瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)研究

趙曜 李康建 徐灃馳

摘 要：現(xiàn)代科技進(jìn)步促使道路工程機(jī)械朝著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。通過在瀝青混合料攤鋪機(jī)和壓路機(jī)上加裝集成化車載設(shè)備與遠(yuǎn)程云計(jì)算中心協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料攤鋪與碾壓作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對(duì)攤鋪與壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，有效提升攤鋪、碾壓作業(yè)的效率和質(zhì)量。本文介紹了基于高精度GPS定位技術(shù)的瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)的組成與技術(shù)原理、功能特點(diǎn)與使用要點(diǎn)，為相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料; GPS; 智能; 攤鋪; 碾壓; 系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U4115? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）10-081-002

1.瀝青路面攤鋪、碾壓作業(yè)

1.1瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)

瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)是指將拌制好的瀝青混合料均勻地?cái)備佋谝褱?zhǔn)備好的下承層之上。瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)是瀝青路面施工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量直接影響路面的均勻性與平整性，是路面施工質(zhì)量控制的基本保障。瀝青混合料攤鋪采用專用機(jī)械作業(yè)，主導(dǎo)機(jī)械是瀝青混合料攤鋪機(jī)（以下簡稱攤鋪機(jī)）。

攤鋪?zhàn)鳂I(yè)質(zhì)量控制一般分為攤鋪前的控制、攤鋪過程中的控制以及攤鋪后的質(zhì)量檢測等三個(gè)環(huán)節(jié)。攤鋪?zhàn)鳂I(yè)前主要是準(zhǔn)備下承層、確定攤鋪機(jī)作業(yè)參數(shù);準(zhǔn)備下承層包括對(duì)下承層的質(zhì)量檢測、徹底清掃并灑布粘層或透層瀝青，攤鋪機(jī)作業(yè)參數(shù)主要包括熨平板的寬度、拱度和初始工作仰角、攤鋪厚度以及行進(jìn)速度等。由于攤鋪?zhàn)鳂I(yè)后緊接著是壓實(shí)作業(yè)，中間無間歇時(shí)間，因而攤鋪?zhàn)鳂I(yè)質(zhì)量檢測一般是在壓實(shí)作業(yè)完成后進(jìn)行，包括平整度、壓實(shí)度、彎沉、抗滑性能等。攤鋪過程中主要是保證攤鋪機(jī)按照設(shè)定參數(shù)連續(xù)作業(yè)，確保瀝青混合料攤鋪溫度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)離析、邊角缺料等現(xiàn)象可及時(shí)進(jìn)行換料和補(bǔ)料?？梢娤抻趥鹘y(tǒng)攤鋪機(jī)的智能化水平較低，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中很難做到對(duì)瀝青混合料的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)情況的及時(shí)反饋、快速調(diào)整和精確控制，導(dǎo)致瀝青路面攤鋪施工質(zhì)量控制總是以攤鋪前控制和攤鋪后質(zhì)量檢測為主，一旦發(fā)現(xiàn)問題就難以補(bǔ)救。

1.2瀝青混合料碾壓作業(yè)

瀝青混合料碾壓作業(yè)是指將已攤鋪的瀝青混合料進(jìn)行均勻、充分壓實(shí)，使瀝青路面具有良好的使用性能。瀝青混合料碾壓作業(yè)是瀝青路面施工的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量好壞直接影響路面使用舒適度和服役年限，一直以來是路面施工質(zhì)量控制的重中之重。瀝青混合料碾壓同樣采用專用機(jī)械作業(yè)，主導(dǎo)機(jī)械是壓路機(jī)，常以雙鋼輪壓路機(jī)和膠輪壓路機(jī)為組合碾壓機(jī)械，雙鋼輪壓路機(jī)在前、膠輪壓路機(jī)在后。

碾壓作業(yè)質(zhì)量控制要點(diǎn)主要為：碾壓溫度、碾壓遍數(shù)、碾壓速度及碾壓順序。其中，碾壓溫度要求瀝青混合料在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)完成碾壓;碾壓遍數(shù)要求各作業(yè)點(diǎn)壓路機(jī)來回碾壓的遍數(shù)不低于規(guī)定遍數(shù);碾壓速度要求壓路機(jī)行駛速度滿足規(guī)定速度范圍;碾壓順序即不同壓路機(jī)碾壓的先后次序。瀝青混合料碾壓時(shí)，碾壓順序肉眼直觀可見，碾壓溫度可通過現(xiàn)場測量得到，碾壓速度主要由操作手控制，均是較為直觀的控制指標(biāo)。碾壓遍數(shù)不僅涉及到多臺(tái)壓路機(jī)協(xié)同作業(yè)，且涉及到每臺(tái)壓路機(jī)的位置信息，因此碾壓遍數(shù)多為人為主觀判斷，與真實(shí)碾壓遍數(shù)間誤差較大。

