CN111582681B - 一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，包括测距定位装置、集成控制器、机载分析终端、数据库及应用服务器和客户端；测距定位装置由竖直导轨、滑块、GNSS天线、超声波测距仪组成；测距定位装置安装在摊铺机平衡梁的前后两端或直接固定在摊铺机的前后部位；集成控制器用于实时获取超声波测距仪采集的垂直距离数据d1、d2，并显示在集成控制器的屏幕上，并通过网线传输到机载分析终端；机载分析终端采用摊铺机电源供电，包括内置GNSS接收机、计算模块和数据无线传输模块：数据库及应用服务器部署在远程，用于接收、存储从机载分析终端发送过来数据；并根据客户端输入的摊铺厚度控制标准，判断当前所测量的摊铺厚度值是否符合控制标准。

Description

一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置
技术领域
本发明属于公路/水利工程施工质量控制领域，具体涉及一种针对公路路面工程/水工心墙沥青混合料施工过程中摊铺厚度的实时监测装置。
背景技术
沥青混合料是由矿料与沥青拌和而成的混合物，因其具有良好的力学性能，广泛应用于公路路面、坝体心墙等工程结构。目前，我国在建或已建成的高速公路路面90％以上采用了沥青混凝土路面；近年来，沥青混凝土心墙坝已成为土石坝中颇具竞争力的坝型。沥青混合料的施工质量控制直接关乎工程质量及工程效能的实现，其中，摊铺厚度是涉及结构安全和使用功能的重要实测项目，是保证工程质量的关键性指标。
现行的《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1-2017)规定，应按规定频率，采用挖验或钻取芯样测定厚度，并按代表值和单个合格值的允许偏差进行评定[1]。这种方法存在随机取样的缺陷，所测结果不能代表整个路面的厚度变化，具有局限性，容易漏检质量不达标的位置，更重要的是对结构面层造成了破坏，对于不符合要求的摊铺位置无法进行及时的反馈与补救。总体上，传统方法受人为因素和偶然性的影响较大、效率低，无法客观、准确、全面地获取路面摊铺厚度的质量信息。此外，路面雷达、超声波反射法、电磁法等[2-6]也都应用到了路面厚度的检测当中。但是这些方法与钻孔取样法一样，均属于事后检测，不能在施工过程中实现摊铺厚度的实时监控，难以及时反馈摊铺质量缺陷。沥青心墙松铺厚度一般采用立模板的方法控制，但在实际机械摊铺过程中，摊铺厚度受出料口出料量及行车速度的影响较大，摊铺厚度的控制仍难以把握。
现有的插尺、拉钢丝线、平衡梁等方法虽说可以一定程度上控制摊铺厚度，但存在问题仍不能忽视。首先，以上方法无法实现厚度的精准测量与对应位置的精确匹配。其次，对于传统平衡梁法，采用梁两端测距传感器所测距离差，实际上不是同一位置的高度差，导致摊铺厚度存在一定误差。此外，上述方法不能将摊铺厚度实时反馈到业主和监理[7]，使得参建各方无法实现协同管理。
在相关专利方面，申请号为201820327594.0的中国实用新型专利[8]提出了一种沥青路面摊铺厚度测定尺，该装置构造复杂，使用时不仅会对沥青路面造成损坏，还无法得到摊铺全域的路面厚度信息；申请号为201721373877.0的中国实用新型专利[9]提出了一种沥青摊铺机摊铺厚度实时监测装置的探针连接结构，虽然可以实时测量摊铺厚度，但在实际操作中不能确定探针是否完全插入结构层，而且无法同步记录对应的位置信息；申请号为201620900096.1的中国实用新型专利[10]设计了沥青路面摊铺厚度测量尺，该装置需要人工测量，无法实时反馈摊铺厚度信息。而在课题组前期申请的专利中，申请号为201510100304.X的发明专利[11]设计了手持式公路路面沥青摊铺测厚测温装置，但同样需要人工操作，无法实现摊铺厚度自动化测量，且测点离散，难以反映全域的摊铺质量。申请号为201410057420.3的发明专利[12]提出了高等级公路路面摊铺厚度的实时监控方法及监控系统，虽然可以实现摊铺厚度实时、自动测量，但是自动跟踪全站仪的测量范围有限，可能不适用于路段范围较长的工作面。申请号为201410810865.4的发明专利[13]提出了公路路面摊铺厚度的插入式自动测量装置，在每次测量前要根据下垫面材料性质重新设定压力限值，可能会使探针无法测出准确厚度。申请号为201510058336.8和201610901486.5的发明专利[14-15]分别提出了路面摊铺厚度和熨平振动频率的实时监测装置和平衡梁式的路面摊铺厚度实时监测装置，两者均使用空间几何关系确定关键参数，理论上可以达到高精度、自动化测量，但接触式滚轮很有可能在摊铺结构层上留下滚动痕迹，影响摊铺质量。申请号为201510100523.8的发明专利[16]提供了沥青路面摊铺厚度和施工温度实时监控方法，详述了实时监控数据的处理与传输过程，值得借鉴与改进。
参考文献：
[1]孟书涛.JTG F80/1-2017，公路工程质量检验评定标准[S].北京：交通部公路科学研究院，2017.
