路面機械成套智能化施工技術(shù)研究

朱小軍 （安徽路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

現(xiàn)如今，多數(shù)產(chǎn)業(yè)都在尋求智能化的發(fā)展，施工領(lǐng)域中，已經(jīng)有諸多設(shè)施實現(xiàn)自動化，但距離智能化還是有一定距離。單就道路施工而言，需要對路面平整度、壓實度等進(jìn)行控制，傳統(tǒng)施工僅能進(jìn)行事后現(xiàn)場測量，加重人工壓力的同時，還容易有誤差。而借助機械成套智能化，一人便可控制整個機群，壓路機及攤鋪機等均是無人駕駛，并能對各項工程質(zhì)量參數(shù)采取實時檢測，利于提升工程質(zhì)量。

1 路面施工技術(shù)

常規(guī)的路面建設(shè)技術(shù)存在諸多不足。首先，施工條件上，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境不佳，而且勞動量多。其次，質(zhì)量檢測方面，主要是通過人工主觀判斷，極易出現(xiàn)檢查不全面的問題。再次，管控模式有不足。路面施工采取事后檢查的方式，使得過分強調(diào)結(jié)果，但忽略現(xiàn)場施工過程，同時，建設(shè)人員有較高的依賴性。最后，管理方法有缺陷，容易被人工干擾，未能實施全過程的管控，不利于鎖定及追責(zé)質(zhì)量問題。而運用機械成套的智能化施工方式，可使得路面項目兼顧施工與管理，一方面，在施工作業(yè)上，通過無人駕駛及機群聯(lián)動、遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)測維護(hù)等，實現(xiàn)對路面建設(shè)的全過程監(jiān)管，同時還能進(jìn)行預(yù)測。另一方面，在工程管理上，借助大數(shù)據(jù)與云平臺等，對路面施工進(jìn)行過程性的跟蹤管理，對現(xiàn)場建設(shè)品質(zhì)，實施不間斷在線監(jiān)測。并能基于工程的現(xiàn)實要求，提供個性化的服務(wù)[1]。

2 路面機械成套智能化的施工技術(shù)分析

2.1 路面作業(yè)機群

智能化的作業(yè)系統(tǒng)，綜合應(yīng)用路徑規(guī)劃與三維找平、可視化技術(shù)、無人駕駛等科技手段，構(gòu)成的擁有高智能及無人化水平的成套施工機械。同時，搭配數(shù)字化的后臺管理，對各機械采取數(shù)字化的全過程協(xié)同管控。在該系統(tǒng)中，劃分出多個層次（如圖1）。以應(yīng)用層為例，主要功能：讓各路面施工機械協(xié)同作業(yè)；在三維空間上，自動完成找平攤鋪；路面現(xiàn)場作業(yè)中，可采取智能化的壓實操作；基于施工現(xiàn)場條件，能迅速感知，并躲避行進(jìn)障礙；結(jié)合施工現(xiàn)場布局情況，不斷更新路徑規(guī)劃；將從現(xiàn)場采集到各類數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)計報表，以供相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)整決策。其余還有平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層與設(shè)備層。其中的感知層，是借助各類雷達(dá)與GNSS定位、傳感裝置等，確定路面的壓實度等參數(shù)，給機械人為干預(yù)操控與系統(tǒng)智能化動作，提供依據(jù)。成套的路機智能化系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖1。

圖1 智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 攤鋪機

無人駕駛的攤鋪機中包含多項技術(shù)，主機中裝配紅外線的溫度感應(yīng)裝置、定位天線、通信天線和激光找平裝置。車載上的系統(tǒng)設(shè)備，可支持自動進(jìn)行現(xiàn)場攤鋪，并能對路面找平。對攤鋪過程中的溫度參數(shù)實施全過程檢測，同時監(jiān)測路徑的情況，將采集到的所有信息，在成套系統(tǒng)中持續(xù)共享，使得操控數(shù)據(jù)能夠不斷更新，確保管控動作的時效性與可靠性。此外，無人駕駛技術(shù)的實現(xiàn)是基于施工項目的設(shè)計參數(shù)，導(dǎo)入到數(shù)字化平臺與三維找平模塊中，前者依托于計算機、數(shù)據(jù)平臺及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，形成定位基站；后者主要是利用施工機械上裝設(shè)的激光發(fā)射器，生成參考數(shù)據(jù)?；诙叩臄?shù)據(jù)處理，對攤鋪機下達(dá)動作指令，該過程需借助無線通訊，實現(xiàn)信號傳輸。其中，通過定位基站，向攤鋪機的控制裝置發(fā)送信號，對無人駕駛以及正常的攤鋪作業(yè)進(jìn)行操控。而利用三維找平模塊下的參考站，向攤鋪機發(fā)送信息，由車載的激光接收器與3D控制器獲得信號，操控攤鋪機進(jìn)行找平[2]。

