數(shù)字化施工在普通公路工程中應(yīng)用的展望

朱艷飛 王悅娟

摘 要：隨著計算機和各種先進技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的施工管理也受到了前所未有的挑戰(zhàn)，這就使數(shù)字化施工的概念登上了舞臺。它包括全部施工資料的數(shù)字化、傳播化、智能化和透明化。其核心思想是用數(shù)字化手段整體解決工程所遇到的各種問題和其他主要事項，最大限度的利用信息資源在單位時間內(nèi)達到最大的使用效率。

關(guān)鍵詞：公路施工;數(shù)字化;智能壓實

本文介紹了公路工程數(shù)字化施工概念，分析了公路工程機械化壓實施工關(guān)鍵技術(shù)，重點介紹數(shù)字化施工中智能壓實的應(yīng)用，并對數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工經(jīng)濟效益進行了對比，證明其在工程建設(shè)領(lǐng)域具有多種優(yōu)勢，有廣闊的使用空間及推廣價值。

1 公路施工中數(shù)字工地系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用概述

公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對一個國家、一個民族、一個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要?！案邩侨f丈平地起”基礎(chǔ)是關(guān)鍵，數(shù)字化施工智能壓實監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用有利于推動公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展。

隨著國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外許多大中型企業(yè)正在利用互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進企業(yè)發(fā)展。公路作為國家基礎(chǔ)行業(yè)，其施工質(zhì)量的優(yōu)劣和施工速度的快慢直接影響社會效益，利用數(shù)字化提高公路基礎(chǔ)的碾壓密度，智能壓實監(jiān)控技術(shù)的運用迫在眉睫。

建設(shè)是發(fā)展，養(yǎng)護也是發(fā)展而是更大的發(fā)展。

我國普通干線公路網(wǎng)以形成“五縱七橫”格局，北京以101國道京沈路第一條放射線開始，構(gòu)建京津冀一體化環(huán)形路網(wǎng)體系逐漸形成。然而面對與日俱增的交通流量以及超大型的重載車輛，對現(xiàn)有公路基礎(chǔ)設(shè)施承載能力是個考驗。

以密云區(qū)近幾年公路大中修工程為例，其工程立項的原因主要是路基薄弱承載能力差，加上水害的侵襲等。用數(shù)字化提高路基壓實密度，建立智能控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。從施工開始，對每一道結(jié)構(gòu)層的壓實度進行全程監(jiān)控層層把好質(zhì)量關(guān)。采用人為取樣方式，遠遠落后于機械化攤鋪、碾壓。雖然有監(jiān)理人員旁站，（所用材料為工廠出品）其攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)都符合設(shè)計要求，地理環(huán)境、水文等地質(zhì)條件是影響壓實密度不可忽視的重要因素。如果采用智能壓實監(jiān)控系統(tǒng)，就能把事后取樣監(jiān)測，變成過程監(jiān)控、遠程監(jiān)控、24小時監(jiān)控，把監(jiān)測的信息數(shù)字化，把隱秘工程變成陽光工程看得見摸得著，確保工程質(zhì)量，提高工程進度，減少返工率，降低企業(yè)風(fēng)險，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

其原理是通過共振的過程得出一組或多組振蕩曲線（用數(shù)學(xué)概念）進行數(shù)據(jù)分析，其振蕩厲害曲線越不穩(wěn)定，當(dāng)跳躍的頻率與被壓材料固有的頻率一致時，振動壓實是最為有效。

這好比中醫(yī)號脈，西醫(yī)測心電圖。一端固定在壓路機，一端通過云技術(shù)傳遞到電腦上，通過振蕩曲線與設(shè)定值相比，振幅越大曲線高低不穩(wěn)，反映基礎(chǔ)不密實。利用云技術(shù)室內(nèi)能控制室外，不是說監(jiān)理和試驗人員坐在室內(nèi)不出屋，正常打孔抽樣檢測還應(yīng)該繼續(xù)進行。待掌握云技術(shù)之后，室內(nèi)代替室外，室內(nèi)代替現(xiàn)場一切都有可能?，F(xiàn)在只是完善發(fā)展階段，利用科技資源，應(yīng)該發(fā)揮年輕優(yōu)勢，利用科技資源服務(wù)于本單位本企業(yè)。不見風(fēng)雨怎能見彩虹，創(chuàng)新是青年永恒的主流，與時俱進是企業(yè)發(fā)展的方向。