[2]王子彬.路面雷达在沥青路面厚度检测中的应用[J].公路与汽运，2014，2：122-125.
[3]查庆，朱梅林，王伟.地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用[J].北方交通，2015，1：67-69.
[4]林维正，袁益镛，孙长俊.水泥混凝土路面厚度超声检测仪及其应用[J].同济大学学报，1996，24(1)：97-101.
[5]王正君，刘美爽，李胜利.超声在水泥混凝土路面检测中的研究进展[J].森林工程，2008，24(1)：62-64.
[6]王叔孙，谢宗惠，范利平.一种适合于公路建设期采用的路面测厚仪[J].公路交通科技，2001，18(1)：21-25.
[7]刘东海，吴优.路面摊铺厚度的连续检测与可视化实时监控[J].中国公路学报，2017，30(11)：163-169.
[8]张红博.一种沥青路面摊铺厚度测定尺[P].中国，实用新型专利，201820327594.0，2018.
[9]林其盛，郑祥全.一种沥青摊铺机摊铺厚度实时监测装置的探针连接结构[P].中国，实用新型专利，201721373877.0，2017.
[10]朱小波，郭锐.沥青路面摊铺厚度测量尺[P].中国，实用新型专利，201620900096.1，2016.
[11]刘东海，陈俊杰，夏谢天.手持式公路路面沥青摊铺测厚测温装置[P].中国，发明专利，201510100304.X，2015.
[12]刘东海，孙源泽.高等级公路路面摊铺厚度的实时监控方法及监控系统[P].中国，发明专利，201410057420.3，2014.
[13]刘东海，吴优，孙源泽.公路路面摊铺厚度的插入式自动测量装置[P].中国，发明专利，201410810865.4，2014.
[14]刘东海，吴优.路面摊铺厚度和熨平振动频率的实时监测装置[P].中国，发明专利，201510058336.8，2015.
[15]刘东海，孙龙飞.一种平衡梁式的路面摊铺厚度实时监测装置[P].中国，发明专利，201610901486.5，2016.
[16]刘东海，夏谢天，陈俊杰.沥青路面摊铺厚度和施工温度实时监控方法[P].中国，发明专利，201510100523.8，2015.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为更好地实现沥青混合料摊铺作业的质量控制，本发明研发了一种减小人为因素影响，同时能够实现自动化、实时化、高精度的沥青混合料摊铺厚度无损监测装置。该装置包括安装在沥青混合料摊铺机前后部的测距定位装置、集成控制器、机载分析终端，以及布置在远程的数据库及应用服务器、客户端。该装置可测量计算摊铺前后同一位置的垂直距离差，进而确定该位置处的摊铺厚度。同时，将采集到的当前时间、位置坐标及其对应的摊铺厚度等相关测量数据信息发送存储在远程数据库，以供摊铺厚度质量评估。当摊铺厚度不合格时会触发报警，以便现场作业人员及时施工调整。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，包括测距定位装置、集成控制器、机载分析终端、数据库及应用服务器和客户端；
所述测距定位装置由竖直导轨、滑块、GNSS天线、超声波测距仪组成；所述测距定位装置安装在摊铺机平衡梁的前后两端或直接固定在摊铺机的前后部位；
所述滑块滑动连接于所述竖直导轨，所述滑块上设有用于锁紧所述滑块的手柄，所述滑块上还通过安装支架固定有所述超声波测距仪，GNSS天线安装于竖直导轨的顶部，GNSS天线用于实时采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)；位于摊铺机前端的超声波测距仪用于采集超声波测距仪至未摊铺表面的垂直距离d1，位于摊铺机后端的超声波测距仪用于采集超声波测距仪至摊铺表面的垂直距离d2；
所述集成控制器用于实时获取超声波测距仪采集的垂直距离数据d1、d2，显示在集成控制器的屏幕上，并通过网线传输到机载分析终端；
所述机载分析终端采用摊铺机电源供电，包括内置GNSS接收机、计算模块和数据无线传输模块：GNSS天线实时采集的数据通过馈线实时传输至所述内置GNSS接收机；计算模块通过计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差，确定该位置处的摊铺厚度及平面坐标，同时将计算结果保存，并通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上；数据无线传输模块负责接收计算模块的处理结果并通过网络发送到远程的数据库及应用服务器中；
所述数据库及应用服务器部署在远程，用于接收、存储从机载分析终端发送过来数据；并根据客户端输入的摊铺厚度控制标准，判断当前所测量的摊铺厚度值是否符合控制标准，如果不符合，则经网络向客户端发送摊铺厚度不合格的报警信息，实现及时提示以便采取相应措施。
进一步的，所述测距定位装置安装在公路摊铺机平衡梁的前后两端随公路摊铺机同步行进，应用于公路路面沥青或水稳层摊铺厚度的测定；或直接固定在大坝心墙摊铺机的前后部位，应用于大坝沥青心墙或过渡料松铺厚度的测定。
