基于物联网、北斗导航系统与5G技术的沥青混凝土路面施工数字化监控系统框架研究报告
一、 主要作者、机构与发表信息 本研究由来自多个高校与企业的学者和工程师合作完成。主要作者包括：第一作者兼通讯作者为长安大学经济与管理学院的张静晓（Jingxiao Zhang）；西南石油大学土木工程与测绘学院的朱喆（Zhe Zhu）和刘洪永（Hongyong Liu）；阿德莱德大学建筑与建成环境学院的左剑（Jian Zuo）；悉尼科技大学建成环境学院的柯永建（Yongjian Ke）；伦敦南岸大学工程学院的Simon P. Philbin；中国路桥工程有限公司的周振东（Zhendong Zhou）和冯云龙（Yunlong Feng）；以及华西集团安装工程有限公司的倪其昌（Qichang Ni）。该研究成果以题为“System framework for digital monitoring of the construction of asphalt concrete pavement based on IoT, Beidou navigation system, and 5g technology”的论文形式，发表于学术期刊《Buildings》2023年第13卷第2期（论文编号503），出版日期为2023年2月13日。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于土木工程、道路工程与信息技术交叉领域，具体聚焦于基础设施建设的数字化、智能化施工监控技术。沥青混凝土路面作为高等级公路的重要组成部分，其施工质量直接决定了路面的使用寿命和服役性能。然而，传统的施工监控方法存在反馈滞后、依赖人工、数据不准确、监控范围有限（通常只关注摊铺或压实等单一环节）等问题，导致难以对沥青混合料从生产、拌和、运输、摊铺到压实的全生命周期过程进行有效、实时、全面的质量控制。这些监控盲点和数据断层是造成路面早期损坏（如车辙、裂缝等）的重要原因之一。
随着物联网（IoT）、北斗卫星导航系统（BDS）、5G通信等新一代信息技术的快速发展，为构建覆盖施工全过程的数字化监控系统提供了技术可能。已有研究尝试将GPS、智能压实、无人机遥感等技术应用于路面施工监控，但大多局限于特定环节，未能实现全流程的数据贯通与集成管理。因此，本研究旨在解决现有研究的不足，构建一个集成化的、覆盖沥青混凝土路面施工全过程的数字化监控系统框架。其核心目标是：通过整合物联网、北斗高精度定位和5G高速传输技术，实现对沥青混合料生产、拌和、运输、摊铺、压实五个关键阶段的实时、动态、协同监控，从而提升施工质量的透明化、可追溯性和智能化管理水平，最终保障并提高沥青路面的整体建设质量。
三、 详细研究流程与方法 本研究采用了一种结合定性分析与系统开发、并通过案例验证的综合性研究流程，主要包括四个阶段：初始问题界定、系统框架设计与开发、系统测试与改进、以及实际工程应用验证。
第一阶段：初始问题界定（基于半结构化访谈） 为了精准定位当前沥青路面施工监控的目标、障碍与改进方向，研究团队采用了半结构化访谈法。研究团队从质量监控单位、系统开发单位、施工单位、勘察单位中，依据工作年限、单位类型、年龄、专业背景和职位等级等标准，分层抽样选取了25名从业者或管理者作为访谈对象。访谈提纲围绕两大主题展开：一是沥青路面数字化监控的现状（目标、难点、现有方法问题等），二是对拟开发系统的功能需求与期望效益。
访谈记录使用NVivo 12 Pro软件进行定性数据分析。分析结果明确了三大核心发现： 1. 系统目标：首要目标是提高沥青路面的施工质量，减少因施工工艺不当导致的早期损坏，从而延长路面寿命，降低维护成本。 2. 实施障碍：主要包括（a）技术障碍：现有监控范围狭窄、数据关联性差、传输延迟、数据处理困难（如质量问题难以溯源）；（b）人员障碍：施工人员缺乏操作现代化监控系统的专业知识和技能。 3. 改进方向：受访者强烈建议开发一个集成化的单一系统，能够对混合料从生产到压实的全过程进行实时监控，并实现各环节数据的实时联动与追溯。同时，需要加强人员培训。
