淺析道路工程無人化智能化的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

林澤昊

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

進(jìn)入21世紀(jì)30年代，全球經(jīng)濟(jì)體正進(jìn)行著深刻且持續(xù)的變革，而制造業(yè)是判斷一個(gè)國(guó)家工業(yè)是否強(qiáng)盛的標(biāo)志，更是世界各國(guó)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、拔高國(guó)家硬實(shí)力的有力途徑。全球各國(guó)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)指出，工業(yè)化深化到一定程度后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)很大程度上將取決于工業(yè)裝備水平的提高，所以工程機(jī)械機(jī)群的智能化、系統(tǒng)化、無人化是未來工程機(jī)械發(fā)展的重要趨勢(shì)。

1 道路無人化智能化施工研究背景

據(jù)2020年6月25日在京召開的交通運(yùn)輸部例行新聞發(fā)布會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至目前為止，高速公路總里程達(dá)到15萬公里，屬世界第一。但同時(shí)調(diào)查表明，交通流量日益的增大也帶來了嚴(yán)重的道路老化與破壞等問題，如車轍、裂縫、波浪等病害早已屢見不鮮。

目前，瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)已經(jīng)具備了較高的智能化水平，美中不足的是，因?yàn)楫?dāng)前瀝青就地?zé)嵩偕夹g(shù)工藝流程復(fù)雜，因此現(xiàn)有技術(shù)路線還存在一些薄弱點(diǎn)——智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難；養(yǎng)護(hù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣；施工機(jī)組定位困難。另外，在不能中斷交通的高速公路上施工具有巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

由此可見，發(fā)展無人化道路集群作業(yè)是大勢(shì)所趨。借助無人駕駛技術(shù)，無人化施工機(jī)群可被視為具備養(yǎng)護(hù)功能的多智能體，利用多智能體理論，結(jié)合瀝青路面就地?zé)嵩偕┕すに嚕瑸檠邪l(fā)無人化施工技術(shù)與裝備提供了新方法。

2 道路無人化智能化裝備研究現(xiàn)狀

2.1 無人化裝備研究現(xiàn)狀

時(shí)至今日，全球范圍內(nèi)車輛的無人駕駛技術(shù)已經(jīng)日趨完善。無人駕駛技術(shù)利用傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等，通過集成視覺、激光雷達(dá)等多種車載傳感器來辨識(shí)車輛所處的環(huán)境和狀態(tài)，并對(duì)所獲得的道路信息、車輛位置和障礙物信息做出分析，控制車輛行駛，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛依據(jù)自身意圖和環(huán)境的擬人駕駛。該領(lǐng)域的研究為就地?zé)嵩偕┕ぱb備無人化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（1）國(guó)外工程機(jī)械無人化裝備現(xiàn)狀?；跓o人駕駛技術(shù)在車輛領(lǐng)域成熟的發(fā)展，無人化技術(shù)也逐漸應(yīng)用到了工程機(jī)械領(lǐng)域。在建筑機(jī)械領(lǐng)域中，美國(guó)卡特彼勒在2019年7月5日公開了無人駕駛型機(jī)組。該無人化機(jī)組提升了起重機(jī)作業(yè)安全性和效率。礦山機(jī)械中，國(guó)際工程機(jī)械巨頭小松的無人運(yùn)輸系統(tǒng)（AHS)已經(jīng)完成超過20億噸物料運(yùn)輸，在巴西卡拉加斯礦山增加37臺(tái)930E無人駕駛礦車，以更好地助力當(dāng)?shù)鼐G色礦山建設(shè)。

（2）國(guó)內(nèi)工程機(jī)械無人化裝備現(xiàn)狀。三一重工股份有限公司與交通資源公司、浙高運(yùn)公司共合作，成功研制出高速公路路面罩面無人化成套施工機(jī)械設(shè)備。該無人化機(jī)群由三大關(guān)鍵技術(shù)支撐：攤鋪機(jī)智能施工技術(shù)、壓路機(jī)群協(xié)同施工技術(shù)、群控安全技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了路面施工高度智能化、無人化，翻開了高速公路無人化養(yǎng)護(hù)施工的新篇章。

