智能壓實(shí)技術(shù)的研究進(jìn)展

吳金?！■脻扇A　徐光輝

0 引言

對(duì)于鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)和壩體等諸多填筑工程而言，決定其工程質(zhì)量的關(guān)鍵要素是優(yōu)良的填料和充分的碾壓。在填料一定的情況下，如何進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制是該領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。自從1976年瑞典提出利用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓過程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的畸變程度進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)的壓實(shí)計(jì)方法以來，這類利用振動(dòng)壓路機(jī)為工具的檢測(cè)與控制方法在歐洲得到了很好的發(fā)展，并于20世紀(jì)90年代出現(xiàn)連續(xù)壓實(shí)控制（CCC）的概念。2000年智能壓實(shí)（IC）思想被提出，但沒有太多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。近年來，智能壓實(shí)的概念被許多人曲解，隨意將與壓實(shí)機(jī)具結(jié)合的、能夠采集某些參數(shù)的量測(cè)設(shè)備（實(shí)際是信息化或數(shù)字化施工設(shè)備）統(tǒng)稱為智能壓實(shí)系統(tǒng)，不但誤導(dǎo)了建設(shè)單位和施工單位等用戶，也對(duì)智能壓實(shí)量測(cè)系統(tǒng)的研制和開發(fā)造成誤導(dǎo)，偏離了智能壓實(shí)的原本發(fā)展方向。

本文從填筑工程質(zhì)量的需求出發(fā)，探討智能壓實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能、及其構(gòu)建難點(diǎn)等問題，希望引起廣泛重視和討論，使智能壓實(shí)的研發(fā)和應(yīng)用能夠回到正確的道路上來。

1 連續(xù)壓實(shí)控制向智能壓實(shí)的演變

智能壓實(shí)是根據(jù)連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的“智能壓路機(jī)”而提出的概念，因此連續(xù)壓實(shí)控制是智能壓實(shí)（控制）的基礎(chǔ)。自從20世紀(jì)瑞典提出壓實(shí)計(jì)方法以來，北歐其他一些國(guó)家也按照這一思路展開了研究。隨著研究和應(yīng)用的深入，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)由開始的單一仿制壓實(shí)計(jì)，到逐漸出現(xiàn)了幾種具體方法（控制指標(biāo)的差異是關(guān)鍵），其中德國(guó)BOMAG公司的研究后來居上，成為智能壓實(shí)概念的早期提出者之一。

1982年，德國(guó)BOMAG公司仿瑞典壓實(shí)計(jì)方法提出了自己的壓實(shí)計(jì)產(chǎn)品（指標(biāo)是壓實(shí)計(jì)值CMV的10倍）。將測(cè)量系統(tǒng)引入振動(dòng)壓路機(jī)后，于1992年在bauma會(huì)議展出了“智能壓實(shí)機(jī)（ICM）”的首個(gè)雛形。通過安裝的位移傳感器，可以根據(jù)碾壓面壓實(shí)狀態(tài)的不同反饋來控制壓路機(jī)的行走速度（實(shí)際是改變單位長(zhǎng)度上的作用次數(shù)），這使得振動(dòng)壓路機(jī)第一次有了一些“智能”的含義；1996年出現(xiàn)了具有自動(dòng)變幅的雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，并在瀝青面上進(jìn)行了碾壓嘗試；1998年具有自動(dòng)變幅的單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)在巖土填料的碾壓中進(jìn)行了嘗試。

隨著研究和工程應(yīng)用的深入，連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)是否能真實(shí)放映填筑體的壓實(shí)質(zhì)量已成為關(guān)注的焦點(diǎn)，這也是影響智能反饋控制的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。BOMAG公司在2000年后提出連續(xù)壓實(shí)控制的振動(dòng)模量指標(biāo)，為研究具有自動(dòng)反饋控制的“智能”壓路機(jī)提供了基礎(chǔ)，隨后出現(xiàn)了“寶馬智多星”壓路機(jī)。2004年，美國(guó)聯(lián)邦公路局公布“FHWA智能壓實(shí)戰(zhàn)略計(jì)劃”，推進(jìn)了智能壓實(shí)概念的普及。這一計(jì)劃主要是利用計(jì)算機(jī)、模型和革新軟件將土和瀝青的壓實(shí)設(shè)備智能化，以改善工序，使路面性能更均勻，減少試驗(yàn)人員數(shù)量，提供一個(gè)長(zhǎng)期的壓實(shí)質(zhì)量記錄。這個(gè)計(jì)劃將建立一套系統(tǒng)的方法，鼓勵(lì)工業(yè)和交通部門發(fā)展智能壓實(shí)技術(shù)，更新相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)等。美國(guó)提出的智能壓實(shí)主要是指連續(xù)壓實(shí)控制與GPS的結(jié)合。

