CN115162309A - 一种接触式碾压机集成压实动量检测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种接触式碾压机集成压实动量检测系统与方法，包括振动传感器、工控机、数据采集仪、GPS/BDS接收机和机载显示器。碾压填筑层时，碾压机振动轮与土体相互作用产生的振动信号被安装在与振动轮直接连接的支架上的振动传感器接收，然后被数据采集仪采样形成振动数字信号；同时数据采集仪接收GPS/BDS提供的空间位置信号。工控机对采集的振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，计算振动轮的极限压实动量，进而得出动量压实值。最后结合GPS/BDS空间位置信息在机载显示器上呈现碾压区域时空压实度指标分布图。本发明具有精确、连续、实时、离散性小、成本低等特点，与无人碾压或智能决策功能融合可实现无人化、智能化碾压作业。
Description
技术领域
本发明属于土石方填筑工程技术领域，可用于压实质量在线检测，特别涉及一种接触式碾压机集成压实动量检测系统与方法。
背景技术
随着全球高速公路、铁路、机场、建筑物、桥、水库和大坝等的修建，越来越多基础设施与能源工程设施均涉及土石方填筑施工，而填筑材料的压实度是控制土石方填筑质量的一个重要指标，它直接影响土石方工程的强度和稳定性，进而影响整个及基础设施与能源工程设施的使用性能和使用寿命，因此土石方工程填筑质量检测装备与技术一直是土石方填筑工程技术领域的研究重点。
检测装备与技术按照检测方式的不同，大致可以分为直接法、间接法。直接法包含灌砂法、环刀法、核子密度湿度仪法等，间接法包含机载压实度检测仪法、探地雷达法、瑞利波法、电磁法和冲击响应频谱法等。直接法为抽样检测法，只能反映某些点的压实状况，不能反映整个工作面的压实质量，且属于有损检测，对原路基、坝体或其他类型土石方工程的扰动较大，此外，该方法的检测装备繁杂且笨重，检测流程多而繁复，导致直接法检测效率低、人力及经济费用高，无法满足工程机械化快速施工的要求，因此会严重制约施工进度，降低公路、铁路、机场和大坝等施工效率和工程经济性。
目前，国内外对于填筑质量检测方面的研究，主要集中在间接法检测装备与技术方面，如连续压实控制技术、碾压机集成压实监控技术和智能压实技术，相应提出的压实度指标主要有CMV、MDP、Ks、Evib和THD等。间接法属于间接反映填筑料填筑质量的检测方法，检测精度低且检测装备昂贵，无法满足土石方工程填筑质量的高标准要求，昂贵的检测设备且会大幅降低工程经济性，目前检测精度高、高效且同时适用多种不同填筑材料的间接检测方法还较为匮乏。
综上所述，土石方填筑工程技术领域亟需一种检测精度高、实时高效、接触式的无损检测装备与技术。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种接触式碾压机集成压实动量检测系统与方法，对多种不同类型填筑料压实质量检测与控制同时适用，具有数据离散性小、检测精度高、高经济性等优点，本发明在不破坏填筑体的前提下，可用于土石方工程填筑质量连续实时检测与控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种接触式碾压机集成压实动量检测系统，包括振动传感器、数据采集仪、工控机、GPS/BDS接收机与机载显示器；
所述振动传感器用于获取碾压机振动轮与土体碾压层相互作用时产生的竖向振动信号；
所述GPS/BDS接收机用于获取与碾压位置相关的空间位置信号；
所述数据采集仪用于同步采集所述竖向振动信号及与碾压位置相关的空间位置信号，并传输至所述工控机；
所述工控机对所述竖向振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，计算得到振动轮的极限压实动量，进而计算出动量压实值，所述动量压实值可反映当前填筑碾压区域的实时压实度值，该值为一种新的压实度指标，可用于表征填筑碾压区域的压实质量；并结合碾压机的当前位置坐标，生成现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度指标分布图；
所述机载显示器用于实时显示所述碾压区域时空压实度指标分布图。
在一个实施例中，所述振动传感器固设于固定支架上，所述固定支架与碾压机的振动轮直接连接，所述固定支架为碾压机振动马达或振动泵与碾压机滚轴之间的连接支架。
在一个实施例中，所述极限压实动量为单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc，则所述动量压实值Ip的计算公式如下：
其中，Pq为碾压试验确定的合格压实振动动量，P(t)的计算公式如下：
P(t)＝mv(t)
