基于GPS技术计算压路机碾压遍数的方法研究

冯志杨，杨人凤，戴博

（长安大学 机械工程学院，陕西 西安 710064）

摘要 压实度是沥青路面施工工程检测合格的一项重要指标，而路面碾压遍数又与路面压实度密切相关。目前很多人研究基于过程检测和控制沥青路面压实度方法的沥青路面压实度监控系统，这些系统中普遍都是通过人为观察GPS轨迹图来计算压路机的碾压遍数。这种人工方式在数据量庞大时会导致观察效率低下、发现问题不及时甚至出错，从而影响施工结果检测。本文提出了一个能自动处理采集来的GPS数据计算出路面碾压遍数的方法，该方法能够快速处理长时间收集的大量GPS数据点，计算出压路机具有不确定性的往返路径的施工次数，进而计算得到路面施工的碾压遍数。

关键词：GPS定位技术；实时监控；碾压遍数；数据统计

Research on Calculation Roller Pass Number of Roller Based on GPS Technology

FENG Zhi-yang,YANG Ren-feng,DAI Bo

(School of Mechanical Engineering,Changan University,Xian,710064)

Abstract: Compaction is an important indicator for the test qualification of asphalt pavement construction engineering, and the number of times of

pavement compaction is closely related to the degree of compaction. At present, many people study the asphalt pavement compaction monitoring system through process-based detection and the method of controling compactness of asphalt pavement . In these systems, the number of times of pavement compaction is generally calculated by artificial observation of GPS trajectories. This manual method leads to low observation efficiency, finding problems not in time or even go wrong in the situation of huge data , which affects the detection of construction results. This paper proposes a method for calculating the number of compaction times of pavement，this method can automatically process the collected GPS data and quickly process a large number of GPS data points collected for a long time，so it can calculate the number of construction times of the round-trip path with uncertainties of the roller，and then can calculate the number of rolling passes in pavement construction.

Key words: GPS positioning technology; real time monitoring; rolling pass;data statistics

0引言

随着现代数据通讯技术、计算机技术、电子信息技术等高科技的迅速发展，将其与GPS公路交通相结合，已广泛应用于工程领域的各个方面。除了传统意义上工程测量方面，GPS技术也可以在工程施工方面发挥重大作用，尤其是将GPS与压路机相结合将会进一步提高路面施工质量。一般在传统施工过程中，经常出现由于操作人员的大意或者操作不规范，使路面压实并没有严格按照标准工艺要求进行，就会对公路施工质量产生巨大的影响，为施工后的公路通车留下严重的安全隐患。

此外，在公路施工过程中，监督管理人员的疏忽，失职同样也会影响公路施工的质量。特别是对于里程较长的公路建设，监管难度较大，尽管实行分段施工和监管措施，但是还是很难达到全天候全方位实时监督。所以，仅仅依靠人员的监督不能满足现代化高质量施工要求。为了保证路面平整度和压实度，完善监督体系，在压实工艺中引进GPS定位技术。对道路的施工过程进行数字化的实时监控，在减轻监管人员工作负担的同时，也有效的提高了施工质量。

1公路施工现场模型的建立

1.1 公路施工监控系统

在将GPS技术引用到公路施工过程中中，需要建立一个GPS远程实时监控公路路面碾压系统。该系统主要包括卫星星座，GPS流动站以及监控中心三部分，系统的组成框架如下图：

图1 系统组成基本框架

此系统主要利用GPS技术，无线局域网等技术，通过产品后台向各个移动远端实时发送差分数据，并接受来自各个移动远端的位置信息，实现了产品后台服务系统和现场监控站的无线数据传输，实时获得施工场地工作面上的每个点的平面经纬度信息，根据每个数据点的经纬度信息，可以轻易的确定压路机在地球上的具体位置。

但是，相对于地球而言，公路施工的里程是比较短小的，为了保证数据使用的准确性，尽可能的降低系统误差，建立一个相对于施工公路的坐标系，将获取的GPS数据转化成公路坐标系下的数据，更加有利于数据的处理和保证监控的准确性。

1.2公路施工坐标系的建立

路面压实是公路施工中的重要环节，它直接影响到路面的压实度和平整度，进而直观影响公路质量。压实环节的工艺主要是由多台压路机在路面上协同作业，在碾压不同遍数后，达到所要求的碾压标准。具体操作如下：

由于相邻碾压车道每次碾压都会重叠20公分，所以为了防止压路机出现碰撞，在压路机群协同作业时，相邻碾压车道上不会同时施工。如图2，施工开始时，由1车首先进入车道1进行车道1的碾压；待1车退出车道1，然后进入车道2进行碾压并退出；然后1车进入车道3进行碾压，与此同时，2车进入车道1进行碾压；1车退出车道3后在空地待机，2车退出车道1后，再依次在车道2和车道3上进行碾压；在2车碾压车道3的同时3车进入车道1进行碾压；2车退出车道3后在空地待机，3车依次在车道2和车道3上进行碾压；…….以此类推，三台压路机协同作业，直至将规定遍数碾压完全，从而完成压实施工。