國(guó)內(nèi)有關(guān)研制“智能”壓路機(jī)的報(bào)道，并非廣告語所描繪的那樣，也沒有見到實(shí)際應(yīng)用的效果。原因可能是多方面的，但量測(cè)結(jié)果與實(shí)際壓實(shí)效果之間誤差過大而造成反饋控制出現(xiàn)問題恐怕是主要原因之一。

連續(xù)壓實(shí)控制是智能壓實(shí)的初級(jí)階段和技術(shù)基礎(chǔ)。“智能”一詞現(xiàn)在已被各行各業(yè)廣泛提及，但大部分還都處于初級(jí)階段，距離人們心目中的智能要求還差很遠(yuǎn)。

2 智能壓實(shí)的含義

智能壓實(shí)是從早期智能壓路機(jī)的概念演變而來的，實(shí)際是智能壓實(shí)控制（ICC）的簡(jiǎn)稱，也是連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。按照最初的含義，智能壓實(shí)是通過一個(gè)帶有控制系統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。該控制系統(tǒng)通過采集到的能夠反映壓實(shí)質(zhì)量的信息來持續(xù)調(diào)節(jié)壓路機(jī)性能參數(shù)，如振動(dòng)輪的振幅、頻率、激振力和壓路機(jī)的行走速度等，以優(yōu)化壓實(shí)并滿足所需條件[2]。其中輸出參數(shù)是與填筑體壓實(shí)質(zhì)量直接相關(guān)的參數(shù)，如模量、剛度及抗力等，并且是根據(jù)監(jiān)測(cè)的壓路機(jī)振動(dòng)輪振動(dòng)響應(yīng)等來識(shí)別得到的連續(xù)分布的物理力學(xué)量。

可以看出，所謂智能壓實(shí)，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)壓路機(jī)振動(dòng)響應(yīng)來連續(xù)識(shí)別填筑體力學(xué)參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)大小和分布自動(dòng)調(diào)節(jié)壓路機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化壓實(shí)作業(yè)，以便得到更好的壓實(shí)效果[3]。其含義并不難理解，但遺憾的是，目前大多數(shù)所謂的“智能壓實(shí)”都偏離了這個(gè)目標(biāo)。很多人曲解智能壓實(shí)的概念，將填筑體（土石方和瀝青混合料等）碾壓施工的數(shù)字化施工記錄裝置稱作智能壓實(shí)系統(tǒng)。這類裝置一般都加裝了衛(wèi)星定位系統(tǒng)，有些還將壓實(shí)計(jì)也整合在內(nèi)，其主要特征是以采集和記錄碾壓遍數(shù)、碾壓速度和振動(dòng)頻率等參數(shù)為主，對(duì)于瀝青混合料還要采集碾壓溫度。由于壓實(shí)計(jì)指標(biāo)局限性較大，所以這類裝置很少提及識(shí)別壓實(shí)質(zhì)量本身的問題，而過多地強(qiáng)調(diào)高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)的作用，與真正的智能壓實(shí)有很大差別，沒有體現(xiàn)出真正的“智能”含義。同時(shí)，采用高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不管是GPS還是北斗系統(tǒng)，連續(xù)采集關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的高精度地理坐標(biāo)信息還存在很大的泄密風(fēng)險(xiǎn)，有可能給國(guó)家安全帶來巨大的隱患。

當(dāng)然，這里并不是完全否定上述數(shù)字化施工方法。實(shí)際上，數(shù)字化施工方法主要是壓實(shí)工藝控制法（碾壓遍數(shù)控制法）的翻版，只是更加注重定量化；同時(shí)，但實(shí)施起來要求非常嚴(yán)格，其施工碾壓段必須與試驗(yàn)段施工情況完全一樣，否則控制參數(shù)（碾壓遍數(shù)、行走速度等）的意義不大。這類裝置主要是缺少識(shí)別填筑體結(jié)構(gòu)參數(shù)和進(jìn)行反饋控制壓實(shí)工藝參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，而這正是智能壓實(shí)的關(guān)鍵所在。