其中，m为碾压机振动轮的质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度，当单周期内的v(t)取峰值时，即获得单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc。
在一个实施例中，根据所述空间位置信号，确定碾压区域并分析记录碾压机的压实轨迹、行车速度和碾压遍数，以所述动量压实值Ip为压实度指标值，形成碾压区域时空压实度指标分布图。
在一个实施例中，所述形成碾压区域时空压实度指标分布图的具体方法为：
1)将碾压机沿振动轮宽度在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的横轴，将碾压机沿行驶方向在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的纵轴，以米为单位，横轴和纵轴形成的区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域；
2)根据碾压机当前位置信息以及行车速度、碾压遍数，实时将相应的压实度指标值填充至填充区域，填充区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域；
3)当碾压机完成当前整个碾压区域一遍碾压后，即形成时空压实度指标分布图。
在一个实施例中，所述时空压实度指标分布图为2D云图形式或3D云图形式，所述2D云图形式，以空间平面形式展示，所述3D云图形式以空间曲面形式展示。
在一个实施例中，所述2D云图形成方法如下：
将压实度指标值以5％～10％间隔分级，将经过间隔分级的由大到小的压实度指标值与由浅色到深色的色彩进行映射，并将映射后得到的色彩填充至设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域，形成2D云图；
所述3D云图形成方法如下：
在2D云图基础上，将压实度指标值按照数值大小映射至三维坐标系的Z轴方向，与横轴、纵轴共同构成3D云图。
在一个实施例中，所述振动传感器采用速度传感器，直接获取碾压机振动轮竖向振动速度，或采用加速度传感器，通过积分获得相应的速度值。
在一个实施例中，所述机载显示器利用内置反馈控制模块给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息。
在一个实施例中，所述内置反馈控制模块与无人碾压模块或智能决策模型单独或同时融合集成形成无人碾压系统或者智能碾压系统；并融合多机协同作业控制方法通过内置反馈控制模块实现无人碾压机群或智能碾压机群协同高效碾压作业。
本发明还提供了一种接触式碾压机集成压实动量检测方法，在碾压过程中，实时采集碾压机的空间位置信号，以及碾压机振动轮与土体碾压层相互作用时产生的竖向振动信号；对所述竖向振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，计算得到振动轮的极限压实动量，进而计算出动量压实值，即当前填筑碾压区域的实时压实度值；并结合碾压机的当前位置坐标，生成现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度指标分布图。
与现有土石方工程填筑质量检测装备与技术相比，本发明具有接触式、连续、实时、精确、离散性小、成本低等特点，同时适用不同类型填筑料压实质量连续压实检测与填筑工程连续压实质量控制，并可实时对碾压层压实度进行全作业面施工区域检测，通过反馈控制碾压机振动轮的压实作业参数也很容易实现智能连续压实功能，可将与填筑碾压施工过程有关的信息实时存取供现场碾压机驾驶员和监理使用，也可与远程监控中心集成供远程管理人员和业主使用，不仅可以提高施工效率，也使得工程建造经济性和工程建设精细化管理得到保障。
附图说明
图1为本发明原理示意图。
具体实施方式
下面结合该检测系统与方法原理和实施例，对本发明的装备与方法做进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明所提接触式碾压机集成压实动量检测装备与方法具体现场检测实施过程，但不是用来限定本发明的范围。
本发明一种接触式碾压机集成压实动量检测系统，设置于加载设备上，在本发明中，加载设备为碾压机，实施现场碾压施工作业，也可为其它类似的设备。图1中的虚线框示出了本发明检测系统10的主要组成，其主要包括振动传感器1、数据采集仪2、工控机3、GPS/BDS接收机4、机载显示器5以及各设备的供电系统9、通信系统等。