由上述分析可知，瀝青混合料的攤鋪與碾壓作業(yè)質(zhì)量控制要點(diǎn)可簡單劃分為溫度、速度與位置三大要素[1]，國內(nèi)外圍繞攤鋪、碾壓作業(yè)質(zhì)量提升開展了較為廣泛的研究。一方面，從優(yōu)化施工機(jī)械、施工工藝等方面入手，提高攤鋪與壓實(shí)質(zhì)量。另一方面，隨著精確定位、高精度傳感器、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化機(jī)械控制技術(shù)在道路工程領(lǐng)域內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用。近幾年，瀝青混合料攤鋪機(jī)結(jié)合GPS技術(shù)的應(yīng)用，為切實(shí)提高攤鋪與壓實(shí)作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量提供了有效方法[2，3]。

2.智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)的組成與技術(shù)原理

瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)，是通過在傳統(tǒng)攤鋪機(jī)和壓路機(jī)上加裝的集成化車載設(shè)備與遠(yuǎn)程云計(jì)算中心協(xié)同完成數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理、超標(biāo)預(yù)警和修正指令下達(dá)等工作流程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)攤鋪、碾壓作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)攤鋪、碾壓作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。

2.1智能攤鋪技術(shù)原理

攤鋪機(jī)的數(shù)據(jù)采集，主要是指攤鋪溫度和攤鋪機(jī)行進(jìn)速度等數(shù)據(jù)的采集。整個(gè)攤鋪斷面的溫度數(shù)據(jù)是通過在熨燙裝置上均勻布設(shè)的紅外溫度傳感器采集。攤鋪機(jī)行進(jìn)速度是通過基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的差分定位測算得到。攤鋪?zhàn)鳂I(yè)現(xiàn)場采集的攤鋪溫度、攤鋪速度等數(shù)據(jù)可以通過LED顯示屏實(shí)時(shí)展示，同時(shí)數(shù)據(jù)由無線傳輸模塊傳輸至云計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行對(duì)照，若超出標(biāo)準(zhǔn)范圍則會(huì)向攤鋪機(jī)發(fā)出超標(biāo)報(bào)警，計(jì)算結(jié)果一并推送給后臺(tái)預(yù)設(shè)的施工管理人員。最后由管理人員下達(dá)修正指令，并通過攤鋪機(jī)內(nèi)搭載的控制終端完成對(duì)行進(jìn)速度和行進(jìn)路線的修正，以達(dá)到提高攤鋪?zhàn)鳂I(yè)智能化水平的目的。

瀝青混合料智能攤鋪系統(tǒng)所安裝的車載設(shè)備主要包括：各類傳感器、高精度GPS定位終端、車載控制終端、無線傳輸模塊和LED顯示器等。各車載設(shè)備基本功能如下：

（1）安裝在熨燙裝置上的傳感器有紅外溫度傳感器、振動(dòng)和傾斜角度傳感器兩大類，紅外溫度傳感器用以實(shí)時(shí)采集攤鋪斷面的溫度，振動(dòng)和傾斜角度傳感器用以實(shí)時(shí)采集熨燙平板的工作狀態(tài)參數(shù)（包括振幅和傾斜角度等）。

（2）高精度GPS定位終端：在攤鋪機(jī)行走過程中，同步接收差分信號(hào)和高程信號(hào)，經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)攤鋪機(jī)行走位置的精準(zhǔn)定位，同時(shí)測算出行進(jìn)速度，繪制實(shí)時(shí)攤鋪軌跡，實(shí)時(shí)掌握攤鋪狀態(tài)，為后續(xù)下達(dá)超標(biāo)預(yù)警或修正指令等提供數(shù)據(jù)支持。

（3）車載控制終端：安裝在攤鋪機(jī)駕駛艙內(nèi)，不僅能夠進(jìn)行攤鋪層位、攤鋪方向、攤鋪標(biāo)段、攤鋪樁號(hào)等基本信息的輸入，還可以將傳感器陣列采集到的溫度、振幅和傾斜角度等信息繪制成攤鋪實(shí)時(shí)云圖，分析溫度離析區(qū)域和熨燙平板的工作狀態(tài)。同時(shí)，駕駛員通過該控制終端可以直接下達(dá)行進(jìn)速度修正指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)攤鋪速度的動(dòng)態(tài)控制，也為后續(xù)的碾壓提供參考數(shù)據(jù)。

