智能壓實(shí)測量值的發(fā)展方向

徐光輝，George Chang/譯

1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031

2. 國際智能建設(shè)技術(shù)學(xué)會(huì)（IICTG），密歇根 奧克莫斯 48864

3. 美國交通科技集團(tuán)（Transtec ），德克薩斯 奧斯汀 78731

智能壓實(shí)（Intelligent Compaction，簡稱IC）是一種基于壓實(shí)機(jī)械、可提高壓實(shí)質(zhì)量的控制技術(shù)。具有智能壓實(shí)技術(shù)的振動(dòng)壓路機(jī)裝配有基于加速度傳感器的測量系統(tǒng)、平板電腦、高精度全球定位系統(tǒng)（GPS）和紅外溫度傳感器。智能壓實(shí)可以改進(jìn)各種道路材料的壓實(shí)質(zhì)量控制，包括粗粒土、黏性土、基層材料和瀝青材料?；诩铀俣葌鞲衅鞯臏y量系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代早期發(fā)明的智能壓實(shí)技術(shù)[1]（連續(xù)壓實(shí)控制）的核心，今天仍在發(fā)展之中。

智能壓實(shí)測量值（Intelligent Compaction Measurement Values，簡稱ICMV）[2]是基于振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪上加速度傳感器測量和計(jì)算得到控制指標(biāo)的通用術(shù)語，有多種具體指標(biāo)，這些指標(biāo)與被壓材料的物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)程度都不同。本文的目的是通過對(duì)各種智能壓實(shí)測量值機(jī)理和解決方案的綜合論述，指明使用智能壓實(shí)測量值進(jìn)行壓實(shí)監(jiān)測、控制和驗(yàn)收的發(fā)展方向，撥開其神秘的面紗。

什么是智能壓實(shí)測量值

智能壓實(shí)測量值是基于振動(dòng)壓路機(jī)的智能壓實(shí)量測系統(tǒng)控制指標(biāo)的通用術(shù)語，是智能壓實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵所在。智能壓實(shí)測量值是以反映被壓材料對(duì)壓路機(jī)鋼輪抵抗作用的加速度信號(hào)為基礎(chǔ)的，有多種表達(dá)形式，且不同的表達(dá)形式與被壓材料的物理力學(xué)性質(zhì)（如剛度、模量和密度）之間的相關(guān)性也不一樣。雙鋼輪智能壓實(shí)系統(tǒng)與ICMV的動(dòng)態(tài)模型如圖1所示。

如何測量和計(jì)算智能壓實(shí)測量值

共同機(jī)理

圖1 雙鋼輪智能壓實(shí)系統(tǒng)和ICMV動(dòng)態(tài)模型

計(jì)算智能壓實(shí)測量值的共同機(jī)理是測量壓路機(jī)振動(dòng)輪中心處的垂直加速度，然后采用各種模型和方法進(jìn)行求解得到具體指標(biāo)。這個(gè)概念是簡單而巧妙的，在碾壓過程中就能夠測量被壓材料的性質(zhì)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和控制。圖2說明了智能壓實(shí)測量值的量測機(jī)理。鋼輪給被壓材料施加壓實(shí)力，而被壓材料對(duì)鋼輪產(chǎn)生反作用力，被壓材料越硬，反作用力越大。這種反作用通過加速度傳感器進(jìn)行測量，然后通過控制系統(tǒng)處理響應(yīng)信號(hào)并計(jì)算智能壓實(shí)測量值。

圖2 智能壓實(shí)測量值的共同機(jī)理

難點(diǎn)問題

壓路機(jī)與材料之間的相互作用很復(fù)雜，伴隨著振動(dòng)、接觸、彈跳和沖擊過程，這就使精確測量成為一個(gè)難題。確定智能壓實(shí)測量值存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。

（1）鋼輪與被壓材料之間存在復(fù)雜的相互作用。

（2）現(xiàn)場測量的差異導(dǎo)致難以計(jì)算智能壓實(shí)測量值。

（3）智能壓實(shí)測量值與常規(guī)點(diǎn)式檢測在檢測面積和影響深度方面存在差異。

智能壓實(shí)測量值的影響因素

影響智能壓實(shí)測量值的因素很多。在壓路機(jī)方面，主要包括壓路機(jī)振動(dòng)類型、激振力、振幅、振動(dòng)頻率和行駛速度；在被壓材料方面，土質(zhì)類型和含水量、瀝青混合料配合比、瀝青混合料溫度和下臥層的支撐條件等都是主要影響因素，如圖3所示。