进一步的，所述计算模块通过d1、d2和当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差；计算模块的处理结果包括摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x,y)，测量范围内的修正摊铺厚度
Figure BDA0002465828720000041
及其相应位置的平面坐标
Figure BDA0002465828720000042
进一步的，所述客户端使用网页登录，在浏览器地址栏中键入网址即可进入系统登录界面，输入用户名和密码登录；在监控开始前，操作人员通过指定网页端设定当前工作面属性、摊铺结构层、摊铺厚度控制标准等，并将这些信息通过网络存入数据库中，供后续应用；在监控过程中，客户端实时显示测量位置处的摊铺厚度，并可查询和输出摊铺质量监测结果图；此外，客户端还接收来自数据库及应用服务器发送的摊铺厚度不合格的报警信息，提示各方管理人员采取相应措施进行调整。
进一步的，计算模块通过计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差，并确定该位置处的摊铺厚度及平面坐标，具体步骤如下：
(1)摊铺机开机启动运行，布设于摊铺机前后部位的测距定位装置上的超声波测距仪以固定的采样频率f或按时间间隔
Figure BDA0002465828720000051
分别采集超声波测距仪至未摊铺表面的垂直距离d1和超声波测距仪至已摊铺表面的垂直距离d2，并将数据经由集成控制器发送给机载分析终端；GNSS天线以固定的采样频率f′或按时间间隔
Figure BDA0002465828720000052
采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)，并通过馈线实时传输至机载分析终端；机载分析终端实时计算摊铺机行进距离lkT′
Figure BDA0002465828720000053
式中，i为GNSS天线的采样次数，i＝1,2,…k；lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；T′为GNSS天线采样的时间间隔；vt+iT′为t+iT′时刻的摊铺机行进的瞬时速度；
(2)随着采样次数i的不断递增，比较每次计算式(1)所得的摊铺机行进距离lkT′与安装在摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离l，当
|lkT′-l|≤ε (2)
式中，lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；l为摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离，为定值；ε为设定的平面位置的误差限值；
记录满足式(2)的最小采样次数k，对应的kT′内摊铺机的行进距离近似等于摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离；此刻(即t+kT′时刻)摊铺机后端的超声波测距仪测量点恰好与t时刻摊铺机前端的超声波测距仪测量点重合；该测量点的平面坐标为摊铺机后端GNSS天线在t+kT′时刻采集的(xt+kT′,yt+kT′)，摊铺厚度为t时刻测距值d1与t+kT′时刻测距值d2之差；
(3)从机载分析终端调取t时刻之后(含t时刻)摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1＝(dt,dt+T,dt+2T,dt+3T,…)T；调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2＝(dt+kT′,dt+kT′+T,dt+kT′+2T,dt+kT′+3T,…)T；调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端GNSS天线采集的平面坐标[(x,y)]＝
[(xt+kT′,yt+kT′),(xt+(k+1)T′,yt+(k+1)T′),(xt+(k+2)T′,yt+(k+2)T′),(xt+(k+3)T′,yt+(k+3)T′),…]T，则摊铺厚度表示为Δd＝d1-d2＝(Δdt+kT′,Δdt+kT′+T,Δdt+kT′+2T,Δdt+kT′+3T,…)T；根据角标中包含的时刻信息将平面定位坐标与对应的摊铺厚度一一匹配，用矩阵表示为
Figure BDA0002465828720000054
式中，(x,y)为测量点平面坐标；Δd为每次计算的厚度值；
为防止测量过程中偶然误差的出现，对厚度测算值进行修正；
(4)计算结束后，将摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x,y)，测量范围内的修正摊铺厚度
Figure BDA0002465828720000061
及其相应位置的平面坐标
Figure BDA0002465828720000062
数据保存在机载分析终端，并将上述数据通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上；同时，将这些数据通过端口传输给机载分析终端的数据无线传输模块。
