高速铁路路基压实质量连续检测系统和方法与流程

本发明涉及高铁路基技术领域，尤其涉及高速铁路路基压实质量连续检测系统和方法。

背景技术：

智能压实控制技术主要特征是根据路基压实状态的变化实现自动调节振动压实工作参数，它是在基于连续压实检测技术基础上发展起来的，不仅实现了路基压实质量的自动化检测，还致力于实现压路机工作参数的智能调节，目标是实现节能高效的碾压施工。从20世纪80年代至今，国外智能化振动能压路机技术已发生巨大发展，德国、瑞士、瑞典、美国、日本的一些压路机厂家都在智能压实控制方面进行了研究和探索。目前，国外振动压路机厂家在自动调节振动参数技术研究上已趋于成熟，可以实现无级调幅调频，并大量投入工程项目应用。国外厂家的智能压实控制系统对振动频率的反馈控制研究较少，而振动幅值的反馈控制研究方法基本一致，即为了避免振动轮发生跳振或摇摆，通过建立判断标准，用振动传感器监控振动轮的振动响应并分析，以此指导系统进行振幅调节使振动轮恢复稳定运行。目前国内自动化控制技术领域的研究成果相对比较先进，与国外自动化控制技术发展水平基本相当，可以采用液压系统实现对压路机振幅、振频以及行驶速度进行无级调节，但对于智能压实反馈系统的研究相对滞后，无法准确判断不同压实阶段对应的最优压实参数。部分高校及企业都曾先后投入力量进行智能压实技术的研发。

目前的智能系统主要通过在振动轮上安装加速度传感器，分析加速度与压实参数之间关系，进而达到控制路基压实质量的目的，但由于填料压实质量受填料颗粒组成、含水率等因素影响较大，而天然填料存在着填料颗粒级配及含水率变化的可能，这也就导致压路机振动参数与路基压实质量控制参数无法达到一一对应，因此，目前的智能连续压实控制系统存在进一步改进的要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种路基连续压实质量检测系统和方法，其通过在压路机上安装水分传感器及填料颗粒级配识别单元，引入了含水率控制指标，并能够识别现场填料的变化，方便对现场压实参数做及时调整，提高现场路基压实质量。

本发明采用如下的技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种高速铁路路基压实质量连续检测系统，包括采集装置、数据处理装置、显示装置、管理装置和中央控制装置；

所述采集装置安装于压路机上，用于采集信息，并将所采集的信息发送到数据处理装置进行处理和分析；

所述数据处理装置安装于压路机上，用于接收所述采集装置采集的信息，并对所述采集装置采集的信息进行处理和分析从而得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据判断路基压实质量；

所述显示装置安装于压路机上，用于将所述处理和分析后的数据显示出来；

所述管理装置基于上传到该管理装置的所述处理和分析后的数据，远程实时获得路基压实质量情况；

所述中央控制装置连接并控制所述采集装置、数据处理装置、显示装置和管理装置。

进一步的，所述采集装置包括定位单元、振动采集单元、级配识别单元和含水率检测单元；

所述定位单元用于采集路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

所述振动采集单元用于采集压路机振动轮的振动响应信息；

所述级配识别单元包括摄像头和图像识别器，所述摄像头与图像识别器连接，所述图像识别器对摄像头采集的路基表面图像进行识别，获得路基填料颗粒的级配信息；

所述含水率检测单元包括水分传感器，用于采集路基填料的含水率信息。

进一步的，所述数据处理装置通过数据线连接于所述定位单元，用于接收该路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

所述振动响应信息是振动压实值，所述数字处理装置通过数据线连接于所述振动采集单元，用于接收所述振动压实值；

所述数字处理装置通过数据线连接于所述级配识别单元，用于接收所述路基填料颗粒的级配信息，基于所述路基填料颗粒的级配信息获得所述填料的最大粒径、曲率系数、不均匀系数，并基于所述最大粒径、曲率系数、不均匀系数判断所述路基填料与相关性试验填料之间的级配的差异；