圖3 影響智能壓實(shí)測量值的因素

計(jì)算智能壓實(shí)測量值的困難因素

如何確定智能壓實(shí)測量值是大家比較關(guān)心的問題。計(jì)算智能壓實(shí)測量值存在許多挑戰(zhàn)，主要是由于存在許多困難因素，如圖4所示。

圖4 計(jì)算智能壓實(shí)測量值的各種困難因素

（1）激振力不等于壓實(shí)力。鋼輪中偏心質(zhì)量產(chǎn)生的激振力不等于作用在被壓實(shí)材料上的有效壓實(shí)力。壓實(shí)力會(huì)隨著壓路機(jī)振動(dòng)頻率的波動(dòng)而產(chǎn)生更大的波動(dòng)。對(duì)于剛開始根據(jù)鋼輪與被壓材料相互作用進(jìn)行建模的研究人員來說，將激振力和壓實(shí)力混淆是經(jīng)常發(fā)生的錯(cuò)誤。

（2）實(shí)際變形與理論計(jì)算結(jié)果不同。被壓材料在鋼輪寬度方向上各點(diǎn)的實(shí)際變形應(yīng)該是相同的。但是根據(jù)Lundberg和Hertz理論計(jì)算得到的變形卻是變化的，與實(shí)際情況不符。這種錯(cuò)誤是由于采用模型理論模擬現(xiàn)場鋼輪接觸條件的差異而產(chǎn)生的[3]。因此，理論計(jì)算需要校正，以便與實(shí)際測量結(jié)果相符。

（3）鋼輪彈跳導(dǎo)致計(jì)算模量錯(cuò)誤。當(dāng)鋼輪和被壓材料失去接觸或解耦時(shí)，計(jì)算的模量通常很低或不可解。與計(jì)算值相比，根據(jù)抵抗力很大的事實(shí)，實(shí)際模量應(yīng)該是很高的。因此，使用沖擊模型和抗力模型可以克服鋼輪在彈跳運(yùn)動(dòng)期間計(jì)算智能壓實(shí)測量值的困難。

智能壓實(shí)測量值與常規(guī)點(diǎn)式檢測之間的差異

智能壓實(shí)測量值與常規(guī)點(diǎn)式檢測（如落錘彎沉儀（LWD）、土體剛度儀、核子密度儀和動(dòng)力灌入儀（DCP））之間的主要區(qū)別在于測量面的尺寸、影響深度和測量深度。智能壓實(shí)測量值占地面積通常為矩形[4]（約2 m×0.3 m），且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)式檢測的面積，其影響深度（約0.5~1.6 m）比常規(guī)點(diǎn)式檢測也深得多（圖5）。智能壓實(shí)測量值影響深度的范圍取決于壓路機(jī)的工作質(zhì)量、振動(dòng)頻率、振幅和被壓材料的剛度。

圖5 智能壓實(shí)測量值與常規(guī)點(diǎn)式檢測之間的差異

求解智能壓實(shí)測量值的模型

為了克服確定智能壓實(shí)測量值帶來的各種困難，研究人員建造出各種各樣的模型來求解智能壓實(shí)測量值。這些模型有動(dòng)態(tài)與靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)式與機(jī)理式，其適用性也各不相同。表1匯總了目前常見的5種模型。

模型A：經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)模型

經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)模型有3個(gè)子模型，如圖6所示。

（1）模型A1：基于振動(dòng)頻率之比的反應(yīng)模型。

（2）模型A2：基于反映壓實(shí)水平的“8字形”圖的振蕩頻率反應(yīng)模型。

（3）模型A3：基于不同類型材料的滾動(dòng)阻力系數(shù)和相關(guān)的機(jī)器驅(qū)動(dòng)力的靜態(tài)滾動(dòng)阻力反應(yīng)模型。

表1 求解智能壓實(shí)測量值模型匯總

圖6 模型A：經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)模型

模型B：鋼輪與半空間耦合作用模型

實(shí)際的填筑體結(jié)構(gòu)都是層狀體，在建模和求解時(shí)一般都是將層狀體簡化為半空間體，其轉(zhuǎn)換原則是在層狀體和半空間體上施加同樣的作用力，得到同樣的位移，如圖7所示。采用連續(xù)的半空間體模型，可以得到在鋼輪作用下的填筑體的綜合模量和密度。