智能壓實監(jiān)控系統(tǒng)的建立，有利于新材料、新工藝、新技術(shù)在公路工程中推廣與運用，有利于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用科技術(shù)為領(lǐng)導(dǎo)決策提供科學(xué)的理論依據(jù)，具有劃時代的意義。

2 公路工程數(shù)字化施工概念

公路工程數(shù)字化施工是指運用計算機、數(shù)字化測量系統(tǒng)、數(shù)字化監(jiān)控平臺、網(wǎng)絡(luò)可視化系統(tǒng)，通過過程數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析、挖掘和備份，將公路工程前期籌劃、機械施工、工期控制、質(zhì)量控制及后期養(yǎng)護整個過程數(shù)字化、信息化、智能化，更加準確高效的配置各種生產(chǎn)要素及預(yù)測工期進展。通過數(shù)字化施工系統(tǒng)平臺進行三維設(shè)計，并通過可視化技術(shù)將圖紙轉(zhuǎn)化為立體圖形，更加直觀的輔助工程施工及工程量計算。通過數(shù)字化機械引導(dǎo)，提高施工效率、縮短工期，同時達到節(jié)約成本、提高工程質(zhì)量的目的。

3 數(shù)字化施工主要技術(shù)應(yīng)用

3.1 三維設(shè)計的應(yīng)用

土方開挖階段運用三維數(shù)字建模技術(shù)將二維設(shè)計轉(zhuǎn)換成三維實現(xiàn)從勘察、設(shè)計、施工到運營維護過程整合的必要載體。通過可視化設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計干涉施工檢查、進行虛擬施工，自動計算土方量，達到減少人工計算工程量。

3.2 數(shù)字化測量系統(tǒng)

在工程施工中根據(jù)環(huán)境不同使用高精測量設(shè)備，在GPS、GLONASS、伽利略以及北斗等定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上以方格網(wǎng)形式快速、動態(tài)測量實時數(shù)據(jù)傳輸與自動計算。無需打樁及放線，減少測量工作。

3.3 數(shù)字化機械引導(dǎo)、控制系統(tǒng)

在公路工程建設(shè)中，在挖掘作業(yè)、土地平整、壓實控制及精細平整過程通過機械自動控制技術(shù)達到提高施工效率，縮短工期的目的。在公路建設(shè)中，機械自動控制由GPS系統(tǒng)和GCS系統(tǒng)組成，涵蓋推土機、平地機、壓路機、挖掘機和攤鋪機等多種施工機械。

GPS系統(tǒng)用于工地定位技術(shù)，光學(xué)技術(shù)和通訊技術(shù)結(jié)合的專門針對工程建設(shè)而設(shè)計的工程測量技術(shù)。機械控制產(chǎn)品 – GCS系統(tǒng)是土方基礎(chǔ)革命性的施工方法，指導(dǎo)人如何施工。在挖掘作業(yè)、土地平整、壓實控制和精細平整發(fā)揮著重要作用。

機械控制技術(shù)集合了激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術(shù)，與工程機械完美結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字化施工。機械控制技術(shù)相對于傳統(tǒng)的施工機械具有提高效率、縮短工期、節(jié)能環(huán)保，節(jié)約成本，提高利潤， 過程質(zhì)量控制， 提高工程現(xiàn)場人員安全性等優(yōu)點。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)

工地數(shù)字化施工系統(tǒng)支持無線傳輸，通過綜合通訊組網(wǎng)實現(xiàn)電臺通訊，WIFI無線網(wǎng)絡(luò)、GSM移動無線網(wǎng)絡(luò)、公網(wǎng)光纖接入，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的上傳和下載。在統(tǒng)一的平臺上獲取各方所需的全部信息，通過職權(quán)劃分項目現(xiàn)場和總部各級管理者可通過瀏覽器登錄服務(wù)器，下載施工數(shù)據(jù)。