进一步的，步骤(3)中对厚度测算值进行修正的具体方法如下：
(301)取
Figure BDA0002465828720000063
从机载分析终端调取t时刻之后(含t时刻)摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1，每测量出N个距离值，由机载分析终端计算模块计算其算数平均值
Figure BDA0002465828720000064
每个测量值的最或是误差v和N个距离值最或是误差的平方和[vv]，代入最或是值的中误差计算公式
Figure BDA0002465828720000065
式中，M为最或是值的中误差；v为最或是误差；N为测量次数；[vv]为N个距离值最或是误差的平方和；
计算出摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差
Figure BDA0002465828720000066
同理，调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2，每测量出N个距离值，计算出其测量值中误差
Figure BDA0002465828720000067
(302)由于摊铺厚度Δd＝d1-d2，根据误差传播定律可确定摊铺厚度的中误差
Figure BDA0002465828720000068
式中，MΔd为摊铺厚度的中误差；
Figure BDA0002465828720000069
为摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差；
Figure BDA00024658287200000610
为摊铺机后端超声波测距仪的测量值中误差；
计算N个摊铺厚度的算术平均值
Figure BDA00024658287200000611
取二倍中误差作为容许误差，去除
Figure BDA00024658287200000612
Figure BDA00024658287200000613
范围外的厚度数据后，重新计算
Figure BDA00024658287200000614
作为修正摊铺厚度值，并将N个摊铺厚度中角标最小的厚度对应的平面坐标匹配给修正摊铺厚度值，记为
Figure BDA00024658287200000615
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本装置不受工程类型约束，应用范围广。它既可应用于公路路面沥青或水稳层摊铺厚度的测定，也可应用于大坝沥青心墙或过渡料松铺厚度的测定。
2.本装置提出的计算方法避免使用复杂的空间几何关系，简化测量原理，减小了人为因素影响，规避了常用方法采样有限、精度较低的弊端，实现了所测摊铺厚度与对应位置的精确匹配。
3.监测范围不受软硬件的限制，减少了传感器的使用，降低成本。
4.本装置可实时远程-现场同步监测摊铺过程，为参建各方实现沥青混合料摊铺质量的精益管控提供了有效的技术手段。
附图说明
图1是本发明监测装置的结构示意图。
图2是具体实施例中监测装置的具体工作状态示意图。
图3a和图3b是摊铺厚度测算原理图。
图4是本发明各部分集成原理图。
图5是本发明具体实施例中客户端示意图。
附图标记：1-测距定位装置，2-集成控制器，3-机载分析终端，4-数据库及应用服务器，5-客户端，101-竖直导轨，102-GNSS天线，103-超声波测距仪，104-手柄，105-滑块
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例以沥青混合料摊铺厚度实时监测装置在水工沥青混凝土心墙结构上的应用，结合附图进一步详述。
针对水工沥青混凝土摊铺过程中的质量控制，实现摊铺厚度自动化、实时化、高精度的监测，本实施例监测装置包括测距定位装置1、集成控制器2、机载分析终端3，以及布置在远程的数据库及应用服务器4、客户端5共五部分；如图1和图2所示。
(一)测距定位装置
测距定位装置1既可安装在公路摊铺机平衡梁的前后端，随公路摊铺机同步行进，应用于公路路面沥青或水稳层摊铺厚度的测定；也可直接固定在大坝心墙摊铺机前后部位，应用于大坝沥青心墙或过渡料松铺厚度的测定；
测距定位装置1由两根竖直导轨101、两个滑块105、两个GNSS天线102、两个超声波测距仪103组成；滑块105滑动连接于竖直导轨101，滑块105上设有用于锁紧滑块105的手柄104，滑块105上还通过安装支架固定有超声波测距仪103，GNSS天线102安装于竖直导轨101的顶部；GNSS天线选用TDXL-ET9l01 GNSS Antenna，超声波测距仪可采用MP-超声波测距仪)；在本实施例中竖直导轨与滑块采用铝材进行精密加工，以减轻重量便于安装和拆卸。导轨顶端为带螺纹的通用接头，GNSS天线可旋紧固定在导轨顶端；超声波测距仪通过安装支架与滑块相固定，滑块可沿导轨在竖直方向上自由滑动，亦可使用手柄将其锁紧于合适位置，实现测距仪在竖直方向上的灵活调节。
本实施例中该测距定位装置直接固定在大坝心墙摊铺机前后部位，应用于大坝沥青心墙松铺厚度的测定。其中，GNSS天线接收卫星信号，实时采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)等；摊铺机前端超声波测距仪采集测距仪至未摊铺表面的垂直距离d1，后端超声波测距仪采集测距仪至摊铺表面的垂直距离d2。
