溧寧高速瀝青路面智能攤鋪碾壓技術(shù)應(yīng)用研究

薛 華，孫明祥，陳光林，湯 勤

(1.常州交通建設(shè)管理有限公司，江蘇 常州 213024;2.江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 引 言

隨著智能控制和5G傳輸技術(shù)的推廣，公路施工設(shè)備的迭代更新正在加速實(shí)現(xiàn)，智能控制系統(tǒng)通過無線傳輸進(jìn)行工程機(jī)械的遠(yuǎn)程控制已成為現(xiàn)實(shí)，近年來公路工程應(yīng)用較多的有3D精銑刨控制、三維打印施工技術(shù)以及遠(yuǎn)程起重安裝控制技術(shù)等。

對于高速公路路面智能化施工，在溧寧高速公路全國首次全面推廣應(yīng)用之前，早在2016年三一重工就已經(jīng)投入研發(fā)用于瀝青路面的智能壓實(shí)設(shè)備軟件及硬件。

智能攤鋪碾壓工藝之所以得到施工技術(shù)人員的青睞，主要是這項工藝解決了如下問題。

(1)由于壓路機(jī)駕駛環(huán)境的特殊性，駕駛?cè)藛T容易產(chǎn)生疲勞，特別是在碾壓振動過程中以及高溫情況下，駕駛條件更加艱苦，很多壓路機(jī)操作人員轉(zhuǎn)崗改行，造成人員緊缺。因此,智能施工中的壓路機(jī)無人駕駛便成為解決這些問題的有效途徑。

(2)路面壓實(shí)遍數(shù)的控制是一個難點(diǎn)，非常容易出錯，通常情況下，需要專人負(fù)責(zé)統(tǒng)計壓實(shí)遍數(shù)或者駕駛員進(jìn)行遍數(shù)統(tǒng)計，但是由于人工統(tǒng)計容易出錯，實(shí)際壓實(shí)遍數(shù)與設(shè)定的壓實(shí)遍數(shù)嚴(yán)重不符。當(dāng)采用智能碾壓時，統(tǒng)計碾壓遍數(shù)由系統(tǒng)自動完成，不會出現(xiàn)錯誤。這樣，既不會因超壓產(chǎn)生額外成本，又能確保壓實(shí)度滿足要求。

(3)由于人工控制的壓路機(jī)軌跡難度大，造成壓路機(jī)相鄰兩遍之間重疊面積控制不準(zhǔn)確，可能產(chǎn)生超壓，另外，路面邊緣(中間路緣石以及路肩)部位碾壓效果達(dá)不到要求。而智能壓實(shí)軌跡由計算機(jī)控制，能夠精準(zhǔn)地對行進(jìn)路線進(jìn)行控制，優(yōu)化行進(jìn)路徑，保證壓實(shí)效果。

(4)傳統(tǒng)的碾壓施工溫度控制由人工控制，不能時時了解溫度的變化，特別是在較低溫度季節(jié)施工，更是存在這樣的問題。智能壓實(shí)系統(tǒng)對瀝青混合料的溫度做到了時時監(jiān)控，有利于碾壓質(zhì)量。

(5)傳統(tǒng)的碾壓施工以碾壓遍數(shù)的唯一方式來判斷路面壓實(shí)狀況。智能碾壓引入了智能壓實(shí)度的定量指標(biāo)，可以點(diǎn)點(diǎn)檢測壓實(shí)度，實(shí)現(xiàn)了碾壓遍數(shù)與智能壓實(shí)度的雙控。

2 路面智能攤鋪碾壓技術(shù)原理

2.1 無人駕駛壓力機(jī)

實(shí)現(xiàn)無人駕駛所應(yīng)用的技術(shù)是將衛(wèi)星接收系統(tǒng)、5G技術(shù)通信原件、短波連接通訊機(jī)和接收天線等設(shè)備安設(shè)在攤鋪機(jī)上，對壓路機(jī)進(jìn)行自動控制系統(tǒng)改造，主要是安設(shè)行進(jìn)和倒車系統(tǒng)控制元件以及油路自動控制元件，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則通過自動轉(zhuǎn)向控制電機(jī)以及電磁閥。然后，利用計算機(jī)的處理器和預(yù)設(shè)的控制程序以及信號命令交換系統(tǒng)等環(huán)節(jié)來控制攤鋪機(jī)和壓力機(jī)，從而達(dá)到無人駕駛的數(shù)字智能功能。

2.2 智能數(shù)字控制體系

智能數(shù)字控制體系的工作原理是，安設(shè)在攤鋪機(jī)上的施工范圍內(nèi)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)對施工區(qū)域的施工軌跡進(jìn)行采集收集[1]，然后，通過短波時時通訊聯(lián)絡(luò)功能將這些軌跡電信號傳輸?shù)奖銛y式5G聯(lián)絡(luò)站體系，這一體系再把這些軌跡情況轉(zhuǎn)接至便攜電腦，然后便攜電腦根據(jù)預(yù)設(shè)的程序規(guī)則自動繪制生成壓力機(jī)施工范圍，同時，分別指令機(jī)群中的所有壓力機(jī)中的短波聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，使其按指令完成施工區(qū)域的碾壓工作，從而實(shí)現(xiàn)智能壓實(shí)操作。操作系統(tǒng)的基本控制單元見圖1。

