3D 數(shù)字化智能控制技術(shù)在瀝青路面下面層攤鋪施工中的應(yīng)用研究

趙秀娟

（江蘇鎮(zhèn)江路橋工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

1 工程概況

宜興至長(zhǎng)興高速公路江蘇段YC-21 標(biāo)路面施工項(xiàng)目路線全長(zhǎng)25.453km，主要工作內(nèi)容為主線、匝道的路面底基層、基層、瀝青混凝土面層施工。

2 3D 數(shù)字化智能控制技術(shù)

3D 施工技術(shù)控制系統(tǒng)主要由三維位置定位系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)和3D 施工輔助軟件3 部分組成。3D 攤鋪控制系統(tǒng)設(shè)備有：測(cè)量機(jī)器人、360 徠卡棱鏡、桅桿坡度傳感器、橫坡傳感器、電臺(tái)、主控制器、桅桿、連接線纜、3D 施工輔助軟件。將道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、里程樁設(shè)計(jì)坐標(biāo)、采集下承層數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)建模軟件建模，通過3D 數(shù)字化智能控制系統(tǒng)和測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)施工過程系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行控制，無須測(cè)量放樣和找基準(zhǔn)線，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)字化和精準(zhǔn)化。

3 工程應(yīng)用情況

3.1 施工技術(shù)配置方案

本工程采用雙機(jī)連鋪，如圖1 所示。3D 施工技術(shù)配置為：2臺(tái)攤鋪機(jī)、4 根桅桿、6 個(gè)360°棱鏡、3 臺(tái)機(jī)器人全站儀、1 臺(tái)全站儀。先行攤鋪機(jī)在攤鋪機(jī)兩側(cè)大臂上安裝一根桅桿和一個(gè)360°棱鏡，兩側(cè)全部實(shí)現(xiàn)3D 控制。后行攤鋪機(jī)外側(cè)采用3D 控制，大臂上安裝1 根桅桿和1 個(gè)360°棱鏡，內(nèi)側(cè)以先行攤鋪機(jī)的工作面為基準(zhǔn)走接觸式傳感器（滑靴）控制高程。3 臺(tái)測(cè)量機(jī)器人分別單獨(dú)跟蹤和測(cè)量桅桿上的棱鏡。第四臺(tái)測(cè)量機(jī)器人用于“蛙跳”，用于施工數(shù)據(jù)檢測(cè)和“蛙跳”，即當(dāng)前2 臺(tái)全站儀測(cè)量倒站時(shí)，第三臺(tái)和第四臺(tái)測(cè)量機(jī)器人用于替代其中1 臺(tái)測(cè)量棱鏡，確保施工連續(xù)不間斷。

圖1 雙機(jī)聯(lián)鋪配制方案示意圖

3.2 3D 技術(shù)攤鋪施工工藝流程

3D 技術(shù)攤鋪施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 3D 技術(shù)攤鋪施工工藝流程

3.3 3D 技術(shù)攤鋪施工

3D 技術(shù)攤鋪施工過程為：

1）車載設(shè)備的安裝與校準(zhǔn)。

2）下承層三維數(shù)據(jù)采集。施工前，采用水準(zhǔn)儀及全站儀采集下承層三維坐標(biāo)，一般每10m 一個(gè)斷面，每斷面3 個(gè)點(diǎn)。

3）三維數(shù)據(jù)建模擬合。（1）建模：將采集的下承層數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 施工輔助軟件，進(jìn)行三維建模，形成里程樁坐標(biāo)、施工線形、施工模型、檢測(cè)模型文件[1]；（2）建模擬合：建模完成后，系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)從點(diǎn)、線、面方面進(jìn)行整合，形成一個(gè)平滑的施工面，施工前檢查模型有無異常點(diǎn)及結(jié)構(gòu)層厚度、橫坡度是否符合設(shè)計(jì)要求，確認(rèn)無誤后方可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。如施工模型是有異常凸起和下凹現(xiàn)象，在平整度、橫坡度不受影響的前提下進(jìn)行調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)層厚度，避免因設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的道路攤鋪問題。

4）三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入。建模完成后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為主控制器可識(shí)別的文件拷入存儲(chǔ)卡，把里程坐標(biāo)文件、施工線形文件、施工模型文件導(dǎo)入主控制器，檢測(cè)模型文件測(cè)量機(jī)器人。