4 智能壓實工程數(shù)字化施工國內(nèi)外現(xiàn)狀

公路施工中，經(jīng)過多年摸索，人們已經(jīng)認識到，壓實是被壓材料、壓實設(shè)備及壓實工藝為一體的綜合技術(shù)，在壓實技術(shù)發(fā)展的初期，人們往往注意壓實設(shè)備的改進和發(fā)展，而忽略了壓實工藝和被壓材料的研究，直到研究振動壓路機的振動參數(shù)優(yōu)化時，人們開始注意到被壓材料和壓實設(shè)備之間是有關(guān)聯(lián)的，應(yīng)該把它們作為一個整體來考慮，只有將振動壓路機的振動頻率選擇在被壓材料共振頻率附近，才能獲得該材料的最佳壓實效果。從此，人們開始注意到被壓材料在壓實技術(shù)中有著不容忽視的作用。其中，隨著現(xiàn)代高科技向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門的滲透與改造，它導(dǎo)致了壓實過程的自動監(jiān)測、自動控制和自動調(diào)節(jié)技術(shù)的迅速發(fā)展。

二十世紀六十年代初，有人提出利用振動部件與基礎(chǔ)之間相互作用的動力特性來判斷壓實進程進展狀況的設(shè)想。這種方法的原理是建立在如下認識的基礎(chǔ)上的，當(dāng)?shù)孛嬖谡駝硬考淖饔孟轮鸩綁簩崟r，地面——機器系統(tǒng)的動力特性也在變化，這種變化將指示出地面承壓能力變化的相對數(shù)值，從而也反映了地面被壓實的程度。最先將這一思想變成現(xiàn)實并安裝在壓路機上的一種壓實度監(jiān)測裝置是H.Thurner博士的專利。隨后八十年代，瑞典dynamik公司研制成功壓實度計。該儀器裝在振動壓路機上，整個系統(tǒng)由一臺振動壓路機、一臺壓實度儀、一臺壓實記錄系統(tǒng)構(gòu)成智能壓實度控制系統(tǒng)。通過測量振動輪振動垂直加速度波形的畸變程度來評價被壓材料的壓實程度，利用振動波的基波和二次諧波的比值來表示振動波形的畸變程度，通過常規(guī)試驗對比，得到壓實度值。在壓實過程中，駕駛員可以從壓實度計上隨時了解壓實質(zhì)量。九十年代，德國bomag公司研制出omega壓實度儀。其原理是利用一個加速度傳感器來記錄振動壓路機壓實輪的垂直加速度值，所測信號經(jīng)微處理器計算后得出壓實度值，顯示在儀表盤上，壓實度值隨著壓實土層的密實度增加而增加。被壓實土層的壓實度越高，壓實度值就越大。對于給定的路基土層和振動壓路機，總存在一個最大的壓實度值，當(dāng)壓實度值停止增大，壓路機司機就知道了進一步壓實不會再增加壓實度。隨后bomag公司又推出了新的壓實度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)原理是根據(jù)被壓實材料的密度變化自動選擇適當(dāng)?shù)恼穹?，以?yōu)化激振力的輸出，以實現(xiàn)振動壓路機的智能控制。

目前，國內(nèi)在系統(tǒng)硬件設(shè)計和防護方面還處于起步階段，研發(fā)部門少，總體技術(shù)產(chǎn)品不成規(guī)模，供應(yīng)體系單一，缺乏技術(shù)服務(wù)保障，在特殊應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜的情況下，很難維持正常運行。近年從國外引進了控制系統(tǒng)設(shè)備，工業(yè)控制芯片不斷更新，精密傳感器，高精度定位在硬件方面都有所改善，在穩(wěn)定性、易用性、防護等級等各個方面都有了很大的提升。

國內(nèi)外已研發(fā)出多款智能壓實控制系統(tǒng)的軟件。國外的系統(tǒng)在軟件方面已經(jīng)歷實際檢驗，并在不斷完善中;國內(nèi)在應(yīng)對本地化的特定需求的情況下，同時具有實時高精度數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、階段統(tǒng)計分析、動態(tài)施工數(shù)據(jù)可視化、事后過程回溯功能的全流程多角度的控制軟件比較罕見。