攤鋪機在現(xiàn)場找平中，借助3D自動化手段，把既定的設(shè)計參數(shù)錄入相應(yīng)的控制器中，生成數(shù)字化模型。依托于該模型，能支持帶有多次變坡與曲線的復(fù)雜化道路工程?，F(xiàn)場施工中。利用對空間坐標(biāo)信息的不間斷監(jiān)測，能得到圖像等資料，為全程監(jiān)控提供基礎(chǔ)條件。通過RTK技術(shù)，進(jìn)行無樁化的作業(yè)，以預(yù)防人工干擾，形成施工誤差。另外，此種攤鋪機借助紅外掃描的技術(shù)，對當(dāng)前攤鋪作業(yè)面的溫度，實現(xiàn)有效感知，并不間斷輸出材料溫度值，給之后的壓實作業(yè)，提供決策依據(jù)。

圖2 溫度顯示屏

2.1.2 壓路機

現(xiàn)有的壓路機類型有單鋼輪、雙鋼輪與輪胎機。無人駕駛的壓路機，可自行避障，并對現(xiàn)場路面壓實情況進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，對行駛路徑實施高精度的跟蹤管控，支持信息共享。同時，為確保施工質(zhì)量，對碾壓過程中的材料溫度，自動采取全過程監(jiān)測。和攤鋪機相較，其使用的車載智能化裝置比較少，僅有REK定位、溫度傳感裝置與加速度傳感裝置，具體安裝位置如圖3所示。借助圖中指出多個設(shè)備，能采集到溫度、位置、壓實度及次數(shù)。基于智能化系統(tǒng)，利用設(shè)定算法，確定當(dāng)前路面相對薄弱的部分，進(jìn)行再次碾壓。鑒于壓路機自身的破壞力，所以專門對其設(shè)置多重保障。首先，電子圍欄，根據(jù)道路施工路線，劃定作業(yè)區(qū)域，一旦壓路機超出設(shè)定范圍，會立即停車報警。其次，車載的前后組合式雷達(dá)，分別是激光與毫米波。如果壓路機在行駛中，行進(jìn)方向有障礙物，會選擇減速或者直接停車。最后，智能防撞，按照車載的GPS定位，使車輛和現(xiàn)場其他機械與障礙物始終維持安全的間距。

圖3 壓路機智能裝置布局

2.2 土石方壓實機

壓實機的智能化系統(tǒng)中，結(jié)合路徑規(guī)劃與無人駕駛等科技，采取集中式的管控，目前最多能同時管理十五臺單鋼輪式的壓路機，符合智能化的路面壓實施工要求。如今，在機場及大壩等項目中有使用。此系統(tǒng)的運行程序主要分成三步，具體為：根據(jù)道路項目，設(shè)置移動控制基站，結(jié)合現(xiàn)場條件，連接市電或者發(fā)電機；確定工藝，測定施工區(qū)域各端的坐標(biāo)，并確定機械的行進(jìn)速度與次數(shù)等數(shù)據(jù)；現(xiàn)場施工中，采取無人作業(yè)模式，完全交給機群自動完成。

對于工地現(xiàn)場的各項參數(shù)進(jìn)行檢測中，常規(guī)人工檢測僅能做到事后測量，而且操作工作量大，還容易形成誤差。而在智能化施工模式下，可實現(xiàn)在線檢測，借助相關(guān)性試驗，以及對現(xiàn)場壓實值的實時檢測，自動獲取施工數(shù)據(jù)。同時，利用精準(zhǔn)定位，采集壓實度和對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，支持作業(yè)質(zhì)量的全過程監(jiān)管，并完成記錄相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，保障信息可查。

碾壓遍數(shù)與溫度控制表

2.3 智能管理系統(tǒng)