徐工RP1655超寬超厚型攤鋪機(jī)也隨著5G、智能化、無人化等前沿技術(shù)的逐漸普及，攜手行業(yè)獨(dú)有的先進(jìn)技術(shù)-瀝青攤鋪測(cè)厚技術(shù)和無線遙控技術(shù)在陜西平鎮(zhèn)高速榮耀亮相。

2.2 道路無人化機(jī)群研究現(xiàn)狀

當(dāng)前的路面施工過程中需要多個(gè)機(jī)種的參與，主要靠人工通訊指揮，存在著如下弊端：①資源配置不盡合理。②施工中信息交換量小，實(shí)時(shí)性差。③易出現(xiàn)物料斷流或積壓。④能耗大，生產(chǎn)率低。⑤勞動(dòng)強(qiáng)度大，養(yǎng)護(hù)人員施工風(fēng)險(xiǎn)大。鑒于上述問題，國(guó)內(nèi)外各大企業(yè)紛紛開始研發(fā)一套基于控制技術(shù)、人工智能、傳感器融合、無人化輔助施工等先進(jìn)技術(shù)的機(jī)群智能化施工控制技術(shù)及應(yīng)用平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)施工、降低施工成本。

（1）國(guó)外瀝青路面無人化養(yǎng)護(hù)裝備機(jī)群施工技術(shù)的研究現(xiàn)狀。小松與ZMP公司在工程機(jī)械和礦山機(jī)械的自動(dòng)駕駛以及無人化技術(shù)共同研發(fā)，實(shí)現(xiàn)無人駕駛及操作的工程機(jī)械，其利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和傳感器控制，于2013～2014年實(shí)現(xiàn)了整地和挖掘等自動(dòng)化的推土機(jī)和挖掘機(jī)。2019年3月，沃爾沃建筑設(shè)備攜手瑞典電信運(yùn)營(yíng)商特利亞（Telia）和愛立信啟動(dòng)了瑞典首個(gè)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)，將用于遠(yuǎn)程控制工程機(jī)械機(jī)組測(cè)試。

（2）國(guó)內(nèi)瀝青路面無人化養(yǎng)護(hù)裝備機(jī)群施工技術(shù)的研究現(xiàn)狀。2020年7月9日，三一路機(jī)無人攤壓協(xié)同施工機(jī)群包含2臺(tái)無人駕駛攤鋪機(jī)、2臺(tái)無人駕駛輪胎壓路機(jī)、3臺(tái)無人駕駛雙鋼輪壓路機(jī)與1個(gè)無人駕駛監(jiān)控室。“多攤、多壓”無人協(xié)同機(jī)群智能管理機(jī)群主要采用攤鋪機(jī)智能施工技術(shù)、機(jī)群協(xié)同施工技術(shù)、群控安全技術(shù)與控制平臺(tái)技術(shù)四大關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)控制。

2020年6月9日，由徐州工程機(jī)械集團(tuán)，四川鐵路投資集團(tuán)和清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，將無人駕駛的攤鋪機(jī)和壓路機(jī)應(yīng)用于建設(shè)高速公路上。 據(jù)中央電視臺(tái)報(bào)道，由三臺(tái)攤鋪機(jī)和六個(gè)壓路機(jī)組成的無人駕駛智能設(shè)備集群完成了鋪路和壓實(shí)高速公路的穩(wěn)定土壤。這是世界上第一次無人駕駛集群建造了無人駕駛專用車道。

3 道路無人化智能化施工的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工大數(shù)據(jù)采集、自學(xué)習(xí)、決策技術(shù)