碾压机碾压填筑层时，本发明利用振动传感器1实时采集碾压机振动轮与土体碾压层13相互作用时产生的竖向振动信号，利用GPS/BDS接收机4实时采集碾压机的当前空间位置信号，显然，该空间位置信号与碾压位置相关。对这些信号进行信号调理处理，由数据采集仪2通过数据线传输至工控机3进一步分析处理，得出实时接触式动量型压实指标值，即动量压实值，并将其与空间位置信息在机载显示器5上显示为碾压区域时空压实度指标分布图。
本发明中，接触式碾压机集成压实，说明了本发明属于接触式传感器测量，该传感器集成在碾压机上，碾压机进行压实作业。动量又称线性动量(Linear Momentum)，在经典力学中，动量(是指国际单位制中的单位为kg·m/s，量纲MLT-1)表示为物体的质量和速度的乘积，是与物体的质量和速度相关的物理量，指的是运动物体的作用效果。在本发明中，动量指的是振动轮上下振动产生的动量。
具体地，振动传感器1用于获取碾压机碾压填筑层时，碾压机振动轮与填筑层土体碾压层13相互作用时产生的竖向振动信号，该振动信号根据振动传感器类型可分为振动速度信号和振动加速度信号。
GPS/BDS接收机4用于提供与碾压位置相关的空间位置信号。
数据采集仪2用于同步采集振动轮竖向振动信号及与碾压位置相关的空间信号，并可将采集到的信号进行调理处理，进而实时传输至工控机3；
工控机3对振动轮竖向振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，得到振动轮的极限压实动量，进而计算出动量压实值，并结合碾压机的当前位置坐标，生成现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度指标分布图，在机载显示器5上显示，并可实时存储动量压实值与碾压机空间位置信息。机载显示器5还可显示现场其他相关信息，如行车速度、碾压轨迹、碾压遍数、填筑层高程等。
供电系统9为整个系统中的各用电单元供电。通信系统用于实现整个系统的信息传输。
示例地，振动传感器1可固设于一个固定支架上，该固定支架与碾压机的振动轮直接连接，例如，固定支架为碾压机振动马达或振动泵与碾压机滚轴之间的连接支架。振动传感器可采用速度传感器，直接获取碾压机振动轮竖向振动速度，也可采用加速度传感器，通过积分获得相应的速度值。
振动传感器1与数据采集仪2之间通过有线通讯实现信息传输与供电支持；数据采集仪2进行的信号调理处理包括放大、滤波，以将信号转换成工控机3能够识别、分析与存储的标准信号；数据采集仪2与工控机3之间通过有线通讯方式连接，数据采集仪2将同步采集的碾压机空间位置信号与振动轮竖向振动信号传输至工控机3；工控机3还获取并显示包括行车速度、碾压遍数、碾压轨迹、当前碾压层高程信息在内的现场信息。
工控机3对碾压机振动轮竖向振动信号的分析和处理步骤如下：
首先对采集到的原始振动信号进行滤波处理，消除异常值，并去掉碾压机启动及停止所需时间的振动信号数据；然后按照设定值将将滤波处理后的信号均分成n等份，每份为一个周期；对均分的信号按照周期捕捉每个周期内的峰值速度，并可将处理后的每个周期内的峰值速度数据存储在工控机指定位置，便于数据实时存取和在线监测分析。
在工控机3中，通过如下公式计算单个周期内的竖向振动动量P(t)：
P(t)＝mv(t)
其中，m为碾压机振动轮的质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度，当单周期内的v(t)取峰值时，即获得单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc，Pc即本发明的极限压实动量。其中，竖向振动动量指的是振动轮振动压实过程中在竖向方向上的动量。
极限压实动量与动量压实值Ip的具体对应关系为：
即，动量压实值Ip是单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc与碾压试验确定的合格压实振动动量Pq的比值，为无量纲数值。
GPS/BDS接收机4与RTK-GPS/BDS基准站、现场流动站、卫星共同实现加载设备位置有关的空间信息的提供，其中RTK-GPS/BDS接收机、卫星、GPS/BDS基站通过差分算法计算共同实现碾压机的精确位置定位。差分算法可在工控机3中执行。
工控机3到接收GPS/BDS接收机4提供的碾压机空间位置信号，确定碾压区域并分析记录碾压机的压实轨迹、行车速度和碾压遍数，以动量压实值Ip为压实度指标值，可形成碾压区域时空压实度指标分布图，具体方法为：
1)将碾压机沿振动轮宽度在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的横轴，将碾压机沿行驶方向在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的纵轴，以米为单位，横轴和纵轴形成的区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域。
