公路路面3D數(shù)字化攤鋪施工裝備及應用技術研究

王芮文，曹 妍，歐定福

(1．江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028； 2.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

1 裝備的原理

1.1 裝備的構(gòu)成

3D數(shù)字化智能控制施工技術裝備主要由測量機器人(ICR80智能型高精度1″全站儀)基準站和施工自動控制系統(tǒng)組成[1]。

對于測量機器人的配置，單機攤鋪時跟蹤機器人不應少于2臺，檢測機器人不應少于1臺；雙機聯(lián)鋪時跟蹤機器人不應少于3臺，檢測機器人不應少于1臺。測量機器人應內(nèi)置馬達，并滿足抗高溫和耐磨損要求，換面速度快而穩(wěn)定。測量機器人測角精度1″以上，測距范圍不小于1500m，測距精度1mm+1.5ppm以內(nèi)，導向光工作范圍150m以上。另外，測量機器人具有RS232、藍牙和USB等多種接口。

在進行攤鋪時，還需要360°棱鏡。對于棱鏡，必須保證不變形，能正確反射不同方向入射的光信號。同時，因需要實現(xiàn)測量的動態(tài)控制，因此，當水平方向上設定可反射入射角的范圍較廣，從0°至360°，而在垂直方向上，可調(diào)節(jié)的反射入射角是在儀器量測范圍內(nèi)的-50°至+50°。縱橫方向的定位精度在5mm以內(nèi)，自動識別和鎖定狀態(tài)的測程不小于600m。

對于傾角傳感器，其防護等級IP65以上，量程范圍不小于±10°，分辨率不低于0.02%。這里需要強調(diào)的為零點穩(wěn)定性，其影響著整體測量結(jié)果，應大于0.2%為宜。線性度的控制也需要進行適時調(diào)整，幅度應保持在±0.2%以內(nèi)。防振級別應滿足攤鋪機振動狀態(tài)下的測量精度要求。

用于3D攤鋪的通信電臺應保證防護等級IP65以上，數(shù)據(jù)傳輸模式具有RS232模式和藍牙模式，天線的帶寬、增益、頻率和功率應滿足測距范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的高速與穩(wěn)定傳輸要求。

主控制器應滿足防護等級IP65以上，且具有高亮度、高分辨率顯示功能，能在背光及強光條件下清晰顯示，允許電壓波動在±10%以內(nèi)，串口應能適應不同攤鋪機串口接入標準，并具有可寫入功能。

3D攤鋪輔助軟件應具有錄入設計數(shù)據(jù)、里程樁坐標的功能，應能進行3D建模，并輸出里程樁坐標文件、施工線形文件、施工模型文件及檢測模型文件。應能夠?qū)α繙y信息實時采集、處理、分析，將實測高程與設計高程比對，生成高程修正信息并傳輸至攤鋪機找平系統(tǒng)。另外，還應能夠記錄、儲存施工參數(shù)信息，生成攤鋪質(zhì)量報告。

1.2 工作原理

3D數(shù)字化攤鋪完全由自動化系統(tǒng)完成。在系統(tǒng)持續(xù)控制攤鋪機時，測量機器人會通過測量系統(tǒng)的后方交會數(shù)據(jù)來確定攤鋪機所在位置和自身所處位置，根據(jù)攤鋪機上棱鏡反射的數(shù)據(jù)，進行攤鋪參數(shù)的計算。也就是測量機器人會通過設計數(shù)據(jù)(事先輸入到測量機器人的電腦中)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的比較來進行攤鋪機的調(diào)整，從而進行高程的修正和攤鋪參數(shù)的控制。當原始地面出現(xiàn)坑洼導致攤鋪機車身發(fā)生傾斜時，系統(tǒng)安裝在桅桿上的傾角傳感器實時地對車身的姿態(tài)進行校正，使攤鋪機車身的姿態(tài)始終與設計面相吻合，進而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，真正實現(xiàn)精準攤鋪[2]。

2 3D攤鋪裝備布設與安裝

用于捕獲360°棱鏡三維坐標的跟蹤機器人應架設于攤鋪機機身外兩側(cè)。在攤鋪機已經(jīng)攤鋪過的后方路面上，還需要布設一個檢測機器人，其作用是對攤鋪后的質(zhì)量參數(shù)(如高程和橫坡)進行檢測，如圖1所示。

圖1 跟蹤機器人與檢測機器人布設

桅桿應垂直安裝于攤鋪機的大臂上，且與攤鋪機提升油缸間的距離控制在30cm之內(nèi)，360°棱鏡固定于桅桿頂端。在攤鋪機的熨平板上，還需要布設檢測路面橫坡度的橫坡傳感器。安裝在攤鋪機桅桿上的傾角傳感器是確保攤鋪機能保持水平的關鍵，通信電臺應安裝于攤鋪機的頂部。在攤鋪機的醒目位置和方便操作、維修與線路檢修的位置(如駕駛室的下部無遮擋處)，可以安放主控制器和集線盒。