所述数据处理装置通过数据线连接于所述含水率检测单元，用于接收所述路基填料的含水率信息，并将该路基填料的含水率信息与路基填料的最佳含水率进行对比，得到该路基填料的含水率信息与最佳含水率的差值，基于所述差值判断是否需要对所述路基填料的相应位置洒水。

进一步的，所述数据处理装置用于获得所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关系数，当所述相关系数≥0.7时，所述振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关性成立，所述数据处理装置通过相关性试验填料的常规压实指标控制值确定振动压实目标值，并将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，判断该处路基是否碾压合格。

本发明的第二方面提供了一种高速铁路路基压实质量连续检测方法，采用所述的高速铁路路基压实质量连续检测系统进行检测，包括如下步骤：

采集装置采集信息，并将所采集的信息传送到数字处理装置；

数字处理装置接收所述采集装置采集的信息，对所述采集装置采集的信息进行处理和分析得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据判断路基压实质量；

将该处理和分析后的数据结果显示于显示装置上；

将该处理和分析后的数据上传到管理装置，远程实时掌握路基压实质量。

进一步的，所述采集装置采集信息的步骤包括：

定位单元采集路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

振动采集单元采集振动响应信息；

级配识别单元采集路基填料颗粒的级配信息；

含水率检测单元中的水分传感器采集路基填料的含水率信息。

进一步的，所述级配识别单元采集填料颗粒的级配信息的步骤包括：

摄像头采集路基表面的图像；

图像识别器对所述路基表面的图像进行识别，获取填料颗粒的级配信息。

进一步的，所述数字处理装置接收所述采集装置采集的信息，对所述采集装置采集的信息进行处理和分析得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据判断路基压实质量的步骤包括：

数据处理装置接收路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

数据处理装置接收所述路基填料的含水率信息，并将所述路基填料的含水率信息与路基填料的最佳含水率进行对比，得到所述路基填料的含水率与最佳含水率的差值，基于所述差值判断是否需要对所述检测位置的路基填料洒水，如果路基填料的含水率与最佳含水率的差值<-2％或路基填料的含水率与最佳含水率的差值>2％，则对所述检测位置的路基填料洒水，如果-2％≤路基填料的含水率与最佳含水率的差值≤2％，则不需要对所述检测位置的路基填料洒水；

数据处理装置接收所述路基填料颗粒的级配信息，并基于所述路基填料颗粒的级配信息获得所述路基填料的最大粒径、曲率系数、不均匀系数，并基于最大粒径、曲率系数、不均匀系数判断所述路基填料与相关性试验填料之间的级配信息的差异；

当0.8×相关性试验填料的曲率系数<路基填料的曲率系数<1.2×相关性试验填料的曲率系数、以及0.8×相关性试验填料的不均匀系数<路基填料的不均匀系数<1.2×相关性试验填料的不均匀系数，数据处理装置接收所述振动响应信息，所述振动响应信息是振动压实值，数据处理装置获得所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关系数，当所述相关系数≥0.7时，所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关性成立，所述数据处理装置通过相关性试验填料的常规压实指标控制值确定振动压实目标值，数据处理装置将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，判断所述检测位置的路基是否碾压合格。

进一步的，所述数据处理装置接收所述振动响应信息，所述振动响应信息是振动压实值，数据处理装置获得所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关系数的步骤包括：

在高、中、低三个不同的压实程度区间，提取所述检测位置的多个振动压实值与多个常规压实指标值的检测数据；其中高压实程度是：压实系数>90％、中压实程度是：80％<压实系数≤90％、低压实程度是：70％<压实系数≤80％。

进一步的，所述数据处理装置将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，判断所述检测位置的路基是否碾压合格的步骤包括：