自從瑞典開發(fā)了用于振動壓路機的機載壓實度計后，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在八十年代后期開始了壓實度儀的研究工作。江蘇某儀器廠曾開發(fā)了機載壓實度檢測儀，該儀器采用數(shù)碼管顯示，沒有應(yīng)用計算機智能控制技術(shù)。2001年陜西省西安市鐵道部二十局工程機械廠，率先在國內(nèi)大噸位振動壓路機上試裝國外產(chǎn)的壓實度儀，該廠購買了bomag公司的壓實度儀裝在新開發(fā)的振動壓路機上。河北工業(yè)大學(xué)經(jīng)多年研制，開發(fā)出壓實度智能檢測系統(tǒng)，該壓實度智能檢測系統(tǒng)的基本工作原理是：在壓實初期，基礎(chǔ)的彈性剛度較小，阻尼較大，系統(tǒng)響應(yīng)較小。隨著壓實遍數(shù)的增加，基礎(chǔ)的彈性剛度變大、阻尼變小，系統(tǒng)的響應(yīng)不斷增大，振動輪的動力學(xué)參數(shù)的變化與基礎(chǔ)的壓實度變化密切相關(guān)，振動輪的垂直加速度與基礎(chǔ)的壓實度正相關(guān)。通過振動輪的動態(tài)響應(yīng)來檢測基礎(chǔ)壓實情況，能更好地反映路基下層的狀況及承載力。該系統(tǒng)技術(shù)核心在于對壓實輪與被壓實材料相互作用的動力學(xué)關(guān)系的分析方法，并應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計理論，編寫出具有一定置信度的推斷軟件，將實測加速度值與固化在儀器中的標準數(shù)據(jù)對比，形成內(nèi)置專家系統(tǒng)，通過運算、分析，可以得到壓實度、振動頻率、壓路機運行速度等值。

綜上所述，壓實技術(shù)的發(fā)展中振動壓路機的出現(xiàn)是壓實技術(shù)的一次重大的革命，而隨機壓實度儀的出現(xiàn)是壓實技術(shù)中壓實度智能實時檢測的一次飛躍.而隨機壓實度檢測技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化的有力結(jié)合將為振動壓路機的無人化和智能化打廠良好的基礎(chǔ)。

5 連續(xù)壓實檢測技術(shù)

公路施工壓實質(zhì)量對于道路來說非常重要，不密實的路基將會出現(xiàn)整體強度不足、沉降不均勻或變形過大等問題，從而影響路面結(jié)構(gòu)安全，特別是在我國公路建設(shè)中普遍存在的不均勻沉降病害，造成橋頭跳車、路基開裂等問題。目前，我國控制壓實質(zhì)量主要是通過檢測壓實材料密度或變形指標來實現(xiàn)，相應(yīng)的方法包括壓實度檢測、彎沉檢測、回彈模量檢測、阻力檢測和孔隙率檢測等，這些傳統(tǒng)控制方法一定程度上不能適應(yīng)我國交通建設(shè)高速發(fā)展的現(xiàn)狀，綜合來說主要存在以下問題：

（1）傳統(tǒng)的檢測方法屬于事后檢測，不能及時發(fā)現(xiàn)問題;

（2）傳統(tǒng)的檢測方法基本上屬于單點檢測，干擾施工流程，占用寶貴的施工時間;

（3）單點檢測適合樣本總體均勻的情況，當(dāng)填料存在變異時，抽樣點代表性差;

（4）單點檢測發(fā)現(xiàn)不合格部位時，難以界定處理的范圍;