上述智能壓實(shí)的含義是依據(jù)壓路機(jī)是否能夠自動(dòng)反饋控制而提出的。實(shí)際上，現(xiàn)代智能壓實(shí)的含義應(yīng)該是廣義的，壓實(shí)機(jī)具（各種形式的壓路機(jī)以及攤鋪機(jī)等）只是參與者之一，不能自動(dòng)控制壓實(shí)參數(shù)的壓實(shí)機(jī)具也是可以參與其中的，其核心是控制系統(tǒng)的功能，這個(gè)系統(tǒng)既可以向操作者發(fā)出反饋控制指令，也可以自動(dòng)調(diào)控壓實(shí)機(jī)具，關(guān)鍵在于這個(gè)控制系統(tǒng)的智能化程度。因此，現(xiàn)代智能壓實(shí)是“填筑體-壓實(shí)機(jī)具-控制系統(tǒng)”三者相互作用的有機(jī)結(jié)合和綜合表現(xiàn)（圖1），尚處于初級(jí)階段，還需要與人工智能等技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合。同時(shí)，對(duì)于智能壓實(shí)的研究也應(yīng)該將這三方面有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行。

3 智能壓實(shí)控制系統(tǒng)的功能

智能壓實(shí)是通過智能壓實(shí)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。完整的智能壓實(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)該包括壓路機(jī)、量測(cè)與控制裝置和控制軟件等，但通常的控制系統(tǒng)不包含壓實(shí)機(jī)具。既然智能壓實(shí)是智能壓實(shí)控制的簡(jiǎn)稱，那么智能控制應(yīng)該是關(guān)鍵。所謂智能控制，即一個(gè)系統(tǒng)（或控制器）具有學(xué)習(xí)、抽象、推理和決策等功能，并能根據(jù)環(huán)境（包括被控對(duì)象或被控過程）信息的變化作出適應(yīng)性反應(yīng)，從而完成傳統(tǒng)由人來完成的操作任務(wù)。根據(jù)智能控制的含義，一個(gè)成熟的控制系統(tǒng)應(yīng)該具有如下功能。

（1）能夠在碾壓過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)、抽象、推理和決策等。這個(gè)特征是指控制系統(tǒng)對(duì)碾壓過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象能夠不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)過抽象和推理，使輸出的信息能夠正確而全面地反映壓實(shí)狀態(tài)，并根據(jù)反饋信息對(duì)壓實(shí)工藝參數(shù)和填料狀況做出綜合判定，給出決策。這個(gè)決策是施加給壓路機(jī)和填料的，具體實(shí)施應(yīng)視自動(dòng)化程度而定。

上述特征是智能壓實(shí)最重要的技術(shù)特征。不具備這個(gè)特征的，原則上都不是智能壓實(shí)控制，最多稱之為連續(xù)壓實(shí)控制。

（2）根據(jù)填料特性調(diào)控（人工或自動(dòng)）壓實(shí)機(jī)具的能力。

傳統(tǒng)意義上的智能壓實(shí)主要是由壓路機(jī)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)幅實(shí)現(xiàn)的，但是調(diào)整到什么程度仍然需要深入研究。如何根據(jù)填料特性調(diào)控壓實(shí)工藝是一個(gè)復(fù)雜問題，涉及到智能識(shí)別填料的壓實(shí)性以及確定該填料達(dá)到最佳壓實(shí)效果的工藝參數(shù)等，需要一個(gè)長(zhǎng)期（機(jī)械）學(xué)習(xí)的過程。這個(gè)功能目前只有與人工智能結(jié)合才有可能提高有效性。

（3）與壓實(shí)機(jī)具結(jié)合進(jìn)行自適應(yīng)碾壓作業(yè)的能力。這個(gè)功能要求控制系統(tǒng)控制的壓實(shí)機(jī)具能夠自動(dòng)對(duì)填筑體進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，滿足預(yù)設(shè)的目標(biāo)要求，整個(gè)碾壓過程中最大程度地減少人的參與，最終實(shí)現(xiàn)無人操作下的碾壓作業(yè)。這應(yīng)該是高級(jí)智能壓實(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)具有的，是我們追求的長(zhǎng)期目標(biāo)，也應(yīng)該是一個(gè)智慧的專家系統(tǒng)。