将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，如果检测的振动压实值≥振动压实目标值，则所述检测位置的路基碾压合格；如果检测的振动压实值<振动压实目标值，则所述检测位置的路基碾压不合格，压路机重新进行碾压。

综上所述，本发明提供了一种路基连续压实质量检测系统和方法，该系统包括采集装置、数据处理装置、显示装置、管理装置和中央控制装置，该采集装置包括振动采集单元、级配识别单元、含水率检测单元和定位单元；该方法包括采集装置采集信息并将所采集的信息传送到数字处理装置，数字处理装置对所采集的信息进行处理和分析,得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据，控制压路机压实参数调整，从而提高路基压实质量。本发明提出了一种新的路基压实质量振动、级配、含水率连续检测系统和方法，其通过在压路机及压实轮上安装填料颗粒级配识别单元及水分传感器，提出了一种更为精确的路基连续智能压实检测系统和方法，方便对现场压实参数做及时调整，提高现场路基压实质量。

与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：

(1)本发明通过在压路机上安装水分传感器，引入了含水率控制指标，能更好的控制现场路基压实质量；

(2)本发明通过在压路机上安装图像识别器，能够识别现场路基填料的变化，方便对现场压实参数做及时调整，能更为精准的控制现场路基压实质量。

附图说明

图1是本发明的高速铁路路基压实质量连续检测系统的示意图；

图2是本发明的高速铁路路基压实质量连续检测方法的流程图；

图3是本发明的采集装置采集信息的方法的流程图；

图4是本发明的具体实施例中的振动压实值与常规压实指标值之间的关系图；

图5是本发明的具体实施例中的同一条碾压道上振动压实值随碾压遍数增加而变化的曲线图；

图6是本发明得具体实施例中的路基压实程度、均匀性以及稳定性平面分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

技术术语解释：

路基：经开挖或填筑而形成的直接支承轨道结构的土工结构物。

地基系数k30：通过试验测得的直径30cm荷载板下沉1.25mm时对应的荷载强度与其下沉量的比值。

振动压实值vcv：基于振动压路机在碾压过程中振动轮竖向振动响应信号分析所建立的反映路基压实状态的指标。

相关系数：统计中常用相关系数来衡量两个变量之间的线性相关强弱，当xi不全为0、yi也不全为0时，两个变量的相关系数的计算公式是：

压实程度平面图：反馈路基振动压实值合格面积占总面积的比例。

本发明的一方面提供了一种路基连续压实质量检测系统，如图1所示，包括：采集装置100、数据处理装置200、显示装置300、管理装置400和中央控制装置，该采集装置100、数据处理装置200、显示装置300均设置于压路机上，采集装置100通过数据线与数据处理装置200连接，数据处理装置200通过数据线与显示装置300连接，管理装置400和中央控制装置可以放置在任何位置，只要方便该管理装置400和中央控制装置的操作即可。中央控制装置连接并控制所述采集装置100、数据处理装置200、显示装置300和管理装置400。

如图1所示，该采集装置100包括定位单元110、振动传感器120、级配识别单元130、含水率检测单元140。

该定位单元110用于采集路基的检测位置信息和填筑厚度信息，具体的，该定位单元110安装在压路机上，通过北斗定位系统采集压路机行驶位置信息和填筑厚度信息，从而对路基的检测位置进行准确定位。

该振动传感器120用于采集压路机的振动响应信息，该振动响应信息可以是振动压实值。具体的，振动传感器120可以包括加速度传感器，该加速度传感器安装在压路机振动轮上，加速度传感器检测方向与压路机振动轮轮轴方向垂直、并垂直于路面，加速度传感器用于采集压路机振动轮的振动加速度，通过对振动加速度波形、幅值的分析，从而得到振动压实值。为了安装牢固，在振动碾压时不致松动，将加速度传感器焊接到压路机振动轮机架上。