在固定竖直导轨时，要求前后导轨均平行于摊铺机械竖轴线，且二者构成的平面与摊铺机械纵轴线平行；在固定滑块位置时，要求其连线与地面保持平行，调整方法如下：将摊铺机置于水平区域，利用两个测距仪同时测量摊铺机前后两端距离地面的高度
Figure BDA0002465828720000081
调整，如果满足
Figure BDA0002465828720000082
则无需再对仪器调整；反之，仍需调整仪器高度，直至符合要求为止。安装、调整好竖直导轨后，再进行后续的相关操作。式中，
Figure BDA0002465828720000083
为摊铺机前端超声波测距仪距离地面的高度；
Figure BDA0002465828720000084
为摊铺机后端超声波测距仪距离地面的高度；ε′为仪器调整精度。
(二)集成控制器
集成控制器2(可采用凌霄系列智能终端控制器)的主要部件为数据控制器，摊铺机电源向集成控制器中的数据控制器持续供电；数据控制器输出12V电压为超声波测距仪供电。数据控制器通过RS-485接口实时获取超声波测距仪采集的垂直距离数据d1、d2，显示在集成控制器屏幕上，并通过网线传输到机载分析终端。
(三)机载分析终端
机载分析终端(可采用SW-MC终端)采用车体电源供电，包括内置GNSS接收机、计算模块和数据无线传输模块。GNSS天线实时采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)等，并通过馈线实时传输至内置GNSS接收机。
计算模块分析通过网线、馈线传输的d1、d2和当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)，计算得到摊铺前后同一位置点的垂直距离差，确定该位置处的摊铺厚度及平面坐标，同时将计算结果保存，并通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上。具体计算过程如下：
(301)摊铺机开机启动运行，布设于摊铺机前后部位的测距定位装置上的超声波测距仪以固定的采样频率f或按一定时间间隔
Figure BDA0002465828720000091
分别采集仪器至未摊铺表面的垂直距离d1和仪器至摊铺结构层表面的垂直距离d2，并将数据经由集成控制器发送给机载分析终端；GNSS天线以固定的采样频率f′或按一定的时间间隔
Figure BDA0002465828720000092
采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt,yt)，并通过馈线实时传输至机载分析终端。此刻(即t时刻)，摊铺机前端的超声波测距仪测得仪器至未摊铺表面P点的垂直距离d1P，如图3a所示。同时，机载分析终端还实时计算摊铺机行进距离lkT′
Figure BDA0002465828720000093
式中，i为GNSS天线的采样次数，i＝1,2,…k；lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；T′为GNSS天线采样的时间间隔；vt+iT′为t+iT′时刻的摊铺机行进的瞬时速度。
(302)随着采样次数i的不断递增，比较每次计算式(1)所得的摊铺机行进距离lkT′与安装在摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离l，当
|lkT′-l|≤ε (2)
式中，lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；l为摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离，为定值；ε为设定的平面位置的误差限值。
记录满足式(2)的最小采样次数k，对应的kT′内摊铺机的行进距离近似等于摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离。此刻(即t+kT′时刻)摊铺机后端的超声波测距仪测量点恰好与t时刻摊铺机前端的超声波测距仪测量点P重合，测得仪器至摊铺结构层表面P点的垂直距离d2P。摊铺机后部测距定位装置中的GNSS天线采集平面定位坐标即为P点平面位置坐标，记为(xt+kT′,yt+kT′)，P点处的摊铺厚度为ΔdP＝d1P-d2P，如图3b所示。
(303)从机载分析终端调取t时刻之后(含t时刻)摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1＝(dt,dt+T,dt+2T,dt+3T,…)T；调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2＝(dt+kT′,dt+kT′+T,dt+kT′+2T,dt+kT′+3T,…)T；调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端GNSS天线采集的平面坐标[(x,y)]＝