3 工作流程

3.1 下承層數(shù)據(jù)采集

路面的攤鋪質(zhì)量與下承層關系密切，為了使攤鋪的高程準確，需加密標高控制點，縱斷方向上，直線段10m，曲線段5m，每斷面設置3個點。

3.2 車載設備的安裝與校準

車載設備(1臺攤鋪機)的安裝包括8個部分：桅桿2個、360°棱鏡2個、主控制器1臺、控制手柄2臺(Moba)、測量橫坡度的橫坡傳感器1只、桅桿傳感器2只、車載電臺2臺、接線盒以及連接線纜等，如圖2所示。

圖2 部件布置

桅桿安裝在攤鋪機的大臂上，盡量靠近熨平板，一般距離為19cm。棱鏡安裝于桅桿頂端，固定好，用于返回測量機器人發(fā)出的信號，跟蹤機器位置，或者在后方用于檢測。

桅桿傳感器安裝于左右桅桿兩側(cè)，用于檢測桅桿的傾斜狀態(tài)和地面坡度的夾角，然后進行傾斜補償。

藍牙電臺安裝于攤鋪機頂棚上，測量機器人上的藍牙手柄與藍牙電臺進行配對，可以將測量機器人測量的數(shù)據(jù)信息通過電臺傳遞給MPC面板。

在熨平板的上方，設置橫坡傳感器，主要檢測和控制攤鋪機熨平板和機身的傾斜狀態(tài)，并隨時測量坡度值，然后將此信息傳遞給面板，對攤鋪機熨平板的姿態(tài)進行校準。

主控制器安裝于攤鋪機上便于操作的地方，先把設計數(shù)據(jù)導入此控制器中，通過接受全站儀發(fā)送的信息，控制器對機器的“設計”數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行計算，然后，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將測量機器人發(fā)出的高程修正信息、平面位置信息等傳輸給控制手柄。

為了便于接收控制輸出信號，調(diào)節(jié)找平體系，在攤鋪機的邊側(cè)控制箱附近，需要安裝Moba控制手柄，可以設定攤鋪機的工作狀態(tài)(一般選為3D)，進行靈敏度設置、液壓模式設置、顯示傳感器的調(diào)節(jié)狀態(tài)向上還是向下。

接線盒安裝于攤鋪機上方便于布線的位置，一般分為左右接線盒，其主要作用是收集、傳輸數(shù)據(jù)，將左右桅桿傳感器的數(shù)據(jù)傳遞給控制器。

各個設備之間的通信是通過連接線纜實現(xiàn)的，各設備之間的連接見圖3。

圖3 輔件連接

各設備安裝結(jié)束后，需要對如圖4所示的8個數(shù)據(jù)進行測量校準，并將數(shù)值輸入主控制器中，此數(shù)值將作為該機器的幾何尺寸保存在主控制器中。校準前，機器水平放置，需在熨平板下墊20cm木方，調(diào)整進料仰角，使機器保持在攤鋪工作狀態(tài)。另外，為了使系統(tǒng)的測量精度滿足規(guī)范要求，需要把左右桅桿調(diào)到豎直狀態(tài)。

圖4 控制面板

數(shù)值1、5為桅桿距提升油缸的距離，2為兩提升油缸之間的距離，3、7為左右桅桿的高度，4、8是熨平板后側(cè)方至桅桿臨近面之間的水平距離，6表示熨平板總寬度。

3.3 設備操作注意事項

檢查檢測機器人與360°棱鏡間的通視性，為避免施工干擾和減少換站次數(shù)，檢測機器人與360°棱鏡間的距離宜控制在350m以內(nèi)。

開啟主控制器，打開模型數(shù)據(jù)文件，將跟蹤機器人切換至機械控制模式，自動跟蹤棱鏡。

攤鋪機行進的前3m～5m進行攤鋪數(shù)據(jù)校驗，當攤鋪精度達到規(guī)定要求后進入自動控制攤鋪。

攤鋪過程進行數(shù)據(jù)校驗，控制標準按規(guī)范執(zhí)行。攤鋪結(jié)束后需要進行攤鋪質(zhì)量驗證與處治，并編制攤鋪質(zhì)量報告。

為了使攤鋪質(zhì)量控制更加有效，需要在正式攤鋪前進行試驗段的儀器設備驗證，正式施工的數(shù)據(jù)應以此為據(jù)。單機攤鋪時，用跟蹤機器人追蹤360°棱鏡，結(jié)合橫坡傳感器，計算施工高程與設計高程偏移量，通過主控制器調(diào)整偏移量，控制3D攤鋪系統(tǒng)進行施工。