采集各個(gè)施工場(chǎng)景的歷史數(shù)據(jù)信息通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析并利用回歸算法計(jì)算出最佳施工參數(shù)配置，形成特定場(chǎng)景下的決策樹，幫助計(jì)算機(jī)自主判斷下一步動(dòng)作指令，讓機(jī)器真正具備思考能力。

3.2 多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

多機(jī)協(xié)同控制策略是實(shí)現(xiàn)機(jī)組的協(xié)同控制有效解決方法之一，該策略針對(duì)協(xié)同控制涉及的信息融合、傳感器測(cè)量等先進(jìn)技術(shù)帶來的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，并做出合理的決策和任務(wù)分配。整個(gè)施工過程采取標(biāo)準(zhǔn)化控制方案，確保施工流程規(guī)范化、施工過程可追溯，真正實(shí)現(xiàn)公路養(yǎng)護(hù)的人工智能精細(xì)化施工。

3.3 單機(jī)無人駕駛技術(shù)

利用高精度GNSS定位技術(shù)確定車輛的全局坐標(biāo)、通過慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛位置信息，利用SLAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛的路徑規(guī)劃，同時(shí)增加視覺檢測(cè)功能，精確識(shí)別障礙物。再利用激光雷達(dá)的飛行時(shí)間（TOF）技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。

3.4 機(jī)組無人駕駛及自動(dòng)跟隨技術(shù)

采用雷達(dá)制動(dòng)系統(tǒng)和V2V通信技術(shù)結(jié)合的方式，提高機(jī)組無人駕駛的安全性及可操作性，后方車輛可以按照要求跟隨前方車輛移動(dòng)，使后車可以完美模仿前車的動(dòng)作進(jìn)行加速、減速、轉(zhuǎn)向、掉頭等動(dòng)作，使整個(gè)機(jī)組保持動(dòng)作一致性和整體性。

3.5 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)

接入無人車終端及場(chǎng)內(nèi)智能終端實(shí)現(xiàn)對(duì)特定場(chǎng)景生產(chǎn)過程的人、機(jī)、料、法、環(huán)等數(shù)據(jù)的全面感知，獲取各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；接入整車數(shù)據(jù)，獲取里程、油耗、故障代碼等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛故障代碼及其他狀態(tài)信息的檢測(cè)。

4 道路無人化智能化施工對(duì)未來的意義

根據(jù)上述對(duì)國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械無人化現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)，結(jié)合當(dāng)前無人化浪潮對(duì)工業(yè)發(fā)展的整體化影響，不難發(fā)現(xiàn)，道路施工無人化具有許多值得發(fā)展與進(jìn)一步深化的價(jià)值。首先，由于人員生命財(cái)產(chǎn)是施工的第一位，無人化的發(fā)展可以很大程度上減少人員的使用與分布，使施工現(xiàn)場(chǎng)更加易于管理調(diào)配，安全性增強(qiáng)。其次，人員的減少使施工過程中各種人為的不確定性因素減少，使施工過程更加規(guī)范化，提升了施工的整體質(zhì)量。同時(shí)，機(jī)組的整體協(xié)作也大大提高了工程效率。最后，隨著全球老齡化和勞動(dòng)力稀缺，減少人工上崗可以進(jìn)一步削減成本，且可以節(jié)省上崗培訓(xùn)等時(shí)間成本。

5 結(jié)語

道路無人化施工技術(shù)具有重大的工業(yè)價(jià)值和效益，通過瀝青路面熱再生機(jī)組無人化施工技術(shù)研發(fā)，徹底顛覆熱再生養(yǎng)護(hù)作業(yè)的施工形態(tài)，由當(dāng)前的勞動(dòng)密集型、經(jīng)驗(yàn)型作業(yè)方式變成技術(shù)集中型產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)新一代道路裝備發(fā)展的潮流，推動(dòng)我國(guó)養(yǎng)護(hù)裝備與工藝發(fā)展進(jìn)入世界一流水平。道路裝備無人化思維在工程領(lǐng)域變革中必然引起浪潮。