探討公路項目智能化路基施工分層碾壓的算法

鄒進波

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

智能壓實控制系統(tǒng)是對數(shù)據(jù)分析技術(shù)、全球衛(wèi)星定位技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，可用于公路路基質(zhì)量控制中提高管理效率[1]。智能壓實控制系統(tǒng)的核心包括碾壓層位高精度處理模塊、智能化分層碾壓模塊、碾壓層位厚度控制模塊等[2]。該文通過智能化算法模擬，進行路基壓實自動化分層、厚度精準(zhǔn)識別、高程擬合模型的建立，并將其應(yīng)用于工程實踐中。

1 分層碾壓施工的算法

公路路基壓實施工現(xiàn)場以里程樁號為基礎(chǔ)進行施工區(qū)域劃分，現(xiàn)場帶狀分布，碾壓層位多需人工操作振動壓路機進行分層碾壓控制，故施工中易出現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)誤差，導(dǎo)致施工管理獲取數(shù)據(jù)與實際水平之間存在偏差。為提高施工精準(zhǔn)度，需以自動智能化技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)實現(xiàn)路基層位辨識、分層控制、分層厚度自動化管理[3]。

智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)借助服務(wù)器端完成相關(guān)操作，實現(xiàn)自動化層位控制和精準(zhǔn)識別。結(jié)合公路路基壓實施工流程，針對智能化自動分層識別的算法進行優(yōu)化，詳見圖1。

圖1 公路路基壓實自動分層流程設(shè)計

（1）系統(tǒng)客戶端將路基結(jié)構(gòu)層位信息傳送至系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器接收信息后在結(jié)構(gòu)層內(nèi)根據(jù)不同碾壓狀態(tài)展開分層，對應(yīng)碾壓層位數(shù)據(jù)，根據(jù)不同碾壓層區(qū)域內(nèi)的控制點Pi，進行層級篩選，對應(yīng)碾壓層內(nèi)設(shè)置1 m×l m網(wǎng)格，自動化劃分碾壓層位并完成數(shù)據(jù)處理工作。

（2）Ri為當(dāng)前振動壓路機定位數(shù)據(jù)，Ri-1為上一次定位數(shù)據(jù)，將兩者對比后系統(tǒng)處理生成振動壓路機碾壓工作區(qū)位圖，與區(qū)域內(nèi)的控制點位Pi進行匹配比對后，判斷控制點是否在操作區(qū)域內(nèi)，完成幾何圖形換算，并根據(jù)碾壓區(qū)域內(nèi)的振動壓路機高程值HRi和控制點位高程值HPi計算出高程差H，將碾壓區(qū)域內(nèi)控制點的高程值與振動壓路機的高程值賦值一致。

（3）以NPi表示碾壓區(qū)域內(nèi)的控制點碾壓遍數(shù)，并對應(yīng)結(jié)構(gòu)層控制點的設(shè)計值，如果NPi≥Ns時進行算法流程的優(yōu)化，如果不符合上述條件則取NPi+1對碾壓區(qū)域控制點的碾壓遍數(shù)賦值。

（4）將振動壓路機高程值與碾壓區(qū)域控制點高程值差H與碾壓層設(shè)計厚度值Hr進行比較，用RiID表示振動壓路機的碾壓層位置編號，用PiID表示被控制點所在結(jié)構(gòu)層的碾壓層位號。若上述指標(biāo)滿足H＞Hr且PiID＞RiID，表示振動壓路機從路基結(jié)構(gòu)層向碾壓位碾壓，將振動壓路機所處的碾壓層位編號RiID進行更新，并將碾壓控制區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)控制點層位號進行更新。將兩者比較獲得碾壓層位控制點的高程差數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)要求和實際狀態(tài)進行操作指令的發(fā)送。

（5）以上述操作為基礎(chǔ)，對振動壓路機的碾壓層位編號RiID進行確認(rèn)，判斷是否進行碾壓處理，未處于工作狀態(tài)時將操作指令下達(dá)至下一層碾壓層。

（6）振動壓路機從路基結(jié)構(gòu)層向碾壓層壓實操作時，對碾壓層位是否存在本層的振動壓路機編號進行確認(rèn)。無對應(yīng)編號后完成碾壓操作，并對操作信息進行傳輸，確定對應(yīng)碾壓層位的高程值HPi，將相關(guān)信息傳送至系統(tǒng)客戶端[4]。

（7）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理客戶端發(fā)送的信息，完成監(jiān)控命令并自動處理分層信息。

2 碾壓層位的高程精度控制

對路基碾壓層厚的評估需從層位施工后壓實厚度和實時碾壓厚度兩個角度進行，現(xiàn)對振動壓實層位壓實厚度計算、高程數(shù)據(jù)處理、精度控制措施等進行分析。

2.1 碾壓層位控制點位高程取值

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與碾壓層位壓路機時間序列、定位信息加以匹配，明確目標(biāo)控制點所在結(jié)構(gòu)層區(qū)域的最終高程數(shù)據(jù)，采用距離加權(quán)平均法進行核算，獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并與網(wǎng)格控制點相對應(yīng)，根據(jù)實際情況進行修正，詳情如下。