[(xt+kT′,yt+kT′),xt+(k+1)T′,yt+(k+1)T′),(xt+(k+2)T′,yt+(k+2)T′),(xt+(k+3)T′,yt+(k+3)T′),…]T，则摊铺厚度可表示为Δd＝d1-d2＝(Δdt+kT′,Δdt+kT′+T,Δdt+kT′+2T,Δdt+kT′+3T,…)T。根据角标中包含的时刻信息可将平面定位坐标与对应的摊铺厚度一一匹配，可用矩阵表示为
Figure BDA0002465828720000101
式中，(x,y)为测量点平面坐标；Δd为每次计算的厚度值。
为防止测量过程中偶然误差的出现，对厚度测算值进行修正，具体方法如下：
a)取
Figure BDA0002465828720000102
从机载分析终端调取t时刻之后(含t时刻)摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1，每测量出N个距离值，由机载分析终端计算模块计算其算数平均值
Figure BDA0002465828720000103
每个测量值的最或是误差v和N个距离值最或是误差的平方和[vv]，代入最或是值的中误差计算公式
Figure BDA0002465828720000104
式中，M为最或是值的中误差；v为最或是误差；N为测量次数；[vv]为N个距离值最或是误差的平方和。
计算出摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差
Figure BDA00024658287200001016
同理，调取t+kT′时刻之后(含t+kT′时刻)摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2，每测量出N个距离值，可计算出其测量值中误差
Figure BDA0002465828720000105
b)由于摊铺厚度Δd＝d1-d2，根据误差传播定律可确定摊铺厚度的中误差
Figure BDA0002465828720000106
式中，MΔd为摊铺厚度的中误差；
Figure BDA0002465828720000107
为摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差；
Figure BDA0002465828720000108
为摊铺机后端超声波测距仪的测量值中误差。
计算N个摊铺厚度的算术平均值
Figure BDA0002465828720000109
取二倍中误差作为容许误差，去除
Figure BDA00024658287200001010
Figure BDA00024658287200001011
围外的厚度数据后，重新计算
Figure BDA00024658287200001012
作为修正摊铺厚度值，并将N个摊铺厚度中角标最小的厚度对应的平面坐标匹配给修正摊铺厚度值，记为
Figure BDA00024658287200001013
(304)计算结束后，将摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x,y)，一定测量范围内的修正摊铺厚度
Figure BDA00024658287200001014
及其相应位置的平面坐标
Figure BDA00024658287200001015
等数据保存在机载分析终端，并将这些数据通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上。同时，将这些数据通过端口传输给机载分析终端的数据无线传输模块。
数据无线传输模块负责接收计算模块的处理结果，包括摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x,y)，一定测量范围内的修正摊铺厚度
Figure BDA0002465828720000111
及其相应位置的平面坐标
Figure BDA0002465828720000112
上述数据通过4G(the 4th Generation)网络无线发送到远程的数据库及应用服务器中。
(四)数据库及应用服务器
数据库(可采用Microsoft SQL Server 2010)及应用服务器可部署在远程，包括数据库模块、分析模块、反馈模块、通讯模块，实现对监测数据的接收、储存、分析、判断、反馈等功能。
数据库模块主要用来接收、存储从机载分析终端发送过来的如下数据：摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x,y)，一定测量范围内的修正摊铺厚度
Figure BDA0002465828720000113
及其相应位置的平面坐标
Figure BDA0002465828720000114
同时与分析模块、客户端进行数据交互。
分析模块可根据客户端(即实时监控网页客户端)输入的摊铺厚度控制标准，判断当前所测量的摊铺厚度是否符合控制标准。如果不符合，则向反馈模块发送报警激活信号。
反馈模块在收到报警激活信号后，经Internet向客户端发送摊铺厚度不合格的报警信息，及时给予各方管理人员提示，以便采取相应措施。具体集成原理如图4所示。
(五)客户端