圖1 智能施工控制體系

(1)智能數(shù)字化壓實(shí)的控制體系元件或設(shè)施：由手機(jī)APP端或電腦監(jiān)控端、5G數(shù)字化高速傳輸網(wǎng)絡(luò)和控制與監(jiān)控程序等組成。

(2)便攜式聯(lián)絡(luò)通訊站點(diǎn)：是由衛(wèi)星定位系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端、電源、5G通訊元件、短波無損通訊的接收裝置以及自動方位控制裝置等組成定位系統(tǒng)。

(3)智能數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)：由控制電腦設(shè)備、全球衛(wèi)星定位與導(dǎo)航終端設(shè)備、5G傳輸與聯(lián)絡(luò)設(shè)備、短波無損通訊設(shè)施和便攜式5G通訊基準(zhǔn)站點(diǎn)體系一同組成了攤鋪機(jī)行進(jìn)軌跡采集體系。

(4)智能壓實(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)群組：在一定數(shù)量的壓路機(jī)上安裝控制用電腦、衛(wèi)星信號收集器、5G聯(lián)絡(luò)元件、短波無損聯(lián)絡(luò)通訊機(jī)以及電臺信號接收設(shè)備。

2.3 衛(wèi)星信號削弱時的自動化控制體系

當(dāng)衛(wèi)星信號變化或者進(jìn)入信號接收盲區(qū)的時候，再通過上述方法進(jìn)行控制會造成機(jī)群控制失控現(xiàn)象，因此，在智能施工體系，必須做備用方案。比如，當(dāng)信號全無時，可以利用攤鋪機(jī)或者壓力機(jī)在行進(jìn)中遇到的障礙物(側(cè)方障礙物)之間的靜矩來規(guī)劃壓力機(jī)輪跡帶的行進(jìn)方向，并通過短波無損體系來辨別前方障礙物或智能攤鋪機(jī)的遠(yuǎn)近，從而來確定壓力機(jī)的行駛距離，并通過這些距離數(shù)據(jù)分布情況，來確定每個壓力機(jī)的行進(jìn)速度，這樣，就可以在沒有任何信號的情況下對壓力機(jī)和攤鋪機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制了。

3 溧寧高速公路路面智能壓實(shí)施工的實(shí)現(xiàn)

溧寧高速公路是江蘇省重點(diǎn)高速公路之一，起點(diǎn)自常州市溧陽南渡鎮(zhèn)，重點(diǎn)為高淳漆橋鎮(zhèn)，全長36 km，雙向四車道設(shè)置，全程路面施工采用三一重工的全自動智能數(shù)字化攤鋪控制機(jī)械組合，通過智能壓實(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了路面質(zhì)量的整體提升。

3.1 智能數(shù)字化體系應(yīng)用

通過安裝在智能攤鋪機(jī)上的施工區(qū)域采集系統(tǒng)，把該系統(tǒng)收集的施工壓路機(jī)行進(jìn)軌跡通過短駁聯(lián)絡(luò)線傳遞給無人駕駛壓路機(jī)的監(jiān)測體系，監(jiān)測體系根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況結(jié)合預(yù)設(shè)的施工計劃需要，再形成實(shí)時展現(xiàn)的現(xiàn)場壓實(shí)范圍區(qū)域，然后再通過基準(zhǔn)站點(diǎn)的位置確認(rèn)定位體系，轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程控制天線，隨之，機(jī)群中的壓路機(jī)便可以無損接受到命令信號，按預(yù)設(shè)參數(shù)展開施工作業(yè)。

3.2 施工操作要點(diǎn)

(1)為了能夠確保智能攤鋪機(jī)施工控制系統(tǒng)穩(wěn)定，必須首先保證電源供電系統(tǒng)穩(wěn)定，其次是在設(shè)定壓路機(jī)壓實(shí)操作行進(jìn)軌跡參數(shù)時，應(yīng)確保攤鋪機(jī)上安設(shè)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確。

(2)每當(dāng)一個新的施工區(qū)域設(shè)置完成便攜式5G通訊傳輸基站以后，都需要檢查電源供電參數(shù)、全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航參數(shù)、北斗定位參數(shù)以及各種連接線設(shè)施是否暢通。

(3)智能攤鋪機(jī)和壓力機(jī)群中的各設(shè)備及部件應(yīng)完好無損，性能優(yōu)良，設(shè)備所需油料、水位等滿足要求，便攜式控制電腦、定位體系、短波通訊體系、遠(yuǎn)程傳輸線路、測距感應(yīng)器、雷達(dá)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置以及紅外測距儀等必須通視。