（5）傳統(tǒng)的檢測方法存在效率低，精度低，工作強度高，易產(chǎn)生失真數(shù)據(jù)等問題。

連續(xù)壓實檢測技術(shù)的出現(xiàn)，較好的解決了上述問題。路基的智能壓實控制技術(shù)是在路基填筑碾壓過程中，根據(jù)土體與振動壓路機相互動態(tài)作用原理，通過連續(xù)量測振動壓路機振動輪豎向振動響應(yīng)信號，確定響應(yīng)信號和壓實質(zhì)量的關(guān)系，建立檢測評定與反饋控制體系，實現(xiàn)對整個碾壓面壓實質(zhì)量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制。這項技術(shù)涉及機械、材料、電子、信息、通訊、檢測、統(tǒng)計學(xué)等多個領(lǐng)域。在施工過程中，通過連續(xù)采集壓實數(shù)據(jù)，達到實時監(jiān)測壓實效果，降低檢測強度、減少檢測費用、加快施工進度的目的，并可實現(xiàn)遠程智能實時監(jiān)控。

6 數(shù)字化施工在項目監(jiān)控的應(yīng)用

6.1 實時壓實狀態(tài)

實時壓實狀態(tài)為接收GPRS發(fā)送來的壓實數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)實時解析，生成壓實現(xiàn)場的狀態(tài)模擬圖形，其部分功能類似與機載終端的壓實狀態(tài)模塊。

6.2 壓實狀態(tài)匯總

指非實時性的對現(xiàn)場壓實情況進行匯總性了解，可通過地圖控件顯示當(dāng)前壓實狀態(tài)點并選擇其顯示依據(jù);如：壓實度、高程、速度、振動頻率、壓實層數(shù)、壓實遍數(shù)等;可通過單擊某一地圖信息點，可了解當(dāng)前點的壓實度、高程、速度、振動頻率、當(dāng)前壓實層數(shù)、當(dāng)前位置點壓實遍數(shù)、差分狀態(tài)等信息。

6.3 軌跡查看

軌跡查看為將車輛運行軌跡記錄、并在地圖控件上顯示其運行軌跡。以方便確定車輛現(xiàn)場的運行狀態(tài)。

6.4 任務(wù)監(jiān)控

后臺管理人員可以通過GIS界面看到自己管轄范圍內(nèi)的所有在執(zhí)行的掘路回填壓實項目，每個項目的進度、質(zhì)量情況等信息。出現(xiàn)問題的項目會以突出形式顯示并閃爍。

7 數(shù)字化施工中智能壓實的優(yōu)勢

公路數(shù)字化施工中智能壓實（即連續(xù)壓實）相對于傳統(tǒng)施工具有如下優(yōu)勢：

7.1 提高施工效率，縮短工期

（1）減少70%的檢測人員，無需等待結(jié)果;

（2）提升機械施工效率15%以上;

（3）實時全程控制，可在最短時間內(nèi)以最好的質(zhì)量完成項目。

7.2 節(jié)約成本

（1）降低成本，節(jié)約油耗;

（2）減少作業(yè)人員數(shù)量并降低對人員技能數(shù)量度的依賴;

（3）減少返工所帶來的資源損耗。

7.3 提高施工質(zhì)量

（1）施工過程實時控制，避免人為影響;

（2）精確控制厚度、壓實度。

7.4 實時過程控制

（1）精確控制一次成型;

（2）遇到病害，可隨時識別，并提出精確治理措施;

（3）實時顯示施工報告，隨時掌握施工效果，避免事后控制帶來的返工。

8 數(shù)字化施工在普通公路工程中應(yīng)用的展望

數(shù)字化施工包括測量、機械控制、網(wǎng)絡(luò)通信等諸多方面，每一點都需要挖掘發(fā)展。作為普通公路施工中連續(xù)壓實質(zhì)量控制研究的一環(huán)——智能壓實。密云公路將從實際施工的角度出發(fā)，對于理論上GPS+加速度計+云平臺的新型組合發(fā)展前景予以應(yīng)用。

2019年初，密云公路將智能壓實的應(yīng)用列入落地實踐，在通懷路施工中進行的聯(lián)機檢測，通過實踐確保理論上的可行性。并與北京交通運輸職業(yè)學(xué)院、北京養(yǎng)護集團合作對智能壓實在路基施工中病害的識別進行了測試，取得了一些數(shù)據(jù)。據(jù)計劃在2020年底將采集的數(shù)據(jù)進行分析整理，推進公路工程施工智能壓實監(jiān)控技術(shù)標準化研究以及路基智能壓實技術(shù)填料病害識別分析與應(yīng)用。