基于多種技術(shù)的無(wú)人駕駛壓實(shí)系統(tǒng)研究及應(yīng)用分析

張揚(yáng)，費(fèi)燕華

（1 黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司，黑龍江哈爾濱 150000；2 黑龍江省公投中路交通科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，公路行業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)家在公路基礎(chǔ)建設(shè)方面的投入也逐年加大，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平，公路施工的各個(gè)階段逐漸向信息化、智能化[1]發(fā)展。綜合通訊[2-3]、定位[4-5]、自動(dòng)控制[6-8]等多種技術(shù)，可采集施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制和評(píng)價(jià)施工質(zhì)量。

目前公路壓實(shí)施工存在過(guò)壓和欠壓的現(xiàn)象，壓實(shí)質(zhì)量難以控制。在路基壓實(shí)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)建立路基壓實(shí)質(zhì)量模型[9]及壓實(shí)反饋方法[10]對(duì)路基壓實(shí)效果進(jìn)行控制、分析，并通過(guò)分析智能壓實(shí)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益[11]，得出智能壓實(shí)能夠降低道路施工及后期維護(hù)成本。在路面壓實(shí)方面，專(zhuān)家通過(guò)建立瀝青路面質(zhì)量評(píng)價(jià)模型[12]，設(shè)計(jì)智能壓實(shí)施工質(zhì)量控制系統(tǒng)[13]，進(jìn)行路面壓實(shí)質(zhì)量的控制。但路面施工的智能壓實(shí)施工控制技術(shù)還不夠完善，壓實(shí)值也不能得到實(shí)時(shí)反饋及控制。

因此，本研究將5G 通訊技術(shù)、高精度定位技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等綜合運(yùn)用在無(wú)人駕駛壓路機(jī)上，在黑龍江哈肇高速公路的施工中進(jìn)行試驗(yàn)段施工，分析無(wú)人駕駛智能壓實(shí)施工過(guò)程中的壓實(shí)質(zhì)量，以期為公路工程智能施工的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 無(wú)人駕駛自動(dòng)控制理論

無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)是無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，自動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)智能控制算法對(duì)壓路機(jī)的各項(xiàng)工序進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計(jì)，從而控制壓路機(jī)施工。

1.1 無(wú)人駕駛自動(dòng)控制算法

壓實(shí)控制算法需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋，作為輸入條件導(dǎo)入至無(wú)人駕駛壓路機(jī)的控制終端系統(tǒng)，因此輸入的參數(shù)作為機(jī)械控制的指令來(lái)輸入控制系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)研究[14]提出瀝青路面壓實(shí)的控制理論及方法，如式（1）所示：

式中：Dfinal為目標(biāo)壓實(shí)質(zhì)量；D1為第1 遍碾壓后的壓實(shí)質(zhì)量，即初始?jí)簩?shí)質(zhì)量；△dk為第k 遍碾壓后的壓實(shí)質(zhì)量增量；△dk-1為第k-1 遍碾壓后的壓實(shí)質(zhì)量；pk為智能決策單元輸出的第k 遍壓實(shí)數(shù)(fk，vk，ak)，其中，fk為第k遍壓路機(jī)的振動(dòng)頻率，vk為第k 遍壓路機(jī)的壓實(shí)速度，ak為第k遍壓路機(jī)的振幅；M 為包括諸如壓路機(jī)質(zhì)量m、瀝青混合料級(jí)配pg等在內(nèi)的施工機(jī)械與瀝青混合料固有特性的物理量；φ 為包括諸如目標(biāo)壓實(shí)質(zhì)量Dfinal、最小化剩余壓實(shí)時(shí)間Tmin等的物理量極限或目標(biāo)指標(biāo)；TRCT為剩余壓實(shí)時(shí)間；Ti+1為第i+1 遍壓實(shí)層每單位長(zhǎng)度的壓實(shí)所需時(shí)間。