（4）無線傳輸模塊：將采集到的溫度數(shù)據(jù)、行進(jìn)速度等數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

（5）LED顯示屏：實(shí)時(shí)顯示傳感器采集到的溫度、熨燙平板的振幅和傾斜角度等信息，以及通過基準(zhǔn)站、激光發(fā)射器和高精度GPS定位終端協(xié)同工作測算到的攤鋪機(jī)行進(jìn)速度等信息。

2.2智能碾壓技術(shù)原理

智能碾壓技術(shù)原理與前述智能攤鋪技術(shù)原理相似，通過相關(guān)車載設(shè)備采集碾壓溫度、速度、位置等信息，由無線傳輸模塊傳輸至云計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算分析，具備超標(biāo)報(bào)警等功能。與智能攤鋪的主要區(qū)別在于：壓路機(jī)振動(dòng)頻率采集、碾壓遍數(shù)的分析及碾壓遍數(shù)的可視化實(shí)現(xiàn)途徑。

（1）振動(dòng)頻率分析。瀝青路面壓路機(jī)分為雙鋼輪壓路機(jī)與膠輪壓路機(jī)，其中雙鋼輪壓路機(jī)帶振動(dòng)功能，施工工藝規(guī)定不同碾壓遍數(shù)時(shí)，雙鋼輪壓路機(jī)需開振，同時(shí)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)頻率（強(qiáng)振、弱振）有具體規(guī)定。系統(tǒng)通過在雙鋼輪壓路機(jī)上安裝振動(dòng)傳感器，采集振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)頻率和加速度。

（2）碾壓遍數(shù)分析。碾壓遍數(shù)即所有壓路機(jī)經(jīng)過某一點(diǎn)位的次數(shù)。智能壓實(shí)系統(tǒng)，將路面范圍分成n個(gè)細(xì)小的點(diǎn)位，將每臺(tái)壓路機(jī)的輪廓作為移動(dòng)網(wǎng)格，計(jì)算所有移動(dòng)網(wǎng)格覆蓋路面范圍內(nèi)各細(xì)小點(diǎn)位的次數(shù)，作為各點(diǎn)位的碾壓遍數(shù)。因此，實(shí)現(xiàn)碾壓遍數(shù)計(jì)算，需要通過高精度GPS定位終端，對(duì)壓路機(jī)進(jìn)行“厘米級(jí)”定位，采集分析各點(diǎn)位與移動(dòng)網(wǎng)格的重疊次數(shù)等數(shù)據(jù)[5]。

由于碾壓作業(yè)為多臺(tái)壓路機(jī)同時(shí)作業(yè)，需要通過在施工現(xiàn)場建立局域網(wǎng)，保證機(jī)群協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)共享。云計(jì)算中心實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析路面碾壓情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)碾壓不足區(qū)域以及碾壓不均勻區(qū)域，并對(duì)碾壓效果進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。同時(shí)，可以通過選取不同的壓路機(jī)，查看任意壓路機(jī)組合的碾壓遍數(shù)，以分析各臺(tái)壓路機(jī)碾壓工藝是否滿足要求、壓路機(jī)手操作是否熟練或者是否存在偷懶現(xiàn)象。

（3）碾壓遍數(shù)的可視化實(shí)現(xiàn)途徑。系統(tǒng)分析得到碾壓遍數(shù)數(shù)據(jù)后，需以特定方式傳達(dá)給系統(tǒng)用戶，以加強(qiáng)壓實(shí)質(zhì)量管理。針對(duì)碾壓位置描述的復(fù)雜性，系統(tǒng)通過3D仿真圖形、以不同顏色區(qū)分各點(diǎn)位碾壓遍數(shù)展示給用戶。展示途徑包括網(wǎng)頁、手機(jī)及平板電腦，其中：

①壓路機(jī)操作室安裝有平板電腦，便于壓路機(jī)操作手根據(jù)平板彩圖信息掌握壓路機(jī)當(dāng)前位置、碾壓遍數(shù)、碾壓速度，發(fā)現(xiàn)漏壓位置后進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)壓。同時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)具備超限語音提醒功能，能更好地引導(dǎo)操作手進(jìn)行碾壓作業(yè);