该级配识别单元130包括摄像头131和图像识别器132，该摄像头131和该图像识别器132安装在压路机上，该摄像头131用于采集路基表面的图像，该图像识别器132用于对该摄像头131采集的路基表面的图像进行识别，从而获取填料颗粒的级配信息。

该含水率检测单元140包括水分传感器，该水分传感器安装在压路机的压实轮上，用于检测路基填料的含水率。

数据处理装置200固定于压路机操作室内，用于接收采集装置100所采集的上述振动加速度信息、填料颗粒的级配信息、路基土样的含水率信息与路基填料的含水率信息、以及路基的检测位置信息和填筑厚度信息，并对所采集的信息进行处理和分析，得到处理和分析后的数据；数据处理装置200通过数据线连接显示装置300，使压路机操作人员可以直接观察到通过数据处理装置200处理和分析后的数据，从而实时观察到路基压实情况。

具体的，该数据处理装置200用于接收该振动传感器120获得的振动压实值。

具体的，该数据处理装置200用于接收该级配识别单元130采集的填料颗粒的级配信息，所述数字处理装置200通过数据线连接于所述级配识别单元130，用于接收所述路基填料颗粒的级配信息，基于所述路基填料颗粒的级配信息获得所述填料的最大粒径、曲率系数、不均匀系数，并基于所述最大粒径、曲率系数、不均匀系数判断所述路基填料与相关性试验填料之间的级配的差异。

具体的，该数据处理装置200用于接收该水分传感器采集的路基填料的含水率信息，并将该路基填料的含水率信息与路基填料的最佳含水率进行对比析，得到所述路基填料的含水率与最佳含水率的差值，基于所述差值判断是否需要对所述检测位置的路基填料洒水。

如果所述路基填料的含水率与最佳含水率的差值大于等于±2％，则对所述检测位置的路基填料洒水，晾干后进行下一步碾压工作，如果所述路基填料的含水率与最佳含水率的差值小于±2％，则不需要洒水。

具体的，该数据处理装置200用于接收该定位单元110采集的路基检测的位置信息和填筑厚度信息。

进一步的，通过该数据处理装置200进行相关性试验，建立连续压实指标(振动压实值vcv)检测结果与相关性试验填料的常规压实指标检测结果(地基系数k30)之间的相关关系，然后通过常规压实指标控制值确定连续压实指标中的振动压实目标值，该振动压实目标值为后续路基段压实检测提供对照标准。

具体的，通过连续压实检测和常规压实检测，在高(压实系数>90％)、中(80％<压实系数≤90％)、低(70％<压实系数≤80％)三个不同的路基压实程度区间，提取路基上的任意检测位置的多个振动压实值vcv与多个地基系数k30检测数据，获得振动压实值vcv与地基系数k30之间的相关系数，当相关系数≥0.7时相关性成立，通过常规压实指标控制值确定振动压实目标值作为后续检测的控制指标。

进一步的，通过该数据处理装置200将连续压实检测所实时检测的振动压实值与振动压实目标值进行对比，从而判断该处路基是否碾压合格。

根据数据处理装置200的数据处理和分析结果，以及定位单元110采集的路基的位置信息和填筑厚度信息，最终得到路基压实程度、均匀性以及稳定性平面分布图,全面反映路基的压实质量。如果95％个点的振动压实值均大于目标值，则碾压合格，否则对欠压部位，压路机进行补压，对于已经达到压实标准的部分不再继续碾压，避免进一步压实过度。

将该数据处理装置200的数据处理和分析结果显示于压路机的显示装置300上，操作人员能够根据显示结果合理调整压路机的现场工作参数，影响路基振动压实效果的主要压路机工作参数为振动幅值、振动频率和行驶速度。