图2 碾压工艺流程

以三车道公路施工为例，为了数据处理方便起见，始终以车道1起始线为坐标系的x轴，以一车道的左边纵线为坐标系的y轴。从而建立公路施工坐标系，如图所示：

图3 公路施工坐标系

2．GPS信息的处理及转化

在实际施工过程中获取的GPS数据，需要经过过两次坐标系的转化，将原始数据转化成上述公路施工坐标系中的数据，才能进行统计和处理。

首先是将GPS数据转化成高斯投影坐标系下的数据，其投影的基本原理是:设想用一个椭圆柱横套在地球椭圆体外面,并与某一个子午线相切(此子午线称为中央子午线),椭圆柱中心轴通过地球椭圆体中心,将中央午线两侧一定经差(例如3°或1.5°)范围内的椭圆柱面沿着通过南极和北极的母线展开,就成了高斯投影平面。

高斯投影正算公式：

式中：B为投影点的大地纬度；=L-L₀，L为经度，L₀为轴子无线的大地经度；N为卯酉圈曲率半径；,;为椭球第二偏心率

这样便将GPS数据转化成高斯投影平面坐标系下的（X,Y）数据，其次是将高斯投影下的坐标系转化成公路施工坐标系，其模型可以表示为：

图4 平面转换模型

(注：公路施工坐标系，投影平面坐标系)

                        （2）

即：=

    =

式中： m为尺度参数，为旋转角度

平面转换模型属于二维直角坐标系的转换， 通过旋转以及平移便可获得压路机施工坐标系。

3压路机群碾压遍数算法

3.1压路机数据分析

结合上述转化，假设三车道施工长度分别是,,;振动压路机的型号1号，2号，3号三种，压路机轮宽为2m，碾压重合部分为20cm。则可建立平面坐标系为：

图5 公路施工平面坐标系

（（a）图为首次施工坐标，（b）为后续施工坐标）

GPS接收机接收数据的频率为每分钟5次，即每隔0.2秒便可接收一次压路机的位置信息，而每一个位置信息在经过转化后可在公路施工平面坐标系中形成一个位置点，在压路机工作过程中，这些点便能均匀的形成一条运动轨迹。

    为了精确统计每条车道的碾压遍数，需要将三条道路分别计算，现以车道1为例进行分析计算：

首先需要将三台压路机在车道1上的所有数据筛分出来，即将0≦x≦1.8，y≧0所有点筛分出来，再以时间为顺序依次排列在时间轴上（以9点施工为例），如下图：

图6 数据点时间分布图

如上图所示，车道1上的所有点，按照车型的不同聚集在不同的时间段，并且同一时间段内相邻两点的时间间隔总是0.2秒。但是由于相邻车道不能同时压实，压路机之间换道，所以在时间轴上便出现没有点的空白区域，即此时车道1上没有压路机施工。

现以时间轴为横轴，压路机距离起始点距离为纵轴，形成坐标系，如下：

图7 压路机位移-时间图

在实际施工过程中，情况是多变的，会出现一些突发状况或者事故，致使碾压工艺并不规范，这也会直接影响到公路质量，因此需要着重监测。如上图，2号车第一遍碾压并没有碾压到指定位置便返回；1号车第三遍碾压由于故障中途熄火一段时间等等，这些在进行算法计算时都应将其考虑在内。

3．2压路机碾压遍数算法

具体的示意流程图如下：

图8 方法流程图

①根据车道的不同，将所有数据分成三组，并将其分别输入到算法中。

②利用每个数据点的时间参数，筛选出相邻两个带你时间差大于0.2秒的点，另外筛选出起始点和终止点，即,,……。

③判断所求的,,……,是否属于区间（0，σ），若判断结果为是，则进行下一步，例如图7中的,,,,,,,，若判断结果为否，则将对应点删除，例如图7中的,。其中，判断区间在首次压实中，对于三个车道而言都是（0，σ）（如图5a），但是在后续压实中二，三车道起始点纵坐标分别是,,所以判断区间分别为（，+σ），（，+σ）（如图5b）。另外σ为压路机碾压距离的允许误差。

④以剩余的点为分界点，将同一车道生上的所有数据分割成不同的区间，，……..，如图6。

⑤逐一筛选出每个区间内数据纵坐标的最大值，max{,……,}。

⑥判断max{,……,}是否属于（-σ，+σ），若判断结果为是，则进行下一步，例如图7中的第1，3，4，5，6，7段；若判断结果为否，则区间无效，输出该区间车型及纵坐标，例如图7中的第2段。

⑦统计有效区间个数N及每个区间对应的车型。

⑧输出碾压遍数N及每个车型对应的碾压遍数。

4总结

本文针对当前GPS轨迹数据依靠人工观察方式的不足之处，提出了一种自动处理GPS数据计算出碾压遍数的方法，并基于该方法设计了一个完整系统用于自动收集GPS数据以及计算出压路机对道路碾压的遍数。

    该方法利用GPS技术代替人工监测，减轻了员工的工作负担，并且提高了监管质量。一方面，它不仅能够监测到中途熄火的事故，还能检测出压路机未碾压到指定位置便中途后退的情况，并将情况及时输出给监管员；另一方面，它不但能够输出每条车道的总碾压遍数，还能知晓不同型号的压路机的碾压遍数，使压实施工工艺更加准确清晰。

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