基于壓實(shí)質(zhì)量的振動(dòng)壓路機(jī)智能化操控平臺(tái)研究*

沈 旭 ，余建輝

（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

1 智能控制技術(shù)的概念

無(wú)論是信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)還是自動(dòng)化工程技術(shù)，其發(fā)展方向都是智能化。目前在各種自動(dòng)化工程中，普遍使用了各種智能化系統(tǒng)和技術(shù)，因此智能化已經(jīng)成為各種工程現(xiàn)代化最為明顯的標(biāo)志。

智能控制是指將人腦運(yùn)算的思維模式進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)密運(yùn)算，再通過(guò)機(jī)械完成操作。其核心就是利用最小的成本，最快地完成所需的操作。通過(guò)最重要的工具“電腦”，將人腦思維模式轉(zhuǎn)化為一系列電腦代碼程序，指揮一系列操作，包括對(duì)智能信息的采集、處理和輸出并做出適當(dāng)?shù)臎Q策，最終實(shí)現(xiàn)智能控制技術(shù)[1]。

2 壓路機(jī)智能化操控平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和組成

2.1 基本結(jié)構(gòu)

壓路機(jī)智能化操控平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 智能化操控平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 組成

1）GNSS移動(dòng)站接收機(jī)：主要是采集GPS軌跡數(shù)據(jù)等。

2）3G/4G DTU模塊：用于客戶端與操控平臺(tái)交互。

3）車載專業(yè)終端：車載終端將自動(dòng)采集（4G網(wǎng)絡(luò)模式）相關(guān)的施工狀態(tài)，包括振動(dòng)、遍數(shù)、速度、位置等信息，如未達(dá)到壓實(shí)質(zhì)量狀態(tài)，系統(tǒng)立即報(bào)警。

4）CAN總線適配器：用于采集壓路機(jī)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5）壓實(shí)度計(jì)：通過(guò)安裝在振動(dòng)鋼輪上的傳感器連續(xù)傳送信號(hào)至壓實(shí)度計(jì)，經(jīng)壓實(shí)分析系統(tǒng)計(jì)算機(jī)后顯示被壓實(shí)物料的密實(shí)度值[2]。

6）瀝青路面溫度表：在瀝青面層壓實(shí)過(guò)程中，溫度太高或太低可能產(chǎn)生細(xì)微裂紋、瀝青混合料推移或骨料與黏結(jié)材料分離及壓碎骨料的風(fēng)險(xiǎn)。瀝青溫度表可使技術(shù)人員控制壓實(shí)的最佳溫度范圍。

7）電子驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)改善了壓實(shí)設(shè)備壓實(shí)瀝青過(guò)程中加速和減速的平滑性且不影響制動(dòng)距離[3]。

3 智能化操控平臺(tái)的特點(diǎn)和功能

3.1 特點(diǎn)

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)壓路機(jī)的碾壓軌跡、速度、振動(dòng)狀態(tài)，激振力，駕駛室內(nèi)的壓實(shí)導(dǎo)航為操作人員提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)，并在施工地圖中提供可視化呈現(xiàn)和碾壓過(guò)程回溯的功能。

2）實(shí)時(shí)計(jì)算出碾壓的壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)厚度，導(dǎo)航服務(wù)將以上信息實(shí)時(shí)提供給操作手進(jìn)行壓實(shí)導(dǎo)航服務(wù)。

3）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中存在問(wèn)題時(shí)，將立即通過(guò)手機(jī)短信或微信的方式發(fā)出實(shí)時(shí)告警，通知相關(guān)管理者。

4）施工結(jié)束后，將會(huì)對(duì)該項(xiàng)目的施工過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成質(zhì)量監(jiān)控報(bào)告，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、碾壓高程圖、碾壓層厚度圖、施工過(guò)程合格率、整體工程進(jìn)度以及預(yù)計(jì)完工的時(shí)長(zhǎng)等。

3.2 系統(tǒng)功能

主要包括項(xiàng)目的創(chuàng)建、項(xiàng)目的修改及維護(hù)、項(xiàng)目設(shè)備的配置、項(xiàng)目的歷史查詢等功能，詳細(xì)如下：

