安全分析和评价提供数据支撑。

6) 施工历史回溯。软件利用存储的数据可进行施工历史回溯。

7) 操作方便，界面友好。软件以简洁、美观实用、友好直观为原则，以“傻瓜”软件为实现目标。

1.3 软件主要功能模块

测量机器人碾压施工监控软件主要包括系统设置、数据采集、数据处理、数据可视化、历史轨迹回放、自动报警等功能模块。

1) 系统设置模块。该模块用于对系统运行的一些全局信息，如仪器连接的端口号、比特率、坐标方格网的范围等，在进入系统时进行参数设置。

2) 数据采集模块。该模块用于自动化跟踪测量移动远端，通过串口通信获取目标运行中连续的位置坐标数据，并将测量数据进行存储。

3) 数据处理模块。该模块用于对监测得到的三维坐标数据进行预处理和分析计算，获取碾压施工中的质量参数信息 (主要包括碾压速度、碾压轨迹、碾压遍数等)。

4) 数据可视化模块。该模块用于将计算得到的碾压质量参数通过直观、简洁、实时、动态的图片进行可视化展示，主要有碾压轨迹图、碾压遍数图、实时速度图和完整速度统计图等，便于现场监理人员直观掌握实时的碾压施工质量状况。

5) 历史轨迹回放模块。该模块用于查询施工碾压机械在过去某段时间内的行驶路线，分析碾压机械的路线规划等。

6) 自动报警模块。该模块用于在施工监控过程中，在速度等超出设计值时进行自动报警，提醒施工人员进行调整。

1.4 软件工作流程

测量机器人碾压施工监控软件主要工作流程如图 2所示。

2 软件实现的关键技术

软件在Windows操作系统下的.NET平台上进行开发，开发语言为C#，软件实现中的关键技术主要有串口通信、碾压质量参数的计算和数据的可视化。

2.1 GeoCOM串口通信

软件基于徕卡测量机器人进行开发，其提供了点对点的串口通信接口GeoCOM。该串口通信由请求和应答组成，当计算机发送一个请求到测量机器人时，测量机器人返回一个应答到计算机，一个请求一个应答即完成一次通信^[9]。GeoCOM串口通信提供了两种实现方式：一种是通过GeoCOM函数包调用协议 (function call protocol)；另一种是通过发送与接收ASCⅡ字符串方式 (ASCⅡ protocol)。

根据开发平台和实际应用情况，本文研制的软件采用第二种即发送和接收ASCⅡ字符串的方式进行串口通信。

2.2 碾压质量参数的计算

碾压施工质量过程控制主要是施工工艺参数 (摊铺厚度、平整度、碾压速度和碾压遍数) 的控制。软件通过获取碾压机械的空间位置坐标，对数据进行处理和分析，计算得到碾压质量参数，主要有碾压轨迹、碾压速度、碾压遍数等。

2.2.1 碾压轨迹

碾压轨迹是碾压机械滚筒轮碾压的轨迹。由于移动远端的信号反射器是安置在驾驶室顶部的，所以需要根据信号反射器和滚筒轮的相对位置关系，从信号反射器的坐标推算得到滚筒轮的轴线中点、左右端点坐标。连续时间段内碾压轨迹示意如图 3所示，图中T₁、T₂、T₃、T₄即为连续4个采样时刻信号反射器的位置，由它们推算得到各时刻滚筒轮轴线中点P₁、P₂、P₃、P₄和轴线的左右端点L₁、R₁、L₂、R₂、L₃、R₃、L₄、R₄。由图 3可知，真实的碾压轨迹是有宽度的，本文研制的软件在具体的碾压轨迹绘图时，为了图形的简单明了和轨迹清晰可辨，一般使用碾压轨迹线来表示，即按照时间次序，不断连接滚筒轮轴线中点的连线来描述，如图 3中连接P₁、P₂、P₃、P₄的多段线。

2.2.2 碾压速度

碾压速度通过距离差和时间差的比值来计算。假设连续两个采样时刻t₁、t₂测量得到的信号反射器的位置坐标分别为T₁(x₁, y₁, h₁)、T₂(x₂, y₂, h₂)，则碾压车的速度v可表示为：

$ v = \frac{{{{\left( {{x_2} - {x_1}} \right)}^2} + {{\left( {{y_2} - {y_1}} \right)}^2} + {{\left( {{h_2} - {h_1}} \right)}^2}}}{{\Delta t}} $

(1)

式中，Δt=t₂-t₁。

在实际的监控中，为保证碾压轨迹的精细，数据采样率设置为1 s，但取Δt=1 s时计算得到的速度会突变的厉害，与实际的速度不相符合，通过尝试和对比分析，本文研制的软件取Δt=5 s。

2.2.3 碾压遍数

首先，本文研制的软件根据施工中碾压轨迹的特点，将真实碾压轨迹的宽度信息保留，按缩放比例绘成透明条带进行叠加；然后，在图像上利用计算机图形学中的Alpha混合算法计算出每一个像素点的碾压遍数；最后, 通过坐标转换推算得到施工区域各部位的碾压遍数。该方法计算简单、速度快，碾压遍数图达到像素级的精细，实现了实时、准确的碾压遍数计算。

2.3 数据可视化

本文研制的软件在.NET平台上进行开发，该平台提供了方便、全面的图形设备接口 (graphics device interface plus)，即GDI+。软件开发时，利用GDI+所提供的众多函数就可以方便地在屏幕、打印机及其他输出设备上输出图形，满足了开发人员的图形输出需求。软件调用GDI+实现碾压质量信息的图形化输出，如图 4、图 5和图 6所示。

3 软件的应用

基于测量机器人的碾压施工监控系统软件已在江坪河水电站大坝填筑碾压施工质量过程监控中进行了实际应用。江坪河水电站大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶设计高程为476 m，坝高219 m，坝顶长414 m，宽10 m，该坝是目前世界已建的第三高混凝土面板堆石坝，坝体总填筑方量为704 m³。工程具有填筑工程量大、施工工期紧、施工强度和难度大等特点，加强对填筑施工质量的过程控制显得尤为重要。

经实地勘察，在坝右岸山体稳定、视野开阔处设置了两个基站，并建设了观测房，使用徕卡测量机器人进行碾压施工监控。系统软件实时碾压遍数界面如图 7所示。本系统投入使用后，系统软件自动对碾压机械进行跟踪测量，采集实时位置三维坐标信息，并对数据快速处理和分析，为监理、施工方提供实时、准确的碾压质量参数信息，为碾压施工过程提供实时的指导，保证施工区域的碾压质量达到设计要求。系统为工程的高效率、高质量建设提供了技术支撑。

4 结束语

基于测量机器人的碾压施工监控系统软件充分考虑碾压施工的特点，发挥测量机器人自动跟踪测量的优势，为碾压施工过程监控服务。实际应用表明，软件具有全自动、实时、高效、准确、操作简便、界面友好等特点，在堆石坝、路基、防护堤、机场等工程的填筑碾压施工质量的过程控制中具有广阔的应用前景。