管理装置400分为数据上传单元及数据查询处理单元。通过数据上传及数据查询处理，可远程实时掌握路基压实质量情况，并为后期路基质量智能管理提供基础数据。

数据上传单元用于上传通过数据处理装置处理完成的数据；

所述数据查询处理单元用于查询和处理所述上传的通过数据处理装置处理完成的数据，从而获得路基压实质量数据；

根据所述路基压实质量数据，智能控制所述路基压实质量。

综上为本发明的路基连续压实质量检测系统的详细描述。

本发明的第二方面提供了一种路基连续压实质量检测方法，采用如前所述的路基连续压实质量检测系统进行检测，包括如下步骤，如图2所示：

步骤s100,采集装置采集信息，并将所采集的信息传送到数字处理装置。

具体的，所述采集装置采集信息包括如下步骤，如图3所示：

步骤s110,定位单元采集路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

具体的，采集装置中的定位单元通过北斗定位系统采集压路机行驶位置信息和填筑厚度信息，从而对路基的检测位置进行准确定位。

步骤s120,振动采集单元采集振动响应信息；

具体的，该振动响应信息可以是振动压实值。

具体的，该振动采集单元可以为振动传感器，该振动传感器包括加速传感器，该加速度传感器采集压路机振动轮的振动加速度，从而得到振动压实值。

步骤s130,级配识别单元采集路基填料颗粒的级配信息；

具体的，级配识别单元采集填料颗粒的级配信息的步骤包括：

步骤s131，摄像头采集路基表面的图像；

步骤s132,图像识别器对所述路基表面的图像进行识别，获取填料颗粒的级配信息。

步骤s140,含水率检测单元中的水分传感器采集路基填料的含水率信息。

步骤s200,数字处理装置接收所述采集装置采集的信息，对所述采集装置采集的信息进行处理和分析得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据判断路基压实质量。

具体的，包括如下步骤：

步骤s210,数据处理装置接收路基检测的位置信息和填筑厚度信息；

步骤s220,数据处理装置接收所述路基填料的含水率信息，并将所述路基填料的含水率信息与路基填料的最佳含水率进行对比，得到所述路基填料的含水率与最佳含水率的差值，基于所述差值判断是否需要对所述检测位置的路基填料洒水，如果路基填料的含水率与最佳含水率的差值<-2％或路基填料的含水率与最佳含水率的差值>2％，则对所述检测位置的路基填料洒水，如果-2％≤路基填料的含水率与最佳含水率的差值≤2％，则不需要对所述检测位置的路基填料洒水；

具体的，当该差值<-2％或该差值>2％，则对路基进行洒水，晾干后进行下一步碾压工作。

步骤s230,数据处理装置接收所述路基填料颗粒的级配信息，并基于所述路基填料颗粒的级配信息获得所述路基填料的最大粒径、曲率系数、不均匀系数，并基于最大粒径、曲率系数、不均匀系数判断所述路基填料与相关性试验填料之间的级配信息的差异；

步骤s240,当0.8×相关性试验填料的曲率系数<路基填料的曲率系数<1.2×相关性试验填料的曲率系数、以及0.8×相关性试验填料的不均匀系数<路基填料的不均匀系数<1.2×相关性试验填料的不均匀系数，数据处理装置接收所述振动响应信息，所述振动响应信息是振动压实值，数据处理装置获得所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关系数，当所述相关系数≥0.7时，所述检测位置的振动压实值与相关性试验填料的常规压实指标值之间的相关性成立，所述数据处理装置通过相关性试验填料的常规压实指标控制值确定振动压实目标值，数据处理装置将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，判断所述检测位置的路基是否碾压合格；

通过该数据处理装置进行相关性试验，建立连续压实指标(振动压实值vcv)检测结果与相关性试验填料的常规压实指标检测结果(地基系数k30)之间的相关关系，然后通过常规压实指标控制值确定连续压实指标中的振动压实目标值，该振动压实目标值为后续路基段压实检测提供对照标准。