1）項(xiàng)目總覽：可以統(tǒng)一管理同一公司下的所有道路施工項(xiàng)目，并能夠通過(guò)地圖的方式提供快速索引功能。

2）項(xiàng)目列表：通過(guò)列表的方式展示，并提供修改的功能，可以修改該項(xiàng)目下的壓路機(jī)數(shù)目和項(xiàng)目基本信息，查看當(dāng)前項(xiàng)目的進(jìn)度，施工過(guò)程及施工過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)的告警信息。

3）項(xiàng)目壓實(shí)層添加：添加或修改壓實(shí)層的質(zhì)量要求、壓實(shí)區(qū)域等信息。

4）項(xiàng)目壓實(shí)層配置：管理系統(tǒng)的壓實(shí)層、添加壓實(shí)層、設(shè)置施工質(zhì)量要求等。

5）項(xiàng)目壓路機(jī)管理配置：維護(hù)系統(tǒng)中需要監(jiān)控的壓實(shí)設(shè)備信息，可以添加刪除和修改壓路機(jī)的配置信息等。

6）項(xiàng)目報(bào)警設(shè)置：添加報(bào)警項(xiàng)目、推送對(duì)象、報(bào)警等級(jí)、處理結(jié)果等。

7）項(xiàng)目進(jìn)度查看：可查看整體工程進(jìn)度、每個(gè)工作區(qū)的質(zhì)量匯總信息等。

8）項(xiàng)目進(jìn)度分析報(bào)表：當(dāng)前總工程進(jìn)度，當(dāng)前工作層實(shí)時(shí)施工進(jìn)度，當(dāng)前設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。

9）項(xiàng)目施工實(shí)時(shí)監(jiān)控：可查看當(dāng)前工作區(qū)的實(shí)時(shí)情況，設(shè)備位置、壓實(shí)遍數(shù)、當(dāng)前速度、密實(shí)度、車輛行駛路徑及當(dāng)前系統(tǒng)報(bào)警信息等。

10）項(xiàng)目施工質(zhì)量追溯：查看歷史壓實(shí)層質(zhì)量信息、查看歷史壓實(shí)數(shù)據(jù)。

11）項(xiàng)目報(bào)警設(shè)置記錄分析：保存系統(tǒng)報(bào)警記錄，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到質(zhì)量異常時(shí)，可向設(shè)定人員實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)警信息提示。

12）項(xiàng)目施工完工報(bào)告：當(dāng)執(zhí)行完關(guān)閉工作區(qū)操作后，系統(tǒng)將根據(jù)采集到的施工數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成工作區(qū)域施工質(zhì)量報(bào)告，主要描述內(nèi)容包括整體施工質(zhì)量和質(zhì)量合格率，可打印報(bào)表，也可導(dǎo)出為EXCEL 文件。

13）終端相關(guān)功能：包括施工導(dǎo)航功能、施工數(shù)據(jù)采集（GPS 軌跡、壓實(shí)度、壓路機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)等）、工單執(zhí)行與完工報(bào)工、刷卡報(bào)工、壓路機(jī)維修保養(yǎng)登記及超速報(bào)警等。

4 壓路機(jī)智能化操控平臺(tái)的應(yīng)用

在路橋施工中，振動(dòng)壓路機(jī)施工水平的高低直接影響壓實(shí)質(zhì)量的高低。智能化操控平臺(tái)與智能壓路機(jī)結(jié)合之后，具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 壓實(shí)度測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用裝于振動(dòng)輪上的智能傳感器，收集被壓實(shí)材料產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并傳至信號(hào)處理器，再經(jīng)分析得到材料的壓實(shí)情況，顯示在屏幕上。工作人員據(jù)此判斷是否存在壓實(shí)不均勻或是否達(dá)到工程質(zhì)量要求，為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供參考。

4.2 振動(dòng)壓實(shí)進(jìn)程自動(dòng)化系統(tǒng)

4.2.1 振動(dòng)頻率（F）的調(diào)節(jié)

