路面工程數(shù)字化施工的現(xiàn)狀和展望

文/圖 三一重工股份有限公司 李旭 張雄 鐘輝平 黃子超 劉秋寶 肖正文

數(shù)字化、智能化是當(dāng)前路面工程提升的主要方向之一。隨著《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》《推進(jìn)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要（2020-2025年）》《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》等指導(dǎo)文件的相繼發(fā)布，公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化已經(jīng)明確成為未來智慧公路發(fā)展的方向和基礎(chǔ)；根據(jù)文件要求，到2035年，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化率要達(dá)到90%。

近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到飛速發(fā)展，無論是感知層的智能硬件、視頻攝像頭，還是4G、5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，都已經(jīng)給路面工程的數(shù)字化施工打好基礎(chǔ)。與此同時(shí)，多個(gè)省份也相繼出臺(tái)文件，大力推進(jìn)“智慧工地”建設(shè)，提升建設(shè)過程的數(shù)字化管控，助力建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，越來越明確的政策讓智慧工地項(xiàng)目遍地開花。

國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)數(shù)字化施工市場經(jīng)過幾年發(fā)展，產(chǎn)品日趨成熟。目前市面上主要有幾類廠商，其中有代表性的主機(jī)廠如三一重工在幾年前推出的“三一路面數(shù)字化施工平臺(tái)”。相比其他廠商，主機(jī)廠對自己品牌的設(shè)備有數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢和設(shè)備方面的專業(yè)性，但同時(shí)也面臨其他品牌的壁壘。

數(shù)字化施工平臺(tái)界面

應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字化的根本目的是降本增效，在兼顧安全和質(zhì)量的前提下最大效率地完成工程施工，具體體現(xiàn)在以下方面：

距離感應(yīng) 安全可控

傳統(tǒng)的路面攤壓施工現(xiàn)場需要多名管理人員及工人配合施工，大量人員和機(jī)械的交雜和施工環(huán)境的干擾，容易導(dǎo)致機(jī)械傷害事故。尤其是公路瀝青路面施工，溫度高、機(jī)械多、工序多、人員多、戰(zhàn)線長，施工中存在機(jī)械傷害、高溫傷害、交通傷害等各種安全隱患，稍有不慎就會(huì)引發(fā)安全事故。

鏈接：

路面工程數(shù)字化施工在具體的產(chǎn)品內(nèi)容上，通常包括以下幾方面：

工程管理：主要是對項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行管理，包括每日的施工情況、項(xiàng)目資料管理、項(xiàng)目投入與產(chǎn)出等；

質(zhì)量管理：主要對施工質(zhì)量進(jìn)行管理，包括各類檢測報(bào)告、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)等；

設(shè)備管理：對設(shè)備的管理包括設(shè)備進(jìn)退場、維修保養(yǎng)、油耗、租賃與結(jié)算等；

人員管理：人員包括技術(shù)人員、施工人員、機(jī)手等，管理包括考勤、工資、證件、技術(shù)等方面；

財(cái)務(wù)與成本管理：財(cái)務(wù)系統(tǒng)通常是獨(dú)立的系統(tǒng)，因此通常這部分?jǐn)?shù)據(jù)需要對接使用；

安全管理：主要是對施工現(xiàn)場的安全管理，并且通常會(huì)有實(shí)時(shí)預(yù)警、報(bào)警機(jī)制；

智能監(jiān)控：包括對園區(qū)、設(shè)備、人員各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且能夠識別一些不安全行為；

數(shù)字大屏：數(shù)字大屏則對外宣傳、展示的意義更大，呈現(xiàn)的效果也往往比較直觀、有科技感。

相較于傳統(tǒng)施工的安全弊端，智能化攤壓機(jī)群施工采用群控安全技術(shù)，每臺(tái)機(jī)械均配備多傳感器融合避障系統(tǒng)，并通過數(shù)字化管理平臺(tái)進(jìn)行機(jī)群統(tǒng)一調(diào)度，采用科學(xué)穩(wěn)定的算法對機(jī)群的每一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行路徑規(guī)劃。在施工全程只需要少量人員參與，大大降低了機(jī)械傷人的隱患；每臺(tái)施工機(jī)械均配備自動(dòng)避障感應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械識別到侵入安全限界的障礙物時(shí)，可自行減速、停止，安全限界的范圍可根據(jù)客戶需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，防止人或動(dòng)物靠近機(jī)械造成突發(fā)性傷害；機(jī)群強(qiáng)大的機(jī)械自檢功能包括制動(dòng)系統(tǒng)、油箱、水箱等關(guān)鍵部位的自檢，可防止機(jī)械因溫度過高、速度不勻、局部性能不良等原因產(chǎn)生安全隱患。