在智能化的施工模式下，包括工程、設(shè)備與應(yīng)用三個管理中心，配置質(zhì)量管理、設(shè)備管理等多項功能系統(tǒng)。其中，質(zhì)量管理系統(tǒng)的處理信息是來自工地現(xiàn)場的數(shù)據(jù)資料，以對項目施工質(zhì)量實現(xiàn)系統(tǒng)化的管理，繼而輔助相關(guān)操作者，提高對道路施工項目的管控精度。通過該功能系統(tǒng)，可將各項質(zhì)量數(shù)據(jù)，以可視化的形式輸出，并支持靜動態(tài)的回放追溯，查看現(xiàn)場施工過程中的信息資料。另外，系統(tǒng)操作允許的用戶，能打印出紙質(zhì)版的報告資料，并能進(jìn)行定制化的設(shè)計，方便工程存檔與管理。而設(shè)備管理系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能取得現(xiàn)場施工成套機械的數(shù)據(jù)信息，為相關(guān)操控管理者，提供各機械的工作狀態(tài)資料，借此可省去部分管理費用，并保障設(shè)備本身的使用效率。另外，此系統(tǒng)還提供各設(shè)備的詳細(xì)信息，包括油耗及工作時間等，操作人員可直接查看當(dāng)下某設(shè)備的資料，也能選擇某時間節(jié)點，了解歷史數(shù)據(jù)。通過此管理系統(tǒng)的應(yīng)用，使相關(guān)管理者對設(shè)備有更清晰、全面的了解，利于優(yōu)化管控成效[3]。

3 機械成套智能化技術(shù)試驗段項目簡述

2021年4月16日，安徽路橋集團(tuán)為落實新設(shè)備、新技術(shù)使用，和三一重工聯(lián)合在安九二期望江縣G347PPP項目組織成套攤鋪機群無人駕駛施工成果展示。

該試驗段位于G347項目K8+850-K9+110（左幅），施工長度為260m。道路面層是改性瀝青混凝土，設(shè)置此試驗段的目的是檢驗無人駕駛在工程中適用性。攤鋪作業(yè)中，施工面寬度是10.5m，由一臺攤鋪機、兩臺膠輪壓路機和三臺雙鋼輪壓路機組成，攤鋪機拼裝寬度是10.25m，符合項目標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場攤鋪期間，溫度區(qū)間是165.1℃～171.3℃，符合瀝青作業(yè)最低溫度標(biāo)準(zhǔn)。攤鋪機剛啟動的前行速度是每分鐘0.6m，完成10m施工后，車輛速度基本穩(wěn)定在每分鐘1.5m。

在碾壓作業(yè)中，設(shè)置三個施工階段。一是初壓，前靜退振一次，使用兩臺雙鋼輪，溫度條件達(dá)到150℃，車輛行駛時速是2km～3km；二是復(fù)壓，兩臺雙鋼輪進(jìn)行兩次強振，兩臺膠輪共碾壓四次；三是終壓，用一臺新的雙鋼輪，進(jìn)行1-2次收光。整個試驗段攤鋪、碾壓用時兩小時。

試驗段各項技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如下。

①路面平整度檢測：共檢測2個車道，每50m為一點，共計10點，最大值為1.200mm，最小值為0.232mm,平整度平均為0.896mm，合格率為100%。

②壓實度檢測：共檢測4個點，芯樣毛體積密度最大2.456g/cm3，最小2.447g/cm3,相對馬氏密度（2.462g/cm3）壓實度最大值為99.6%，最小值為99.4%，相對于最大理論相對密度（2.569g/cm3）壓實度最大值為95.5%，最小值為95.2%，平均值為95.4%，空隙率最大值為4.7%，最小值為4.4%，平均值為4.5%，滿足設(shè)計要求。

③厚度檢測4個點，厚度實測值與設(shè)計厚度之差最大值為-0.2cm，厚度平均值為6.0cm,滿足設(shè)計要求。

④滲水試驗共測6個點，最大值為45ml/min,最小值為0ml/min，均符合設(shè)計要求。

整個施工攤鋪、壓實設(shè)備大部分是無人駕駛，在技術(shù)人員事先設(shè)定的模型中運行，但在攤鋪起步和抬板收工時由設(shè)備操作手操作，施工過程中技術(shù)人員用平板電腦進(jìn)行微調(diào)。從施工過程和完工后的試驗數(shù)據(jù)可看出，無人駕駛施工是完全滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的，基本上實現(xiàn)了路面攤鋪機群無人駕駛的應(yīng)用。但是通過和三一重工技術(shù)人員交流得知，在路面施工的攤鋪起步、路面超高段和彎度過大時還需要人工干預(yù)，如果要大規(guī)模商用還需攻克以上難題。

4 結(jié)語

經(jīng)過上文的探討，可以說，機械成套智能化的實現(xiàn)，使得道路施工具備高質(zhì)、高效、節(jié)約與可視化的特點。根據(jù)規(guī)范化的工藝需要作業(yè)，完整保留施工資料，支持全天候的協(xié)同作業(yè)，省去時間、物料、人工等成本，并利用實時監(jiān)控，使得施工進(jìn)度、質(zhì)量受到全方位的管控。