振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)實(shí)際上就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)輪進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)，因受迫而上下振動(dòng)壓實(shí)材料。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部容積的控制，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生變化，從而達(dá)到控制振動(dòng)頻率的目的。

4.2.2 振幅（A）的調(diào)節(jié)

根據(jù)調(diào)節(jié)原理不同，分為2 種形式：一是正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度較高，即利用智能技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)油腔和回油腔，改變振動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)方向，再通過(guò)對(duì)內(nèi)部偏心塊進(jìn)行有效疊加和抵消，從而達(dá)到調(diào)節(jié)振幅的目的。二是雙軸調(diào)幅，調(diào)節(jié)幅度范圍較廣，為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)一個(gè)連到電動(dòng)機(jī)另一個(gè)連到齒輪組的2個(gè)偏心軸位置的改變，以達(dá)到調(diào)節(jié)振幅的目的。其中偏心軸位置的改變需要通過(guò)伺服閥和液壓缸來(lái)控制。

4.2.3 行駛速度的調(diào)節(jié)

通過(guò)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)上安裝的傳感器將收集到相應(yīng)的信息傳至相關(guān)設(shè)備，經(jīng)分析和處理后再傳至驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上安裝的傳感器，再與壓路機(jī)實(shí)際行駛速度進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保行駛速度的準(zhǔn)確性。

4.3 診斷與監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)振動(dòng)壓路機(jī)內(nèi)部進(jìn)行全方位監(jiān)控。當(dāng)壓路機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠自行進(jìn)行診斷，并將診斷分析出的原因向工作人員顯示，從而及時(shí)了解壓路機(jī)運(yùn)行狀況，避免壓路機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。與此同時(shí)，還可以將診斷原因和維修結(jié)果記錄下來(lái)，以防再次出現(xiàn)相同問(wèn)題時(shí)能夠快速向工作人員提示，不必再行診斷環(huán)節(jié)[3-4]。

4.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在壓路機(jī)等機(jī)械設(shè)備中已付諸使用。振動(dòng)壓路機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)，其實(shí)際工作模式與施工地段的土壤情況、地形條件以及氣候條件等都緊密相關(guān)，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)技術(shù)對(duì)施工路面的相關(guān)信息進(jìn)行采集，并自動(dòng)傳輸至計(jì)算機(jī)中，經(jīng)分析后繪制出相應(yīng)畫面顯示在屏幕上，以便工作人員及時(shí)了解施工過(guò)程實(shí)際情況。一旦施工過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，該系統(tǒng)立即發(fā)出相關(guān)信號(hào)，并傳至振動(dòng)壓路機(jī)的接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)甚至客戶端，工作人員通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析后，再對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使路面的壓實(shí)質(zhì)量滿足要求。由此既實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓路機(jī)的智能操控，同時(shí)還減少了機(jī)械設(shè)備不必要的損耗，更加合理、科學(xué)以及系統(tǒng)地維護(hù)機(jī)械[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，三一重工、徐工集團(tuán)等國(guó)際知名企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)了高精度GPS 或北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以及傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)的無(wú)人駕駛精準(zhǔn)作業(yè)甚至實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人智能集群施工”，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、覆蓋電臺(tái)和微波達(dá)2 km之多，碾壓直線精度和重疊精度均達(dá)到5 cm 之內(nèi)。同時(shí)碾壓軌跡即時(shí)記錄、隨時(shí)查詢，還伴有遠(yuǎn)程喚醒、設(shè)備休眠和RTK-G P S 高精度定位及自適應(yīng)自動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)等諸多先進(jìn)配置，極大地提高了施工質(zhì)量和施工效率。當(dāng)然，盡管智能化控制技術(shù)在工程機(jī)械控制中的優(yōu)勢(shì)明顯，但是存在的問(wèn)題也無(wú)法忽視，如設(shè)備中某些裝置科技水平尚待提高、工作人員操作水平尚待提高以及操作過(guò)程嚴(yán)密性不夠等等。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)、智能壓實(shí)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、可視化技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)及5G 技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)的進(jìn)一步應(yīng)用，振動(dòng)壓路機(jī)的智能化操控平臺(tái)定將會(huì)更上一個(gè)臺(tái)階。