遵規(guī)守矩 質(zhì)量可控

結(jié)合目前國內(nèi)路面施工現(xiàn)狀，常規(guī)攤壓施工過程中，普遍存在過程質(zhì)量管控不力的情況，特別是在碾壓階段，很容易出現(xiàn)超壓或者漏壓現(xiàn)象，且一旦發(fā)生，很難在施工階段通過觀察法判斷，導(dǎo)致最終成型的路面局部壓實(shí)度不夠。隨著國內(nèi)施工人員的斷層，具備實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的一線工人也越來越少，這就進(jìn)一步導(dǎo)致了常規(guī)施工中質(zhì)量的不可控。

相比之下，智能化無人攤壓施工完全以過程控制為抓手，通過數(shù)字施工平臺(tái)做到實(shí)時(shí)施工、監(jiān)測、記錄、反饋，其最大優(yōu)勢是“遵規(guī)守矩”，完全按照參數(shù)施工，規(guī)避了人為因素干擾導(dǎo)致的成品性能不穩(wěn)定，從而有效保證了路面結(jié)構(gòu)層的施工質(zhì)量，具體來講，主要從以下幾個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)：

攤鋪機(jī)及各類壓路機(jī)的機(jī)械行走速度固定，可有效保證攤鋪均勻性及壓路機(jī)的碾壓效果；

根據(jù)試驗(yàn)段參數(shù)嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)，通過路徑規(guī)劃確保結(jié)構(gòu)層的任意一點(diǎn)既不會(huì)超壓，也不會(huì)漏壓，確保全路段壓實(shí)度合格；

設(shè)置壓路機(jī)的振幅、頻率、緊跟距離等關(guān)鍵施工參數(shù)，防止壓路機(jī)在施工過程中發(fā)生急停急起、快速轉(zhuǎn)彎等傳統(tǒng)機(jī)械操作弊??；

通過下承層掃描與頂面標(biāo)高的復(fù)核確認(rèn)，有效保證各結(jié)構(gòu)層厚度符合設(shè)計(jì)要求，并在攤鋪、碾壓過程中嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保平整度合格，最后在收光階段，通過壓路機(jī)搭載的激光掃描系統(tǒng)，全面反映已施工路面的平整度，并形成可溯源的施工記錄，作為施工方后續(xù)質(zhì)量管控的依據(jù)。

通過數(shù)字化施工平臺(tái)與無人化設(shè)備相結(jié)合，實(shí)時(shí)記錄、保存所有設(shè)備工作狀態(tài)及施工情況，為后期質(zhì)量檢測的溯源提供依據(jù)。

高效優(yōu)質(zhì) 進(jìn)度可控

新建路面工程的施工進(jìn)度關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)門工期，因此非常容易形成趕工的局面，對施工單位的組織能力提出了極高要求，但進(jìn)度受制因素很多，很難做到面面俱到，一旦有一個(gè)環(huán)節(jié)脫節(jié)，必然導(dǎo)致整體進(jìn)度降低，最終影響到項(xiàng)目工期的履約。

傳統(tǒng)路面工程施工，三餐及夜間休息時(shí)間無法作業(yè)，因此施工進(jìn)度很難保證。很多時(shí)候施工方為保進(jìn)度，只能選擇犧牲工程質(zhì)量，最終導(dǎo)致道路在交工后出現(xiàn)各類質(zhì)量問題。

智能化機(jī)群施工則有效解決了無法連續(xù)作業(yè)的難題，施工過程僅需少量現(xiàn)場旁站、調(diào)度的管理人員即可，在燃料、后場材料保供的情況下，甚至可以做到全路面工程連續(xù)作業(yè)。同時(shí)還能有效保證施工質(zhì)量，確保進(jìn)度，及時(shí)履約。

多元節(jié)流 成本可控

對于需要搶工期的項(xiàng)目，搶工期間往往需要增加大量的額外成本，這就使施工方陷入兩難困境：不搶工期進(jìn)度完不成，拖延工期，業(yè)主單位不滿意；搶工期成本投入大，入不敷出。一般情況下，施工項(xiàng)目部都會(huì)選擇增加投入確保進(jìn)度履約，從而導(dǎo)致成本大大增加，甚至導(dǎo)致原本賺錢的項(xiàng)目變成虧損，失去盈利能力。

無論何種工程，節(jié)約了工期，就是最大的成本節(jié)約。智能化機(jī)群施工可極大程度地幫助施工方加快施工進(jìn)度，大量節(jié)約施工的人、機(jī)投入及管理成本。對比常規(guī)路面施工，智能化機(jī)群施工人員投入少、材料浪費(fèi)少，因質(zhì)量、安全問題導(dǎo)致返工和賠償?shù)那闆r更是幾無可能，從各個(gè)方面減少成本損失，多元節(jié)流，有效保證了最終成本的可控。

技術(shù)應(yīng)用

自動(dòng)駕駛攤鋪技術(shù)

攤鋪機(jī)自動(dòng)駕駛攤鋪技術(shù)利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位、自動(dòng)駕駛算法、全電液控制器與攤鋪管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)行駛、攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的自動(dòng)化控制。

智能無人攤鋪機(jī)