客户端使用网页登录，在浏览器地址栏中键入网址即可进入系统登录界面，输入用户名和密码登录。在监控开始前，操作人员通过指定网页端设定当前工作面属性、摊铺结构层、摊铺厚度控制标准等，并将这些信息通过Internet网络存入数据库中，供后续应用。在监控过程中，客户端实时显示测量位置处的摊铺厚度，并可查询和输出摊铺质量监测结果图。此外，客户端还接收来自数据库及应用服务器发送的摊铺厚度不合格的报警信息，提示各方管理人员采取相应措施进行调整。客户端示意图如图5所示。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，其特征在于，包括测距定位装置、集成控制器、机载分析终端、数据库及应用服务器和客户端；
所述测距定位装置由竖直导轨、滑块、GNSS天线、超声波测距仪组成；所述测距定位装置安装在摊铺机平衡梁的前后两端或直接固定在摊铺机的前后部位；
所述滑块滑动连接于所述竖直导轨，所述滑块上设有用于锁紧所述滑块的手柄，所述滑块上还通过安装支架固定有所述超声波测距仪，GNSS天线安装于竖直导轨的顶部，GNSS天线用于实时采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt，yt)；位于摊铺机前端的超声波测距仪用于采集超声波测距仪至未摊铺表面的垂直距离d1，位于摊铺机后端的超声波测距仪用于采集超声波测距仪至摊铺表面的垂直距离d2；
所述集成控制器用于实时获取超声波测距仪采集的垂直距离数据d1、d2，显示在集成控制器的屏幕上，并通过网线传输到机载分析终端；
所述机载分析终端采用摊铺机电源供电，包括内置GNSS接收机、计算模块和数据无线传输模块：GNSS天线实时采集的数据通过馈线实时传输至所述内置GNSS接收机；计算模块通过计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差，确定该位置处的摊铺厚度及平面坐标，同时将计算结果保存，并通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上；数据无线传输模块负责接收计算模块的处理结果并通过网络发送到远程的数据库及应用服务器中；
所述数据库及应用服务器部署在远程，用于接收、存储从机载分析终端发送过来数据；并根据客户端输入的摊铺厚度控制标准，判断当前所测量的摊铺厚度值是否符合控制标准，如果不符合，则经网络向客户端发送摊铺厚度不合格的报警信息，实现及时提示以便采取相应措施；
计算模块通过计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差，并确定该位置处的摊铺厚度及平面坐标的具体步骤如下：
(1)摊铺机开机启动运行，布设于摊铺机前后部位的测距定位装置上的超声波测距仪以固定的采样频率f或按时间间隔
Figure FDA0003507149230000011
分别采集超声波测距仪至未摊铺表面的垂直距离d1和超声波测距仪至已摊铺表面的垂直距离d2，并将数据经由集成控制器发送给机载分析终端；
GNSS天线以固定的采样频率f′或按时间间隔
Figure FDA0003507149230000012
采集当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt，yt)，并通过馈线实时传输至机载分析终端；机载分析终端实时计算摊铺机行进距离lkT′
Figure FDA0003507149230000013
式中，i为GNSS天线的采样次数，i＝1，2，…k；lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；T′为GNSS天线采样的时间间隔；vt+iT′为t+iT′时刻的摊铺机行进的瞬时速度；
(2)随着采样次数i的不断递增，比较每次计算式(1)所得的摊铺机行进距离lkT′与安装在摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离l，当
|lkT′-l|≤ε (2)
式中，lkT′为kT′内摊铺机的行进距离；l为摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离，为定值；ε为设定的平面位置的误差限值；
记录满足式(2)的最小采样次数k，对应的kT′内摊铺机的行进距离近似等于摊铺机前后竖直导轨上超声波测距仪间的水平间隔距离；此刻即t+kT′时刻摊铺机后端的超声波测距仪测量点恰好与t时刻摊铺机前端的超声波测距仪测量点重合；该测量点的平面坐标为摊铺机后端GNSS天线在t+kT′时刻采集的(xt+kT′，yt+kT′)，摊铺厚度为t时刻测距值d1与t+kT′时刻测距值d2之差；
(3)从机载分析终端调取t时刻之后含t时刻摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1＝(dt，dt+T，dt+2T，dt+3T，…)T；调取t+kT′时刻之后含t+kT′时刻摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2＝(dt+kT′，dt+kT′+T，dt+kT′+2T，dt+kT′+3T，…)T；调取t+kT′时刻之后含t+kT′时刻摊铺机后端GNSS天线采集的平面坐标