第二阶段：系统框架设计与构建 基于访谈结果，研究团队提出了一个“1+5”模式的沥青混凝土路面施工全过程数字化监控系统框架。 * “1”：指一个数据管理系统。这是系统的核心大脑，负责接收、存储、处理、关联和展示来自五个子系统的所有监控数据，实现业务集成与质量数据的全流程标准化、可视化及责任可追溯。 * “5”：指五个覆盖施工全链条的监控子系统： * 沥青材料生产监控系统：监控原材料配比（基质沥青、改性剂、稳定剂、油石比、级配）、设备温度、以及生产过程中的能耗与碳排放。 * 沥青混合料拌和监控系统：在拌合站安装传感器（如SBW系列温度变送器、Mettler Toledo IND系列称重传感器），实时监控料仓集料重量、拌合温度、出料温度等关键参数，并通过5G网络传输至数据处理中心进行分析与预警。 * 沥青混合料运输监控系统：集成北斗定位模块和射频识别（RFID）技术，实时追踪运输车辆轨迹、运输时间；通过温度传感器监控混合料在途温度；设置电子围栏防止车辆偏离预定路线。 * 沥青混合料摊铺监控系统：在摊铺机上安装支持北斗的GNSS定位板（采用载波相位差分RTK技术，实现厘米级定位），实时监控摊铺轨迹、速度、里程；利用红外温度传感器绘制摊铺面温度变化图，控制温度离析。 * 沥青混合料压实监控系统：在压路机上集成北斗定位组件、温度传感器和振动传感器，实时采集碾压轨迹、速度、遍数、碾压面温度和振动频率等数据，并通过车载显示终端指导司机作业。
系统架构分为三层： 1. 数据采集层：利用物联网传感器、北斗导航系统等硬件设备，采集各施工环节的关键参数。 2. 数据传输层：采用5G无线通信网络进行数据传输。研究特别对比了5G与4G的关键技术指标，指出5G具有低延迟（毫秒级）、高速率（较4G提升10-100倍）、大连接等特性，能满足施工过程中海量数据（如高清视频）实时、高效传输的需求。 3. 应用层：包括数据管理系统和各个业务监控子系统，通过Web端和App端为用户提供项目管理、施工监控等功能服务。
第三阶段：系统开发与案例研究验证 研究团队与国内一家软件公司合作，基于上述框架开发了“沥青路面施工智能监控平台”，并将其应用于一个实际的数字化高速公路建设项目（具体为K63至K67标段）进行验证。
各子系统在案例中的具体实施与测试如下： * 数据管理系统：成功实现了各子系统数据的实时联动。例如，能够将每批运输的混合料与其对应的拌和生产批次、摊铺桩号位置、压实数据直观关联，并支持历史数据追溯与播放。系统提供了集中预警功能，能自动关联各环节的预警数据。 * 生产监控系统：监控了原材料配比，确保了改性沥青质量；通过设备温度监控及时报警并采取降温措施；对骨料生产和矿粉材料生产阶段的能耗与碳排放进行了监测和计算。 * 拌和监控系统：在拌合站安装了指定传感器，自动记录料仓集料重量、温度等数据并生成监测报告，通过5G通道传输至数据管理系统。 * 运输监控系统：成功绘制了运输车辆的历史轨迹回放路线图，通过RFID记录了混合料出站、开始摊铺的时间，并利用电子围栏对车辆越界行为进行了报警。 * 摊铺监控系统：利用GNSS定位和红外测温，实时监控了摊铺速度、里程和温度，数据通过5G网络打包回传，并通过现场LED屏动态显示施工信息。 * 压实监控系统：在压路机上安装监测装置，采集了碾压遍数、速度、轨迹、温度、振动频率等数据。数据管理系统根据采集的数据绘制了压实度曲线，并建立了振动碾压过程中压实度与二次共振频谱的关系，用红、黄、蓝三色标定路面压实度，直观指导施工。
第四阶段：数据分析与结果总结 研究团队收集并分析了系统在案例项目应用过程中产生的监控数据与运行效果，用以验证系统的有效性和价值。
四、 主要研究结果 通过在实际工程项目中的部署与应用，该数字化监控系统框架及其对应的智能监控平台取得了显著的效果，具体数据与结果如下：