5）測(cè)量機(jī)器人設(shè)站。測(cè)量機(jī)器人設(shè)站用已知點(diǎn)建站和后方交會(huì)建站，建站時(shí)注意棱鏡跟儀器間的通視及施工設(shè)備對(duì)其的干擾，測(cè)量機(jī)器人的最佳測(cè)距為200～250m，一般情況下架一站儀器可以施工400～500m。

6）控制系統(tǒng)的啟用。測(cè)量機(jī)器人安設(shè)完畢后，打開控制器，把導(dǎo)入的數(shù)據(jù)項(xiàng)目打開，將測(cè)量機(jī)器人切換到控制模式，此時(shí)測(cè)量機(jī)器人將會(huì)自動(dòng)跟蹤棱鏡捕獲三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過攤鋪機(jī)系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)實(shí)時(shí)將棱鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的控制箱中，控制箱將獲得的當(dāng)前坐標(biāo)信息與設(shè)計(jì)卡中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，生成相應(yīng)的高程修正信息并傳遞攤鋪機(jī)左右兩側(cè)邊控箱，由邊控箱對(duì)應(yīng)生成相應(yīng)的比例驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過液壓閥驅(qū)動(dòng)攤鋪機(jī)牽引臂液壓油缸使熨平板進(jìn)行相應(yīng)方向的調(diào)整和修正，從而使攤鋪道面產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補(bǔ)路面波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所要求的路面平整度?？刂葡到y(tǒng)開機(jī)后要確保機(jī)器人360°棱鏡跟蹤正確。

7）攤鋪過程控制。攤鋪起步后，實(shí)時(shí)檢測(cè)攤鋪面的標(biāo)高并進(jìn)行調(diào)整，尤其是在剛起步時(shí)要緊跟檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)要求，正常后3D 控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，每20m 檢測(cè)一次，進(jìn)行調(diào)整。施工過程中要注意運(yùn)輸車及障礙物對(duì)360°棱鏡的遮擋，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4 3D 施工與傳統(tǒng)施工效能分析對(duì)比

4.1 質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比分析

無須人工架設(shè)引導(dǎo)基準(zhǔn)，采用全站儀引導(dǎo)進(jìn)行精準(zhǔn)數(shù)字化施工作業(yè)。在確保攤鋪標(biāo)高的同時(shí)提高了攤鋪面的平順性和平整度。

4.2 誤差影響因素對(duì)比分析

3D 智能控制系統(tǒng)通過擬合模型自動(dòng)控制，不受光線影響，解決了傳統(tǒng)工藝讀數(shù)及塔尺垂直誤差，釬晃動(dòng)、導(dǎo)線下?lián)?、鋁合金中導(dǎo)梁無法精確控制，導(dǎo)線高程誤差、懸空高測(cè)量誤差，霧天能見度差、夜間光線弱等環(huán)節(jié)引起的誤差。

4.3 成本控制的對(duì)比分析

3D 施工技術(shù)無須打樁放樣人工測(cè)量，而且可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷的施工，可以大大減少工人數(shù)量、工程等待的時(shí)間，可以提高機(jī)械使用的效率，降低油耗，提高工作效率縮短工期，節(jié)約物料等。

4.4 施工安全對(duì)比分析

3D 攤鋪省去測(cè)量放線、架設(shè)鋼絲導(dǎo)向線等工序，減少了傳統(tǒng)工序中使用大量輔助人員與施工機(jī)械存在不可避免的交叉作業(yè)存在的安全隱患，確保了人員和機(jī)械設(shè)備的安全。

4.5 施工過程化控制對(duì)比分析

3D 數(shù)字化智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工過程系統(tǒng)自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)檢測(cè)和施工質(zhì)量反饋，相對(duì)傳統(tǒng)施工可以精準(zhǔn)地控制施工全過程，特別是能夠完整地反映傳統(tǒng)施工不能夠解決的曲線的彎曲度，使攤鋪線性控制更平順。

5 結(jié)語

3D 控制系統(tǒng)的引入完全改變了傳統(tǒng)的攤鋪工作方式，在精度控制、效率提高、綜合效益提高方面比傳統(tǒng)施工方式有不同程度的提高，是將來攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展方向，可以實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)施工方式向現(xiàn)代數(shù)字化施工方式的轉(zhuǎn)變。