（1）假定碾壓層對應(yīng)的網(wǎng)格控制點Pi的坐標(biāo)為(x0，y0)，將該控制點作為圓心進行精準(zhǔn)識別，獲取對應(yīng)區(qū)域中壓路機的Ri點位坐標(biāo)(xi，yi)，可根據(jù)兩坐標(biāo)進行振動壓路機點位與控制點距離的計算：

（2）碾壓完畢之后，驗證目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格控制點Pi的高程值，確保施工符合方案要求。設(shè)計施工過程中，如果網(wǎng)格控制點的高程值與設(shè)計高程值之間符合H＞Hr，即控制點的碾壓高程值達(dá)標(biāo)；如果網(wǎng)格控制點高程值與設(shè)計高程值之間滿足H≤Hr，則證實網(wǎng)格控制點高程值存在誤差，需要進一步加以處置，詳見圖2。

圖2 碾壓區(qū)域網(wǎng)格控制點位高程計算

（3）分析網(wǎng)格點位Pi的高程值與設(shè)計值之間的關(guān)系，如果超過高程差H，則根據(jù)距離加權(quán)平均法進行處置，擴大區(qū)域圓周半徑搜索控制網(wǎng)格點高程數(shù)據(jù)，對Pi數(shù)據(jù)進行修訂后獲得正確的高程位置信息，詳見圖3。

圖3 網(wǎng)格控制點位高程計算處理

2.2 碾壓層位厚度計算

將不同碾壓層的控制點對應(yīng)的時間序列和位置信息與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相匹配，獲得控制點位Pi在不同結(jié)構(gòu)層的壓實高程并用H（m，n，k）表示。（m，n）對應(yīng)的是碾壓層中進行平面化處理的矩陣信息，借助網(wǎng)格控制點進行矩陣信息的詳細(xì)處置，而k為不同路基結(jié)構(gòu)層的層位順序，是確定結(jié)構(gòu)上下層關(guān)系的基礎(chǔ)。根據(jù)（m，n）獲取控制點不同碾壓層位的高程數(shù)據(jù)，并根據(jù)（m，n）和H（m，n，k-1）獲取高程值，如果不存在H（m，n，k-1），則表明該碾壓層達(dá)標(biāo)，無須進行再次施工。以下為碾壓層厚度ΔH的計算公式：

3 工程實際應(yīng)用

某高速公路路基標(biāo)段全長9.36 km，為應(yīng)對特殊天氣，路基工程應(yīng)對措施如下：1）做好人員調(diào)度，備足機械設(shè)備，在確保工程質(zhì)量基礎(chǔ)上按計劃進度施工；2）做好防御措施，避免路基被雨水浸泡影響樁基質(zhì)量；3）加強現(xiàn)場檢測，結(jié)合試驗路段施工經(jīng)驗保持路基壓實6遍以上，根據(jù)碾壓層實測數(shù)據(jù)判斷網(wǎng)格控制點是否落于施工區(qū)域內(nèi)，避免定位數(shù)據(jù)點偏移影響實測數(shù)據(jù)真實性[5-6]。

3.1 分層碾壓施工算法的驗證

標(biāo)度路段路基壓實施工以智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)全程監(jiān)控跟蹤，路堤施工監(jiān)控分為三個層位，分層識別、精準(zhǔn)監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)提示可獲取不同層級的碾壓壓實遍數(shù)[7-8]?？刂泣c點位數(shù)據(jù)如表1所示，對表1內(nèi)容分析可知，為控制施工效果需確保施工壓實6遍以上，同時需確保每層碾壓層厚大于30 cm且小于35 cm。借助智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)實時獲取分層碾壓數(shù)據(jù)，研究結(jié)果顯示分層碾壓算法與自動化壓實分層的現(xiàn)實條件相吻合。

表1 碾壓施工自動分層部分控制點位統(tǒng)計

3.2 碾壓層位高程精度

以現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行不同路基結(jié)構(gòu)層碾壓高程數(shù)據(jù)的對比分析，并將振動壓路機在不同碾壓層位的測量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)相匹配[9-10]。借助全站儀進行第三碾壓層區(qū)域不同網(wǎng)格點平面中被控制點位位置信息的精準(zhǔn)獲取，讀取位置信息并傳輸?shù)叫畔⑾到y(tǒng)中。將被控制區(qū)域網(wǎng)格點高程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)值進行對比分析，詳見表2。

對表2內(nèi)容分析可知，網(wǎng)格控制點的實際測量高程值與數(shù)據(jù)庫提取的網(wǎng)格高程數(shù)值之間存在±3.5 cm的誤差。而根據(jù)公路路基高程施工對于精度值的要求可知，系統(tǒng)提取的高程數(shù)據(jù)間誤差基本滿足工程需求，即高程精度處理算法應(yīng)用在工程實踐中的效果可觀。

表2 部分網(wǎng)格控制點位高程對比

4 結(jié)論

以智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用為基礎(chǔ)，通過距離加權(quán)平均算法獲得不同路基碾壓層位分層數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示碾壓遍數(shù)基本符合控制要求，高程定位精度為±3.5 cm滿足施工高程差±5 cm的要求。智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過程，為降低人工操作可能導(dǎo)致的誤差，需要對移動站GPS天線位置的空間坐標(biāo)進行標(biāo)定，提高實時監(jiān)控的精準(zhǔn)度。