動(dòng)力學(xué)方法的控制方程是1組含有時(shí)間變量的偏微分方程，求解非常困難。為了簡化求解，可以假設(shè)所有加速度項(xiàng)都為零，使其變?yōu)殪o力學(xué)問題（圖8）。但是這種簡化會(huì)偏離實(shí)際情況，可能需要半經(jīng)驗(yàn)解決方案進(jìn)行修正，以便使計(jì)算更符合現(xiàn)場測量結(jié)果。

圖9顯示的是采用動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算智能壓實(shí)測量值（模量與密度）的過程。誤差檢查是校正實(shí)際測量到的結(jié)果與理論計(jì)算得到的結(jié)果之間的差異，如果誤差檢查不滿足則繼續(xù)循環(huán)。這種解決方案是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楸粔翰牧系奈灰仆ǔ２荒鼙粶y量，需要大量的現(xiàn)場測量才能提供動(dòng)態(tài)校正。采用數(shù)值計(jì)算解決方案也是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樾枰L的計(jì)算時(shí)間。另外，反算得到的參數(shù)（模量與密度）并不總是惟一解或精確解。

圖7 鋼輪與半空間體耦合作用模型

圖8 模型B：基于動(dòng)態(tài)或靜態(tài)方程的解法

圖9 使用動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算智能壓實(shí)測量值（模量與密度）的流程

模型C：鋼輪與彈簧-阻尼耦合模型

鋼輪與彈簧-阻尼耦合模型為離散模型?？刂品匠虨槌Ｎ⒎址匠?，比連續(xù)模型的偏微分方程求解要簡單一些。層狀體簡化為等效的彈簧-阻尼耦合，彈簧系數(shù)（剛度系數(shù)）為控制指標(biāo)；振動(dòng)鋼輪（包括支架和鋼輪）也簡化為彈簧-阻尼組合。這種模型可以通過二自由度模型進(jìn)行建模和求解，也可以進(jìn)一步簡化為單自由度模型求解，如圖10所示。求解方法包括線性和非線性2種。

圖10 模型C：鋼輪與彈簧-阻尼耦合模型

模型D：鋼輪與半空間體沖擊作用模型

鋼輪與半空間的沖擊作用模型考慮了壓路機(jī)彈跳情況。壓路機(jī)彈跳時(shí)這種模型也可以計(jì)算反作用力和模量。鋼輪的沖擊作用可以用圖11進(jìn)行分析和求解。采用圓柱體沖擊來模擬鋼輪的彈跳，可以通過位移法或沖擊時(shí)間法來計(jì)算被壓材料的模量。

模型E：人工智能模型

人工智能模型（圖12）采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和遺傳算法（GA）等進(jìn)行智能壓實(shí)測量值的計(jì)算。其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是選擇合適的訓(xùn)練樣本來訓(xùn)練模型。訓(xùn)練樣本包括壓路機(jī)工藝參數(shù)、填料信息和現(xiàn)場實(shí)測得到的智能壓實(shí)測量值等。訓(xùn)練人工智能模型方法包括Hebbian、Delta規(guī)則和最小均方（LMS）方法。

圖11 模型D：鋼輪與半空間體沖擊作用模型

圖12 模型E：人工智能模型

圖13為人工智能模型（AI模型）訓(xùn)練過程的流程。首先是選擇正確的壓路機(jī)工藝參數(shù)、鋼輪響應(yīng)數(shù)據(jù)和被壓材料特性，然后輸入到AI模型中，將計(jì)算得到的輸出值與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若不滿足誤差要求，AI模型會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)，直至二者誤差滿足要求。這樣就得到了正確的AI模型，可以將其應(yīng)用到與訓(xùn)練樣本相同的實(shí)際工程中。

智能壓實(shí)測量值的分級(jí)與發(fā)展方向

目前已經(jīng)有了一些基于各種智能壓實(shí)測量值的壓實(shí)控制技術(shù)和測量產(chǎn)品，還有一些新的技術(shù)與產(chǎn)品正在研發(fā)中。下面給出的適用于各種填筑材料的“智能壓實(shí)測量值分級(jí)”是考慮了很多關(guān)鍵因素，包括智能壓實(shí)測量值與被壓材料的力學(xué)性質(zhì)（模量）和物理性質(zhì)（密度）的相關(guān)性，鋼輪彈跳期間的有效性（當(dāng)鋼輪與被壓材料不接觸時(shí)）和適用性，以及填筑層特有的物理力學(xué)性能分析和按照性能進(jìn)行參數(shù)分層的能力。這個(gè)分級(jí)將為今后基于智能壓實(shí)測量值的智能壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃路線指明方向。