未來的智能壓實(shí)應(yīng)該是這樣的：無人駕駛的壓實(shí)機(jī)具按照設(shè)定的碾壓作業(yè)方案進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，在碾壓過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的填料和填筑體相關(guān)信息，自動(dòng)改變和優(yōu)化壓實(shí)工藝參數(shù)，以最小的代價(jià)完成碾壓作業(yè)，達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)質(zhì)量。

4 智能壓實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

智能壓實(shí)主要是通過智能壓實(shí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)建控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在什么地方呢，這也是大家普遍關(guān)心的核心問題。根據(jù)多年的研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面。

4.1 碾壓過程中如何根據(jù)壓實(shí)機(jī)具的某種反應(yīng)來識(shí)別填筑體的壓實(shí)狀態(tài)

識(shí)別填筑體的壓實(shí)狀態(tài)，這是連續(xù)壓實(shí)控制的核心問題。對(duì)于振動(dòng)壓實(shí)來講，這個(gè)問題在理論上可以描述為“一個(gè)剛性圓柱體在彈塑性體（對(duì)于瀝青混合料則是高溫粘彈塑性體）上移動(dòng)和振動(dòng)狀態(tài)下的接觸動(dòng)力學(xué)問題”，目前力學(xué)界尚無理想解答。在應(yīng)用上的難點(diǎn)是控制指標(biāo)與常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)的一致性問題。因此，如何建立力學(xué)模型、進(jìn)行信息處理以及開發(fā)實(shí)用的測(cè)試技術(shù)是關(guān)鍵所在。

無論是連續(xù)壓實(shí)還是智能壓實(shí)控制，控制指標(biāo)能否真實(shí)反應(yīng)填筑體的壓實(shí)狀態(tài)是首先要解決的問題。目前總體分為經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)（如壓實(shí)計(jì)的諧波比指標(biāo)）和力學(xué)指標(biāo)（如模量、抵抗力），對(duì)應(yīng)著經(jīng)驗(yàn)法與力學(xué)法，其中力學(xué)方法比較適合于智能壓實(shí)控制系統(tǒng)。

4.2 填料的壓實(shí)性

填筑體的壓實(shí)質(zhì)量由填料和碾壓過程決定。選擇優(yōu)良的填料是提高壓實(shí)質(zhì)量的前提條件，但是受各種因素影響，并非所有填料都能取得好的壓實(shí)效果。因此，智能壓實(shí)應(yīng)該通過學(xué)習(xí)來有效識(shí)別填料的可壓實(shí)性，以提高效率。但是如何學(xué)習(xí)？判定（決策）的準(zhǔn)則是什么？尚需進(jìn)一步研究。

4.3 壓實(shí)機(jī)具工藝參數(shù)

現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展使壓實(shí)機(jī)具的振動(dòng)壓實(shí)工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，而如何調(diào)控、調(diào)控的幅度是多少才是難點(diǎn)。大量的振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，不同填料、同一填料不同級(jí)配達(dá)到最佳壓實(shí)效果所需的振動(dòng)壓實(shí)工藝參數(shù)（激振力、振動(dòng)質(zhì)量、振動(dòng)頻率、振幅等）組合都是不同的。如何確定各種填料的最佳壓實(shí)工藝參數(shù)需要大量的壓實(shí)工藝試驗(yàn)探索，不是理論分析能完全解決的，也許人工智能將是解決的一條途徑。

5 結(jié)語

本文拋磚引玉，對(duì)智能壓實(shí)的一些問題進(jìn)行分析討論。截至到目前，智能壓實(shí)也是一個(gè)概念性提法，沒有一個(gè)完善的定義?，F(xiàn)在的智能壓實(shí)基本上等同于連續(xù)壓實(shí)控制。真正的智能壓實(shí)應(yīng)體現(xiàn)在智能輸出質(zhì)量參數(shù)、智能識(shí)別填料、智能控制振動(dòng)壓實(shí)工藝參數(shù)以及智能故障診斷等方面，也是研究智能壓實(shí)的重點(diǎn)和開發(fā)相應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。限于篇幅，將另文具體討論研究智能壓實(shí)所需的理論、實(shí)現(xiàn)的途徑以及如何開發(fā)控制系統(tǒng)等問題。

參考文獻(xiàn)：

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