該控制算法具體應(yīng)用流程如下：針對(duì)輸出物理量D，檢測(cè)單元對(duì)路面壓實(shí)施工區(qū)域的壓實(shí)參數(shù)和壓實(shí)質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，首先利用異常判別單元對(duì)該輸出物理量進(jìn)行判別，若異常判別指示器超過(guò)一定量，則當(dāng)前壓實(shí)材料屬于異常填筑材料，將異常信息實(shí)時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)理人員進(jìn)行處理；若異常判別指示器正常則將該物理量作為智能決策單元輸入，智能決策單元根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息優(yōu)化壓實(shí)施工工藝提出壓實(shí)方案，控制單元根據(jù)壓實(shí)方案，基于控制方法設(shè)計(jì)的控制器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效控制并完成壓實(shí)施工；下一壓實(shí)遍數(shù)，控制單元依據(jù)最優(yōu)壓實(shí)方案控制壓路機(jī)執(zhí)行壓實(shí)動(dòng)作。整個(gè)壓實(shí)過(guò)程屬于閉環(huán)循環(huán)滾動(dòng)優(yōu)化壓實(shí)，直至路面壓實(shí)質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)人駕駛壓路機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心，通過(guò)控制算法進(jìn)行軟件及硬件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制的智能系統(tǒng)。無(wú)人駕駛壓路機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)包含感知層、規(guī)劃層、控制層，具體架構(gòu)如圖1 所示。

壓路機(jī)采用“IF-THEN”決策系統(tǒng)，依據(jù)具體規(guī)則編程及自動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)。感知層通過(guò)定位接收機(jī)、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)感知施工環(huán)境和壓路機(jī)自身狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)反饋元件將檢測(cè)數(shù)據(jù)（壓實(shí)速度、轉(zhuǎn)向角度等）反饋到自動(dòng)駕駛控制器和管理平臺(tái)。規(guī)劃層采用工控機(jī)、自研發(fā)管理平臺(tái)或第三方研發(fā)平臺(tái)以滿足計(jì)算機(jī)各類(lèi)控制單元需求，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合施工區(qū)域信息、施工進(jìn)度、碾壓施工工藝信息自動(dòng)規(guī)劃進(jìn)場(chǎng)軌跡、碾壓軌跡和糾偏措施、避障措施，實(shí)時(shí)輸出控制信息作為自動(dòng)壓實(shí)控制系統(tǒng)的輸入量?？刂茖拥淖詣?dòng)駕駛控制器應(yīng)用自適應(yīng)控制算法輸出控制信號(hào)，通過(guò)電控硬件接收機(jī)載控制器信號(hào)，自動(dòng)控制壓路機(jī)行走、轉(zhuǎn)向、振動(dòng)、避障，從而使壓路機(jī)能完成限定區(qū)域及條件下的無(wú)人駕駛。

2 無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)研究

2.1 無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)

經(jīng)過(guò)對(duì)多種技術(shù)的調(diào)研分析，無(wú)人駕駛壓路機(jī)工作系統(tǒng)由北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)、車(chē)載傳感器、車(chē)載雷達(dá)、無(wú)人駕駛智能壓實(shí)管理平臺(tái)組成，通過(guò)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，具體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無(wú)人駕駛壓路機(jī)架構(gòu)圖

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)向高精度定位接收機(jī)傳輸反饋定位信息，無(wú)人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)共享定位信息，精準(zhǔn)控制壓實(shí)軌跡。無(wú)人駕駛壓路機(jī)通過(guò)溫度傳感器采集壓實(shí)溫度，轉(zhuǎn)向傳感器采集轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)，加速度傳感器采集實(shí)時(shí)壓實(shí)值，采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均通過(guò)5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通過(guò)自身系統(tǒng)的算法或管理平臺(tái)的大數(shù)據(jù)和決策系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、接入、交換、處理、決策分析與組織管理。

2.2 無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)工作流程

根據(jù)無(wú)人駕駛壓路機(jī)架構(gòu)，壓路機(jī)實(shí)際施工時(shí)與管理平臺(tái)的信息交互控制流程設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)工作流程圖