第1級(jí)：基于頻率響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)解答

第1級(jí)智能壓實(shí)測量值是基于鋼輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)頻率比的經(jīng)驗(yàn)解。它是基于具有頻率響應(yīng)的模型A1（振動(dòng)頻率之比的反應(yīng)模型）或者模型A2（振蕩頻率反應(yīng)模型）。

第2級(jí)：基于能量和滾動(dòng)阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)解答

第2級(jí)智能壓實(shí)測量值是基于能量和滾動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)解。它是基于模型A3（根據(jù)滾動(dòng)阻力系數(shù)原理的模型）計(jì)算需要機(jī)器特定的參數(shù)和測量，例如機(jī)器運(yùn)動(dòng)角度和能量損失系數(shù)等。

第3級(jí)：基于簡化模型的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)解答

第3級(jí)智能壓實(shí)測量值是對(duì)簡化模型求解得到的。它是基于B模型（鋼輪與半空間體耦合模型）的靜態(tài)解或基于模型C（鋼輪與彈簧-阻尼耦合模型）的動(dòng)態(tài)解。當(dāng)鋼輪彈跳（或鋼輪與壓實(shí)層不接觸）發(fā)生時(shí)無解。

第4級(jí)：基于鋼輪與半空間體沖擊作用的動(dòng)態(tài)解答

第4級(jí)智能壓實(shí)測量值是動(dòng)態(tài)解。它是基于鋼輪與半空間體發(fā)生沖擊時(shí)的模型D的動(dòng)態(tài)解決方案。抵抗力F可以基于鋼輪振動(dòng)加速度、速度、位移以及其他一些參數(shù)來計(jì)算（圖14），但是需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正因子和相位滯后的修正。模量可以基于抵抗力或基于沖擊的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算。

圖14 第4級(jí)的抵抗力與模量及其計(jì)算方法

第5級(jí)：動(dòng)力學(xué)解答與人工智能解答

第5級(jí)智能壓實(shí)測量值是動(dòng)力學(xué)解決方案和人工智能解決方案的組合?；阡撦?半空間體動(dòng)力模型和沖擊模型求解可以得到模量和密度，進(jìn)一步還可以按照填筑厚度對(duì)得到的綜合參數(shù)進(jìn)行分層（圖15）。與人工智能模型的組合技術(shù)目前仍在開發(fā)中，但可以預(yù)見，這些模型的融合將會(huì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、智能的反饋控制，能夠優(yōu)化壓實(shí)而無需人為干預(yù)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)真正的智能壓實(shí)施工。

圖15 第5級(jí)的分層模量和密度及其計(jì)算方法

智能壓實(shí)測量值分級(jí)匯總

根據(jù)上述對(duì)智能壓實(shí)測量值級(jí)別的劃分，現(xiàn)匯總結(jié)果如表2所示。

結(jié)論

智能壓實(shí)測量值（ICMV）的面紗在此技術(shù)報(bào)告中已被揭開。求解智能壓實(shí)測量值一直都是一件不容易的事情。自20世紀(jì)80年代以來，科研人員和行業(yè)專家一直在努力研究各種智能壓實(shí)測量值，以滿足實(shí)時(shí)壓實(shí)監(jiān)測、控制和最終驗(yàn)收的需求，智能壓實(shí)測量值分級(jí)的路線（圖16）顯示了正在進(jìn)行努力的途徑，指向未來的解決方案，將測量任何碾壓層的實(shí)際物理力學(xué)性能參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)反饋控制和自主操作。

譯者注：

[1] 歐洲將利用壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制的技術(shù)稱作連續(xù)壓實(shí)控制，美國稱作智能壓實(shí)，中國包容了這兩種稱謂。

[2] ICMV與壓實(shí)計(jì)值CMV無任何關(guān)聯(lián)，不是CMV的升級(jí)和修正。[3] 除了文件中給出的原因外，還有理論推導(dǎo)中一些簡化引起的原因。

[4] 美國按照壓路機(jī)每碾壓0.3 m作為1個(gè)測試單元,鋼輪寬度按2.0 m計(jì)。

表2 智能壓實(shí)測量值分級(jí)匯總

圖16 雙鋼輪智能壓實(shí)機(jī)碾壓瀝青路面和智能壓實(shí)測量值發(fā)展路線