2)根据碾压机当前位置信息以及行车速度、碾压遍数，实时将相应的压实度指标值填充到填充区域，填充区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域，其中设定时间段Δt可结合碾压机行车速度、现场碾压情况以及检测精度来确定；
3)当碾压机完成当前整个碾压区域一遍碾压后，即形成时空压实度指标分布图。本发明中，时空压实度指标分布图可以为2D云图形式，也可以为3D云图形式，其中2D云图形式以空间平面形式展示，3D云图形式以空间曲面形式展示。
本发明中，压实度又称夯实度，指的是土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示。
2D云图形成方法如下：
将压实度指标值以5％～10％间隔分级，具体间隔取值根据实际填筑料类型和检测精度选定，将经过间隔分级的由大到小的压实度指标值与由浅色到深色的色彩进行映射，并将映射后得到的色彩填充至设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域，形成2D云图。
3D云图形成方法如下：
在2D云图基础上，将压实度指标值按照数值大小映射至三维坐标系的Z轴方向，与横轴、纵轴共同构成3D云图。
本发明可进一步设置反馈控制模块，反馈控制模块可集成于工控机3中，其作用是实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，包括压实质量信息、压实参数信息以及其他填筑施工信息等，以便相关人员采取有效措施，提高土石方工程填筑压实质量。机载显示器5可利用内置反馈控制模块给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。采取的措施可包括调整碾压施工策略、改变填筑料含水率、对压实质量不足区域进行补充碾压以及其他可改善填筑层压实质量的措施等，其中，调整碾压施工策略指的是调整当前碾压区域或根据当前碾压区域的实际压实情况调整新碾压区域的碾压施工参数。
示例地，本发明内置反馈控制模块可与无人碾压模块或智能决策模型单独或同时融合集成形成无人碾压系统或者智能碾压系统；进一步地，可融合多机协同作业控制方法通过内置反馈控制模块实现无人碾压机群或智能碾压机群协同高效碾压作业。
本发明一种具体的多机协同作业控制方法包含以下实现方式但不局限于此：
首先对于子作业面拆分问题，采用区域分解算法将包含障碍物的作业面拆分成无障碍物的子作业面；之后对于子作业面规划问题，基于碾压工艺构建碾压运动模型对子作业面进行路径规划；其次对于子作业面连通问题，采用群智能优化算法进行转场路径优化求解；然后对于任务分配问题，建立无人碾压机群或智能碾压机群作业时间成本函数，以最小化时间成本为准则将作业路径分配至各无人碾压机或智能碾压机；最后，利用基于预瞄的路径跟踪控制算法控制单台无人碾压机或智能碾压机执行碾压作业动作。
本发明基于动量方法进行土石方工程填筑质量检测，依据新设计的振动信号采集及处理系统实现其功能，按如下步骤对土石方工程填筑质量，尤其是公路路基填筑质量(如高、低液限粉土)进行检测：
以高、低液限粉土为例，在碾压施工作业区域进行灌砂法取样，测得碾压施工区域的实际压实度，经过与本发明系统计算出的高、低液限粉土压实度指标值对比，具有强相关性。由此可见，本发明所提出的接触式碾压机集成压实动量检测技术具有接触式、连续、实时、精确、离散性小、成本低等特点，非常适合填筑工程连续压实质量控制，通过反馈控制碾压机振动轮的振动频率与振动幅值也容易实现智能连续压实功能，便于填筑碾压施工作业员及现场监理及时发现问题，也便于与远程监控中心集成供远程管理人员或业主监控管理现场填筑施工作业，使碾压施工作业质量得到改善，最终使公路、铁路、机场、大坝等工程填筑质量得到保证。
Claims (10)
1.一种接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，包括振动传感器(1)、数据采集仪(2)、工控机(3)、GPS/BDS接收机(4)与机载显示器(5)；
所述振动传感器(1)用于获取碾压机振动轮与土体碾压层(13)相互作用时产生的竖向振动信号；
所述GPS/BDS接收机(4)用于获取与碾压位置相关的空间位置信号；
所述数据采集仪(2)用于同步采集所述竖向振动信号及与碾压位置相关的空间位置信号，并传输至所述工控机(3)；
所述工控机(3)对所述竖向振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，计算得到振动轮的极限压实动量，进而计算出动量压实值，所述动量压实值能够反映当前填筑碾压区域的实时压实度值，用于表征填筑碾压区域的压实质量；并结合碾压机的当前位置坐标，生成现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度指标分布图；