在無(wú)人駕駛壓路機(jī)開(kāi)始工作后，無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)通過(guò)壓路機(jī)自動(dòng)駕駛控制器內(nèi)置的無(wú)人駕駛控制程序（Unmanned Control Program，UCP）首先執(zhí)行一個(gè)初始化過(guò)程，然后UCP 通過(guò)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與管理平臺(tái)建立RTK-GPS 連接，初始化導(dǎo)航及自動(dòng)控制周期、PID 參數(shù)和其他相關(guān)狀態(tài)參數(shù)。然后，UCP 開(kāi)始檢測(cè)整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)傳感器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)。如果有部件無(wú)法正常工作，則UCP 記錄其狀態(tài)參數(shù)，并將相關(guān)預(yù)警信息發(fā)送至管理平臺(tái)及業(yè)主客戶端，等待處理；否則UCP 將不會(huì)進(jìn)行自動(dòng)控制操作。如果UCP 通過(guò)系統(tǒng)自檢，則自動(dòng)駕駛壓實(shí)智能控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航及自動(dòng)控制周期分為一系列自動(dòng)駕駛壓實(shí)控制流程。

UCP 在整個(gè)自動(dòng)駕駛壓實(shí)工作中接收和發(fā)送控制信息，實(shí)時(shí)接收管理平臺(tái)發(fā)出的命令并輸入目標(biāo)量，實(shí)時(shí)接收RTK-GPS 定位數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)。UCP 首先執(zhí)行管理平臺(tái)控制指令，為壓路機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或關(guān)閉；然后UCP 調(diào)用轉(zhuǎn)向控制傳感器，比較壓實(shí)軌跡目標(biāo)輸入量與定位數(shù)據(jù)的偏差，確定期望的轉(zhuǎn)向角度；UCP 通過(guò)比較方向盤(pán)的期望轉(zhuǎn)向角與實(shí)際轉(zhuǎn)向角的差異，根據(jù)PID 算法的輸出電流自動(dòng)控制方向盤(pán)，從而使壓路機(jī)沿預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)。此外，UCP 還調(diào)用溫度、速度傳感器，比較預(yù)期的壓實(shí)溫度和壓實(shí)速度、雷達(dá)感應(yīng)、自動(dòng)制動(dòng)工況等，并根據(jù)其他壓路機(jī)的行駛狀態(tài)，通過(guò)PID 算法的輸出電流控制油門(mén)執(zhí)行器，從而控制壓路機(jī)達(dá)到預(yù)期的行駛速度。

在自動(dòng)駕駛壓實(shí)控制流程中，每道工序分別有三個(gè)子工序：自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)制動(dòng)。按照程序完成這三個(gè)工序的數(shù)據(jù)反饋及數(shù)據(jù)傳輸后，系統(tǒng)判定壓實(shí)工作是否完成，從而控制壓路機(jī)熄火，或重新開(kāi)始自動(dòng)駕駛壓實(shí)流程。

3 無(wú)人駕駛壓路機(jī)施工效果分析

黑龍江省高速公路哈肇段的建設(shè)為本研究的主要測(cè)試路段，試驗(yàn)段全長(zhǎng)500m，上基層材料為ATB-25 粗粒式瀝青碎石。根據(jù)施工數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人駕駛的施工效果進(jìn)行如下分析。

3.1 無(wú)人駕駛結(jié)構(gòu)層壓實(shí)質(zhì)量分析

3.1.1 下面層高程分析

壓實(shí)施工完成后，在無(wú)人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段上，將測(cè)量得到的下面層實(shí)測(cè)高程和下面層設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)繪制成等高線圖，如圖4所示。

由圖4 可以看出，無(wú)人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段下面層的等高線雖然比設(shè)計(jì)高程等高線圖略有彎曲，但各等高線區(qū)域劃分的位置基本一致。由下面層實(shí)測(cè)高程和下面層設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)得到，在路面位置2m、7m、12m處設(shè)計(jì)高程和實(shí)際高程差值的平均值分別為0.011 m、0.0013m、0.014m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0120、0.0082、0.0093，說(shuō) 明除路面位置為7m 的中間區(qū)域，2m 和12m處兩車(chē)道的縱斷高程均值均高于設(shè)計(jì)要求，且標(biāo)準(zhǔn)差也高于中間區(qū)域，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

圖4 試驗(yàn)段下面層高程等高線圖

將下面層實(shí)測(cè)高程和下面層設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)繪制成高程差值圖，如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)段下面層實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)高程差值

由圖5 可以看出，2m、7m、12m 處合格數(shù)據(jù)的比例分別為44.9%、79.6%、24.5%，因此7m 處高程最符合要求，2m 和12m 處數(shù)據(jù)整體偏高。