當兩臺攤鋪機協(xié)同施工聯(lián)鋪時，前方的一臺攤鋪機的行進與控制方法和單機攤鋪的控制方法相同，而后方的攤鋪機則需要注意，其內(nèi)側(cè)以前方的攤鋪機工作面為基準，用接觸式傳感器來對高程進行控制，在其外側(cè)，高程的控制方法是通過架設于后方的攤鋪機桅桿上的360°棱鏡來實現(xiàn)檢測和控制。

攤鋪過程利用架設于攤鋪機后方的檢測機器人對3D攤鋪數(shù)據(jù)進行實時檢測，并將檢測數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)進行比對，如不滿足設計要求，及時將檢測數(shù)據(jù)傳至跟蹤機器人，跟蹤機器人通過與主控制器數(shù)據(jù)交互，對攤鋪機的熨平板進行實時調(diào)整，以保證攤鋪高度。

轉(zhuǎn)站時，在跟蹤機器人自動跟蹤半徑150m范圍內(nèi)，利用攤鋪機后方檢測機器人進行交替轉(zhuǎn)站。在實際施工中，一般應配備一臺以上的備用機器人，其目的是用備用機器人來對需要轉(zhuǎn)站的360°棱鏡，這樣，3D攤鋪系統(tǒng)則會自動將新站作為控制站，從而實現(xiàn)施工的連續(xù)性，保證攤鋪不間斷。

3.4 攤鋪質(zhì)量的驗證與處置

攤鋪作業(yè)完成后應及時采集已攤鋪路段數(shù)據(jù)，進行攤鋪質(zhì)量檢測與驗證。路面攤鋪的質(zhì)量檢驗評定應符合JTG F80/1-2017中的相關規(guī)定。攤鋪質(zhì)量檢測方法及具體操作按JTG 3450-2019執(zhí)行。

分段攤鋪時，每段攤鋪路面均需進行攤鋪質(zhì)量檢測[3]，最終攤鋪質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)應為施工路段范圍內(nèi)的全部檢測數(shù)據(jù)。

如果在攤鋪質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)缺陷或者質(zhì)量隱患，需要擴大范圍和頻率檢查。對于質(zhì)量不過關的位置和參數(shù)，應進行維修補救，并將原始數(shù)據(jù)進行分析、匯總和保存。對采取過補救措施的部位要在檢測報告中標明，不得隱匿。

4 裝備的應用效果研究

攤鋪完成后對攤鋪質(zhì)量進行穩(wěn)定性分析，以檢測數(shù)據(jù)的波動情況，反映攤鋪的穩(wěn)定性，繪制攤鋪質(zhì)量差值分布圖。應繪制縱斷高程、攤鋪厚度、攤鋪寬度及橫坡度與設計值之間的差值分布圖，并計算標準差，進行縱斷高程、攤鋪厚度、攤鋪寬度及橫坡度穩(wěn)定性分析[4]。同時，繪制平整度分布圖，并計算平均值，進行平整度穩(wěn)定性分析。

4.1 縱斷高程穩(wěn)定性分析(理論值和檢測數(shù)據(jù)驗證)

路面攤鋪完成后，需對縱斷高程進行測量，分析使用了3D設備后，縱斷高程與設計高程之間的波動大小，并繪制高程差值圖和進行相應穩(wěn)定性分析[5](如圖5所示)，按式(1)計算標準差：

(1)

圖5 縱斷高程穩(wěn)定性分析示意圖

4.2 攤鋪厚度穩(wěn)定性分析

攤鋪的厚度由取芯確定，取芯后兩側(cè)的實際厚度應與設計值和規(guī)范允許值進行比較，并計算和判斷其穩(wěn)定性，繪制攤鋪厚度差值和具體的分布情況[6](如圖6所示)，按式(2)計算標準差：

(2)

圖6 攤鋪厚度穩(wěn)定性分析示意圖

4.3 攤鋪寬度穩(wěn)定性分析

攤鋪結(jié)束后，按評價標準給定的方法進行路面寬度量測，并與設計寬度進行比較，繪制攤鋪寬度的差值和其具體分布(如圖7所示)，按式(3)計算標準差：

(3)

圖7 攤鋪寬度穩(wěn)定性分析示意圖

4.4 橫坡度穩(wěn)定性分析

橫坡度的測量與高程測量同步進行，橫坡度計算后，其應與設計橫坡度比較，并繪制橫坡度控制情況圖(如圖8所示)，按式(4)計算標準差：

(4)

圖8 橫坡度穩(wěn)定性分析示意圖

4.5 平整度穩(wěn)定性分析

按評定標準的要求方法進行平整度的測量，并計算其與規(guī)范的差值，分析其穩(wěn)定性(如圖9所示)。平整度均值應不大于平整度均值允許值：

(5)

5 結(jié) 語

3D數(shù)字化技術裝備在公路路面攤鋪中的應用，不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，消除安全隱患，還可以利用現(xiàn)代信息技術的多方優(yōu)勢提升工程質(zhì)量，節(jié)約工程成本，該技術值得推廣應用。

圖9 平整度穩(wěn)定性分析示意圖