具体的，在高(压实系数>90％)、中(80％<压实系数≤90％)、低(70％<压实系数≤80％)三个不同的压实程度区间，提取该区域内的多个振动压实值vcv与多个地基系数k30的检测数据；获取所述振动压实值vcv与所述地基系数k30的相关系数；当所述相关系数≥0.7时相关性成立，数据处理装置通过地基系数k30的控制值确定振动压实目标值；将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，如果检测的振动压实值≥振动压实目标值，则所述检测位置的路基碾压合格；如果检测的振动压实值<振动压实目标值，则所述检测位置的路基碾压不合格，压路机重新进行碾压。

在采用压实实时检测系统进行压实质量检测时，必须将振动压实值与已被认可作为压实质量评定的压实度或力学指标数值进行回归分析，根据压实密度要求或力学指标要求确定振动压实值的合理目标值或目标值区间，从而判断检测结果，评价压实程度。

根据数据处理装置的数据处理和分析结果，以及定位单元采集的路基的位置信息和填筑厚度信息，最终得到路基压实程度、均匀性以及稳定性平面分布图,全面反映路基的压实质量。对于欠压部位，压路机进行补压，对于已经达到压实标准的部分不再继续碾压，避免进一步压实过度。

步骤s300,将该处理和分析后的数据结果显示于显示装置上。

步骤s400，将该处理和分析后的数据上传到管理装置，远程实时掌握路基压实质量。

管理装置分为数据上传单元及数据查询处理单元。

具体的，通过管理系统中的数据上传系统上传数据，通过数据查询处理系统对数据进行查询和处理，从而能够远程实时掌握路基压实质量，并为后期路基质量智能管理提供基础数据。

下面以一个具体的实施例，对本发明的路基连续压实质量检测系统和方法进行进一步的说明。

采集装置采集位置信息、填筑厚度信息、压路机振动轮的振动压实值、路基填料颗粒的级配信息、路基填料的含水率信息，数字处理装置对采集的信息进行处理和分析。如图5所示，为同一条碾压道上振动压实值随碾压遍数增加而变化的曲线图，其中第1～第4遍压路机为弱振，第5～第11遍压路机为强振。由图5可知，第3遍、第4遍的连续压实检测曲线已经十分接近，说明该种填料在该压路机弱振模式下已经很难再进一步压实；第5遍开始改用强振，每一遍压实后振动压实值vcv有较大增长，但随着碾压遍数的增加，振动压实值vcv增长幅度变小。由于填料的不均匀性，在碾压后期振动压实值的不均匀性也表征的更加明显。

在压实系数为96％、压实系数为85％、压实系数为72％三个不同的压实程度区间，提取该区域内的多个振动压实值vcv与多个地基系数k30的检测数据，进行回归分析，获取多个振动压实值vcv与多个地基系数k30的相关系数，如图4所示，相关系数是0.82，即相关系数大于0.7，则振动压实值vcv和地基系数k30的相关性成立，数据处理装置通过地基系数k30的控制值确定振动压实目标值，将检测的振动压实值与所述振动压实目标值进行对比，如果检测的振动压实值≥振动压实目标值，则路基碾压合格；如果检测的振动压实值<振动压实目标值，则路基碾压不合格，压路机重新进行碾压。如图6所示，为最终得到的路基压实程度、均匀性以及稳定性平面分布图。

综上所述，本发明提供了一种路基连续压实质量检测系统和方法，该系统包括采集装置、数据处理装置、显示装置、管理装置和中央控制装置，该采集装置包括振动采集单元、级配识别单元、含水率检测单元和定位单元；该方法包括采集装置采集信息并将所采集的信息传送到数字处理装置，数字处理装置对所采集的信息进行处理和分析,得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据，控制压路机压实参数调整，从而提高路基压实质量。本发明提出了一种新的路基压实质量振动、级配、含水率连续检测系统和方法，其通过在压路机及压实轮上安装填料颗粒级配识别单元及水分传感器，提出了一种更为精确的路基连续智能压实检测系统和方法，方便对现场压实参数做及时调整，提高现场路基压实质量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。