3.3 壓路機(jī)壓實(shí)軌跡帶控制

對于碾壓寬度的控制。溧寧高速公路為雙向四車道高速公路，瀝青路面單幅設(shè)計寬度為10.5 m，攤鋪時，由2臺壓路機(jī)分布負(fù)責(zé)攤鋪寬度的一半并排進(jìn)行碾壓施工，并采用3條碾壓施工區(qū)域施工，每個碾壓區(qū)域帶寬為1.75 m，2臺壓路機(jī)重疊寬度為0.25 m，滿足施工技術(shù)規(guī)范的要求。具體施工布置如圖2所示。

圖2 碾壓軌跡

對于碾壓段的長度設(shè)計。根據(jù)每天作業(yè)計劃安排，合理安排碾壓段長度，碾壓循環(huán)設(shè)計如下。

在第一次碾壓循環(huán)中，其開始點(diǎn)自攤鋪機(jī)熨平板后起計2.5 m左右為第一循環(huán)的第一個碾壓區(qū)域，其總長按25 m計，第一個碾壓循環(huán)中緊跟碾壓的第二條壓實(shí)段長度，還是按攤鋪機(jī)熨平板后起計2.5 m左右開始；第一碾壓循環(huán)中的后續(xù)壓實(shí)段長度都是如此。

在第二次碾壓循環(huán)中，其第一條碾壓區(qū)域壓實(shí)段長度距離第一次碾壓循環(huán)的終點(diǎn)1.5 m左右，緊跟第一循環(huán)碾壓。第三次碾壓循環(huán)則重復(fù)以上操作。

在這里，還需要強(qiáng)調(diào)的是，在無人駕駛壓路機(jī)輪跡軌跡監(jiān)控時，還會對路面邊緣邊角處的壓實(shí)進(jìn)行輪跡監(jiān)控。

3.4 碾壓遍數(shù)的統(tǒng)計

電腦根據(jù)壓路機(jī)的行駛軌跡，判斷碾壓遍數(shù)并輸出至顯示面板中，同時，存儲記錄。碾壓遍數(shù)的統(tǒng)計有助于保證碾壓到位。

3.5 碾壓溫度的監(jiān)控

通過安裝在壓路機(jī)上的溫度傳感器，實(shí)時采集瀝青混合料的溫度信息，給技術(shù)人員提供碾壓信息，如果出現(xiàn)異常，及時進(jìn)行處理。

3.6 碾壓速度的控制

安裝在壓路機(jī)上的速度傳感器根據(jù)壓路機(jī)行駛的距離、位置和時間信息來確定壓路機(jī)的行進(jìn)速度，保證路面碾壓的均勻性。

3.7 智能壓實(shí)度的監(jiān)測

智能壓實(shí)度[2]的監(jiān)測是智能壓實(shí)中的一項非常重要的創(chuàng)新點(diǎn)。智能壓碎值是指壓路機(jī)振動時其激振力與路面反彈力的比值，其大小在一定程度上反映了路面的壓實(shí)情況。

以溧寧高速公路路面碾壓8遍的情況計算，因第1遍時，瀝青混凝土松散，無法采集智能壓實(shí)值，從第2遍開始至第6遍，智能壓實(shí)值逐漸從30～60遞增，經(jīng)檢測壓實(shí)度在95%左右，而第6遍至第8遍，智能壓碎值從60～75遞增，經(jīng)檢測壓實(shí)度在96%左右。

經(jīng)試驗(yàn)，如果出現(xiàn)過壓，則智能壓實(shí)值會隨遍數(shù)的增加而減小，原因是隨著遍數(shù)的增加，路面壓實(shí)度增加，硬度也增加[3]，反彈力增大，相當(dāng)于智能壓實(shí)值的獲取已經(jīng)失真，所以，可以根據(jù)這個原理來判斷路面是否達(dá)到壓實(shí)度。

4 結(jié) 語

溧寧高速公路采用的智能壓實(shí)技術(shù)是國內(nèi)首次將這一前沿技術(shù)應(yīng)用于高速公路，通過應(yīng)用，得出了這一技術(shù)對工程質(zhì)量的提升確實(shí)起到了引領(lǐng)的作用。

(1)這一技術(shù)通過衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛，使壓路機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)的程序自動判斷障礙物及邊緣，自動形式判斷里程樁號，自動停止制動，并且機(jī)群中所有設(shè)備能互相辨認(rèn)和避讓。

(2)通過行進(jìn)路線判斷能夠確保路面邊角的壓實(shí)，通過溫度的控制，確保碾壓質(zhì)量，通過速度控制，可以達(dá)到均勻碾壓。

(3)通過激光測距，可以有效避免衛(wèi)星信號缺乏時壓路機(jī)的自動控制。

(4)通過智能壓實(shí)值的采集，能夠做到壓路機(jī)對路面碾壓效果的點(diǎn)點(diǎn)監(jiān)控，避免漏壓及不合格情況出現(xiàn)。

總之，智能碾壓技術(shù)是未來路面施工質(zhì)量保證的有利保證，值得推廣應(yīng)用。