3.1.2 下面層厚度分析

壓實(shí)施工完成后，在無(wú)人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段上，將測(cè)量得到的下面層實(shí)測(cè)高程和上基層實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)繪制成下面層厚度各類(lèi)別分布圖（圖6）。

圖6 下面層厚度各類(lèi)別分布圖

由圖6 可知，在路面位置7m、12m 處下面層厚度的平均值分別為0.075m、0.087m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0093、0.0097，變異系數(shù)分別為12.3%、11.2%，路面位置7m、12m 處與下面層設(shè)計(jì)厚度相比最大差異變化分別為32.5%、31.25%。與下面層設(shè)計(jì)厚度0.08m相比，7m 處厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)僅為29.1%，12m 處達(dá)到設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)僅為39.6%。

3.1.3 下面層總體分析

結(jié)合圖4、圖5、圖6 進(jìn)行分析得到，下面層無(wú)人壓實(shí)施工中兩車(chē)道中間7m 左右區(qū)域厚度不均勻且厚度均值低于設(shè)計(jì)值，但整體高程接近設(shè)計(jì)高程，原因可能是上基層中間區(qū)域縱段高程可能接近設(shè)計(jì)要求上限，攤鋪機(jī)攤鋪時(shí)根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行施工，從而導(dǎo)致道路中間區(qū)域厚度較小。

道路位置12m 處厚度大，下面層設(shè)計(jì)高程與實(shí)測(cè)高程差值均值也最大，但作為道路外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)這種情況，說(shuō)明壓實(shí)程度不夠。而道路位置2m 處下面層設(shè)計(jì)高程與實(shí)測(cè)高程標(biāo)準(zhǔn)差最大，數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，路面不平整，可能是因?yàn)闊o(wú)人駕駛壓路機(jī)雖然能對(duì)道路邊緣區(qū)域進(jìn)行貼邊壓實(shí)，但還是不能夠完全精準(zhǔn)地控制。

3.2 無(wú)人駕駛壓實(shí)質(zhì)量分析

無(wú)人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段施工完成后，為檢驗(yàn)無(wú)人駕駛壓實(shí)施工的實(shí)際壓實(shí)質(zhì)量，試驗(yàn)檢測(cè)人員在樁號(hào)K83+000～K83+500 的無(wú)人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段和樁號(hào)K83+500～K84+000 的人工駕駛壓實(shí)路段，隨機(jī)取樣進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)，在兩個(gè)路段距離中央分隔帶2m 左右處分別進(jìn)行滲水系數(shù)的試驗(yàn)檢測(cè)，壓實(shí)度及滲水試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)表

由表1 可知，相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)無(wú)人駕駛試驗(yàn)段壓實(shí)度、滲水檢測(cè)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.2、6.3，數(shù)據(jù)的變異性較小，數(shù)據(jù)整體的均勻性相比人工駕駛施工段落，離散程度明顯較小，表明無(wú)人駕駛壓實(shí)技術(shù)整體質(zhì)量的均勻性提升是明顯的。

4 結(jié)論

通過(guò)無(wú)人駕駛智能壓實(shí)控制算法的研究，提出智能壓實(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程，同時(shí)對(duì)無(wú)人駕駛壓路機(jī)工程實(shí)例的施工效果進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

（1）無(wú)人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)將無(wú)人駕駛管理平臺(tái)、定位裝置、車(chē)載傳感器、車(chē)載雷達(dá)、自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)之間的信息、數(shù)據(jù)，通過(guò)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理，讓壓路機(jī)完成路徑規(guī)劃、安全制動(dòng)、壓實(shí)反饋等命令，控制壓路機(jī)完成預(yù)設(shè)的壓實(shí)作業(yè)，最大限度地利用了信息資源，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確調(diào)度，迅速解決工程施工中的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了智能施工；

（2）此系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制壓實(shí)軌跡，提升了壓實(shí)均勻性，避免了人工駕駛漏壓、欠壓的問(wèn)題，與傳統(tǒng)的人工駕駛壓實(shí)相比，做到了安全、智能、高效的路面施工，顯著提高了施工質(zhì)量，節(jié)約時(shí)間及成本。