[(x，y)]＝
[(xt+kT′，yt+kT′)，(xt+(k+1)T′，yt+(k+1)T′)，(xt+(k+2)T′，yt+(k+2)T′)，(xt+(k+3)T′，yt+(k+3)T′)，…]T，则摊铺厚度表示为Δd＝d1-d2＝(Δdt+kT′，Δdt+kT′+T，Δdt+kT′+2T，Δdt+kT′+3T，…)T；根据角标中包含的时刻信息将平面定位坐标与对应的摊铺厚度一一匹配，用矩阵表示为
Figure FDA0003507149230000021
式中，(x，y)为测量点平面坐标；Δd为每次计算的厚度值；为防止测量过程中偶然误差的出现，对厚度测算值进行修正；
计算结束后，将摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x，y)，测量范围内的修正摊铺厚度
Figure FDA0003507149230000022
及其相应位置的平面坐标
Figure FDA0003507149230000023
数据保存在机载分析终端，并将上述数据通过网线实时传输到集成控制器，显示在控制器屏幕上；同时，将这些数据通过端口传输给机载分析终端的数据无线传输模块；
步骤(3)中对厚度测算值进行修正的具体方法如下：
(301)取
Figure FDA0003507149230000031
从机载分析终端调取t时刻之后含t时刻摊铺机前端超声波测距仪的测量值d1，每测量出N个距离值，由机载分析终端计算模块计算其算数平均值
Figure FDA0003507149230000032
每个测量值的最或是误差v和N个距离值最或是误差的平方和[vv]，代入最或是值的中误差计算公式
Figure FDA0003507149230000033
式中，M为最或是值的中误差；v为最或是误差；N为测量次数；[vv]为N个距离值最或是误差的平方和；
计算出摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差
Figure FDA0003507149230000034
同理，调取t+kT′时刻之后含t+kT′时刻摊铺机后端超声波测距仪的测量值d2，每测量出N个距离值，计算出其测量值中误差
Figure FDA0003507149230000035
(302)由于摊铺厚度Δd＝d1-d2，根据误差传播定律可确定摊铺厚度的中误差
Figure FDA0003507149230000036
式中，MΔd为摊铺厚度的中误差；
Figure FDA0003507149230000037
为摊铺机前端超声波测距仪的测量值中误差；
Figure FDA0003507149230000038
为摊铺机后端超声波测距仪的测量值中误差；
计算N个摊铺厚度的算术平均值
Figure FDA0003507149230000039
取二倍中误差作为容许误差，去除
Figure FDA00035071492300000310
Figure FDA00035071492300000311
范围外的厚度数据后，重新计算
Figure FDA00035071492300000312
作为修正摊铺厚度值，并将N个摊铺厚度中角标最小的厚度对应的平面坐标匹配给修正摊铺厚度值，记为
Figure FDA00035071492300000313
2.根据权利要求1所述一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，其特征在于，所述测距定位装置安装在公路摊铺机平衡梁的前后两端随公路摊铺机同步行进，应用于公路路面沥青或水稳层摊铺厚度的测定；或直接固定在大坝心墙摊铺机的前后部位，应用于大坝沥青心墙或过渡料松铺厚度的测定。
3.根据权利要求1所述一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，其特征在于，所述计算模块通过d1、d2和当前时刻t、摊铺机行进的瞬时速度vt及平面定位坐标(xt，yt)计算得到摊铺前后同一位置的垂直距离差；计算模块的处理结果包括摊铺机行进距离内测距定位装置每次计算的厚度值Δd及其测量点平面坐标(x，y)，测量范围内的修正摊铺厚度
Figure FDA00035071492300000314
及其相应位置的平面坐标
Figure FDA00035071492300000315
4.根据权利要求1所述一种沥青混合料摊铺厚度实时监测装置，其特征在于，所述客户端使用网页登录，在浏览器地址栏中键入网址即可进入系统登录界面，输入用户名和密码登录；在监控开始前，操作人员通过指定网页端设定当前工作面属性、摊铺结构层、摊铺厚度控制标准，并将这些信息通过网络存入数据库中，供后续应用；在监控过程中，客户端实时显示测量位置处的摊铺厚度，并可查询和输出摊铺质量监测结果图；此外，客户端还接收来自数据库及应用服务器发送的摊铺厚度不合格的报警信息，提示各方管理人员采取相应措施进行调整。
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GR01 Patent grant
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