实现了施工数据的集中监管与全流程追溯：系统完成了9380条原材料数据的数字化存储，为工程质量追溯提供了数据支撑。数据管理系统成功地将拌合站生产数据、车辆运输数据、摊铺与压实数据实时联动，实现了“批号-车辆-桩号-工艺参数”的一一对应，彻底改变了以往各环节数据孤岛的状态。
建立了基于实时监控的施工过程预警管理体系：系统在运行期间，累计产生了大量预警数据，包括：压实不达标预警数据954条，沥青参数不合格数据102条，混凝土参数不合格数据39,896条。这些实时预警使得现场管理人员能够第一时间发现并纠正施工偏差，将质量问题消灭在萌芽状态，显著提升了过程控制能力。
提升了工程监管效率并降低了管理成本：
验证了“1+5”系统框架与技术集成的可行性：案例研究证实，将物联网传感技术、北斗高精度定位技术和5G高速通信技术深度融合，能够有效支撑对沥青路面施工全链条、多参数、高频率的监控需求。北斗系统提供了精确的时空基准，5G网络保障了海量监控数据（特别是视频和定位数据）的低延迟、高可靠传输，物联网传感器则实现了物理世界关键参数的数字孪生。
五、 研究结论与价值 本研究成功构建并验证了一个基于物联网、北斗导航系统和5G技术的沥青混凝土路面施工全过程数字化监控系统框架。该框架创新性地采用了“1+5”模式，即一个中心数据管理平台联动五个覆盖生产、拌和、运输、摊铺、压实环节的监控子系统，实现了施工全生命周期信息的传递与融合。
研究的价值体现在： * 理论价值：提出了一个完整的、可操作的数字化施工监控系统架构，为解决工程建设中数据应用不畅、信息割裂的问题提供了理论模型和实践路径，推动了信息技术与传统土木工程建设的深度融合。 * 应用价值： * 提升质量：通过全过程、实时、可追溯的监控，从根本上提升了沥青路面的施工质量，有助于延长路面使用寿命，减少后期养护费用。 * 提高效率：数字化、智能化的监控手段替代了大量人工巡查和记录工作，显著提高了施工管理效率。 * 降低成本：通过预警避免返工、优化资源配置、减少纸质文档等方式，直接降低了工程成本和项目管理成本。 * 促进转型：该研究符合中国建筑业数字化、智能化转型的方向，为“智慧工地”和“数字公路”的建设提供了具体的技术解决方案和案例参考。
六、 研究亮点 1. 全过程覆盖的创新性：不同于以往只关注单一或少数施工阶段的研究，本研究首次系统性地提出了覆盖沥青混合料从“生产”到“压实”全链条五个核心阶段的集成化监控框架，实现了施工质量的闭环管理。 2. 技术融合的先进性：创造性将中国自主的北斗导航系统与前沿的5G通信技术深度融合应用于道路施工监控场景。利用北斗实现高精度定位与双向通信，利用5G解决海量监控数据实时传输的瓶颈，体现了多技术协同创新的优势。 3. 数据驱动的管理理念：核心构建的“数据管理系统”不仅是一个数据看板，更是一个实现各环节数据实时联动、业务集成和智能预警的中枢。它体现了以数据为核心、实现流程可视化与责任可追溯的现代工程管理思想。 4. 基于实证的需求分析：研究起点并非直接技术设计，而是通过科学的半结构化访谈，从行业一线从业者中提炼出真实的需求、痛点与改进方向，确保了所构建的系统框架具有强烈的实践针对性和应用价值。 5. 完整的“框架-开发-验证”研究闭环：研究不仅提出了理论框架，还联合企业进行了系统开发，并最终在一个真实的高速公路项目中进行了全面应用与效果评估，形成了从理论到实践再到反馈的完整研究链条，结论可信度高。
七、 其他有价值内容与未来方向 研究在讨论部分对比了已有文献，指出本研究框架相较于Liu Donghai的多压路机压实监控框架、Ma Xianyong的机场道面健康监测框架、Chen和Shu-yang的数据驱动管理平台等，在监控阶段的完整性和数据集成度上更具优势。同时，与Ma Zi-yuan提出的集成类似技术的动态质量监控系统相比，本研究框架不仅涵盖了五个施工阶段，还特别强调了数据管理系统的核心枢纽作用，实现了更高效的业务集成。
作者在结论中也指出了未来研究方向：（1）进一步降低系统对人工操作的依赖，例如实现设备温度过高时的自动降温等智能闭环控制；（2）需要对系统的长期运行性能进行持续监测和评估研究。这些方向为后续研究的深化指明了路径。