②現(xiàn)場管理人員通過電腦與手機(jī)，指揮現(xiàn)場碾壓作業(yè);

③其他管理人員可通過手機(jī)與網(wǎng)頁，遠(yuǎn)程掌握現(xiàn)場壓實(shí)動(dòng)態(tài)和以往壓實(shí)數(shù)據(jù)[6]。

3.智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)功能特點(diǎn)

瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)可以通過移動(dòng)端和電腦端對(duì)攤鋪過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)所發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行及時(shí)處理，主要功能包括以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)采集并分析攤鋪全斷面和碾壓實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度云圖、分析攤鋪溫度離析和碾壓溫度散失狀況，掌握各時(shí)間點(diǎn)、各環(huán)節(jié)的溫度分布均勻度。

（2）GPS高精度定位，實(shí)時(shí)掌握攤鋪機(jī)、壓路機(jī)的行進(jìn)速度數(shù)據(jù)并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，真實(shí)還原現(xiàn)場攤鋪與碾壓全過程。

（3）具備攤鋪、碾壓數(shù)據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示和蜂鳴報(bào)警功能，及時(shí)反饋給現(xiàn)場操作手，指導(dǎo)操作手施工，對(duì)異常操作做到實(shí)時(shí)反饋、及時(shí)糾偏。

（4）攤鋪、碾壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程云計(jì)算中心進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。施工管理人員可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場施工情況查詢，施工進(jìn)度，可進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析工作、質(zhì)量問題追溯。

4.智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)使用要點(diǎn)

瀝青混合料智能攤鋪、碾壓系統(tǒng)在使用時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）創(chuàng)建攤鋪路段樁號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)

在瀝青混合料攤鋪前進(jìn)行充分準(zhǔn)備工作，為后續(xù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的順利進(jìn)行創(chuàng)造良好的條件。除認(rèn)真清理下承層、均勻撒布透層瀝青或粘層瀝青、對(duì)噴灑路段實(shí)行封閉管理等基本工作外，智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)行前進(jìn)路線的繪制，即在路線基準(zhǔn)點(diǎn)、控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行路線放點(diǎn)，并設(shè)置偏移寬度等參數(shù)，進(jìn)行攤鋪樁號(hào)的精確定位。攤鋪樁號(hào)須在基站信號(hào)有效的覆蓋范圍內(nèi)。

（2）攤鋪層位數(shù)據(jù)的維護(hù)

路面是層狀結(jié)構(gòu)，瀝青混合料攤鋪時(shí)，在同一斷面不同的豎向空間內(nèi)，存在多個(gè)路面結(jié)構(gòu)層，而智能攤鋪系統(tǒng)無法自動(dòng)區(qū)分不同結(jié)構(gòu)層，因此需要技術(shù)人員進(jìn)行層位數(shù)據(jù)的維護(hù)。

（3）溫度修正傳感器初始值

由于瀝青混合料的表面溫度與內(nèi)部溫度存在一定差值，需要對(duì)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。修正值可由攤鋪路段現(xiàn)場實(shí)測的溫度值經(jīng)理論公式計(jì)算得到，也可以通過經(jīng)驗(yàn)判斷，經(jīng)驗(yàn)修正值一般取+8℃。

（4）加強(qiáng)管理人員技術(shù)交底

瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)是用以輔助管理人員對(duì)現(xiàn)場攤鋪質(zhì)量的管理，系統(tǒng)使用前需對(duì)管理人員進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)交底，包括系統(tǒng)的技術(shù)原理、操作流程、各類終端（LED顯示屏、手機(jī)APP、平板電腦、系統(tǒng)平臺(tái)）使用方法以及一般故障排除等內(nèi)容。只有管理人員熟練系統(tǒng)操作，方能真正實(shí)現(xiàn)智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

5.結(jié)語

綜上所述，瀝青混合料智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)得益于GPS技術(shù)、高精度傳感器、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代科技的發(fā)展。瀝青路面施工中采用智能攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)，可有效提高攤鋪?zhàn)鳂I(yè)效率和碾壓質(zhì)量，減少人為因素造成的施工質(zhì)量問題，提升路面整體施工質(zhì)量。相信隨著人工智能和無人駕駛（操作）技術(shù)的發(fā)展，道路施工機(jī)械的智能化水平會(huì)得到有效提升，新一代瀝青混合料攤鋪、壓實(shí)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)朝著安全、效率、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而努力。

基金資助項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019-K-140），南京林業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2019031）

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