所述机载显示器(5)用于实时显示所述碾压区域时空压实度指标分布图。
2.根据权利要求1所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述振动传感器(1)固设于固定支架上，所述固定支架与碾压机的振动轮直接连接，所述固定支架为碾压机振动马达或振动泵与碾压机滚轴之间的连接支架。
3.根据权利要求1所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述极限压实动量为单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc，则所述动量压实值Ip的计算公式如下：
其中，Pq为碾压试验确定的合格压实振动动量，P(t)的计算公式如下：
P(t)＝mv(t)
其中，m为碾压机振动轮的质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度，当单周期内的v(t)取峰值时，即获得单周期内的竖向振动动量P(t)的峰值Pc。
4.根据权利要求1所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，根据所述空间位置信号，确定碾压区域并分析记录碾压机的压实轨迹、行车速度和碾压遍数，以所述动量压实值Ip为压实度指标值，形成碾压区域时空压实度指标分布图。
5.根据权利要求4所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述形成碾压区域时空压实度指标分布图的具体方法为：
1)将碾压机沿振动轮宽度在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的横轴，将碾压机沿行驶方向在设定时间段Δt内行驶的弧形曲线或直线作为时空压实度指标分布图的纵轴，以米为单位，横轴和纵轴形成的区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域；
2)根据碾压机当前位置信息以及行车速度、碾压遍数，实时将相应的压实度指标值填充至填充区域，填充区域为设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域；
3)当碾压机完成当前整个碾压区域一遍碾压后，即形成时空压实度指标分布图。
6.根据权利要求5所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述时空压实度指标分布图为2D云图形式或3D云图形式，所述2D云图形式，以空间平面形式展示，所述3D云图形式以空间曲面形式展示；
所述2D云图形成方法如下：
将压实度指标值以5％～10％间隔分级，将经过间隔分级的由大到小的压实度指标值与由浅色到深色的色彩进行映射，并将映射后得到的色彩填充至设定时间段Δt内碾压机振动轮形成的碾压区域，形成2D云图；
所述3D云图形成方法如下：
在2D云图基础上，将压实度指标值按照数值大小映射至三维坐标系的Z轴方向，与横轴、纵轴共同构成3D云图。
7.根据权利要求1所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述振动传感器(1)采用速度传感器，直接获取碾压机振动轮竖向振动速度，或采用加速度传感器，通过积分获得相应的速度值。
8.根据权利要求1所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述机载显示器(5)利用内置反馈控制模块给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息。
9.根据权利要求8所述接触式碾压机集成压实动量检测系统，其特征在于，所述内置反馈控制模块与无人碾压模块或智能决策模型单独或同时融合集成形成无人碾压系统或者智能碾压系统；并融合多机协同作业控制方法通过内置反馈控制模块实现无人碾压机群或智能碾压机群协同高效碾压作业。
10.一种接触式碾压机集成压实动量检测方法，其特征在于，在碾压过程中，实时采集碾压机的空间位置信号，以及碾压机振动轮与土体碾压层(13)相互作用时产生的竖向振动信号；
对所述竖向振动信号进行滤波和速度峰值捕捉，计算得到振动轮的极限压实动量，进而计算出动量压实值，即当前填筑碾压区域的实时压实度值；并结合碾压机的当前位置坐标，生成现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度指标分布图。
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