自動(dòng)駕駛算法 結(jié)合RTK高精度定位技術(shù)，實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑、速度等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛。

上位機(jī)系統(tǒng)、紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)、攤鋪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信網(wǎng)橋和攤鋪狀態(tài)顯示器組成攤鋪管理系統(tǒng)。通過安裝在攤鋪機(jī)上的溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，對所有當(dāng)前處于施工狀態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)：攤鋪溫度、方量、油耗、振搗頻率、攤鋪速度、實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行采集、記錄，并通過無線通訊傳到控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總與分析；通過安裝在攤鋪機(jī)上的電子LED顯示屏，結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)，對處于異常狀態(tài)的攤鋪參數(shù)：料溫過低、找平異常進(jìn)行遠(yuǎn)程提示與遠(yuǎn)程干預(yù)，必要時(shí)采取停機(jī)措施。

遠(yuǎn)程操控技術(shù)通過無線電技術(shù)、無線網(wǎng)橋及高清攝像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)實(shí)時(shí)施工場景的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過無線遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)遠(yuǎn)程控制攤鋪機(jī)的各種動(dòng)作。

3D數(shù)字找平技術(shù)將路面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D找平控制器，通過GNSS接收機(jī)采用RTK(載波相位差分)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取攤鋪機(jī)熨平板的實(shí)時(shí)厘米級3D點(diǎn)位信息并計(jì)算出相對應(yīng)的高程設(shè)計(jì)信息；基于域激光發(fā)射器與激光接收器，將3D點(diǎn)位接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并根據(jù)電信號的量值與變化計(jì)算出實(shí)測高程與設(shè)計(jì)高程的差值，并控制找平電磁比例液壓換向閥，實(shí)現(xiàn)毫米級的找平精度；最后，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)無樁化攤鋪，減少人為干預(yù)帶來的攤鋪誤差，實(shí)現(xiàn)頻繁變坡及曲線的施工要求。

壓路機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)

壓路機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)利用RTK高精度定位、自動(dòng)駕駛算法、全電液控制器與壓實(shí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)自動(dòng)行駛、自動(dòng)化壓實(shí)。

智能無人輪胎壓路機(jī)

自動(dòng)駕駛算法 結(jié)合RTK高精度定位技術(shù)，實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑、速度等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛。

智能壓實(shí)系統(tǒng) 通過加速度傳感器、溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋瀝青密實(shí)度、溫度，通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示壓路機(jī)的速度；壓實(shí)數(shù)據(jù)利用高精度車載定位系統(tǒng)、無線通訊上傳至控制中心管理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)施工過程可查。

開發(fā)機(jī)群無線通信系統(tǒng)，建立控制中心與機(jī)群設(shè)備，以及機(jī)群設(shè)備之間的高速無線通信。

建立機(jī)群安全調(diào)度機(jī)制，通過平臺(tái)給所有壓路機(jī)進(jìn)行任務(wù)的分配和施工路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃。控制壓路機(jī)之間的安全距離，防止碰撞發(fā)生。

毫米波雷達(dá)、超聲波傳感系統(tǒng)組成安全避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)自動(dòng)避障、避險(xiǎn)，檢測到周圍安全范圍內(nèi)有人或物壓路機(jī)自主剎車，待人或物移開又可自主起步。

自動(dòng)灑水作業(yè)，無人駕駛壓路機(jī)自動(dòng)灑水功能優(yōu)化。施工前提前灑水，施工過程中，可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)灑水量。

多機(jī)種協(xié)同作業(yè)技術(shù)

機(jī)群協(xié)同作業(yè)

任務(wù)協(xié)同 研究初壓壓路機(jī)自動(dòng)跟隨攤鋪機(jī)作業(yè)，施工范圍由攤鋪機(jī)的已施工區(qū)域和道路數(shù)據(jù)確定。復(fù)壓壓路機(jī)則根據(jù)初壓壓路機(jī)的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行自主作業(yè)。

速度自適應(yīng) 攤鋪速度與壓路機(jī)速度控制自適應(yīng)研究。防止壓路機(jī)跟隨太慢而引起的冷料問題，以及壓路機(jī)速度過快而導(dǎo)致的過壓和能量浪費(fèi)問題。

目前路面工程數(shù)字化產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能已經(jīng)比較完備，如何做好升級優(yōu)化，是下一階段需要重點(diǎn)考慮的問題。從原材料到攪拌站的瀝青、混凝土生產(chǎn)，再到運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)，以及最后的實(shí)驗(yàn)室檢測，全流程均可實(shí)現(xiàn)在線化、數(shù)字化管控。這其中涉及的環(huán)節(jié)非常多，構(gòu)建一套全流程數(shù)字化體系，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)價(jià)值、協(xié)同價(jià)值尤為重要。

此外，將工地上的監(jiān)控系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、攪拌站管理系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)連接起來，有利于數(shù)據(jù)資源的整合，也有利于加強(qiáng)與主機(jī)廠的合作，打破數(shù)據(jù)孤島，深度挖掘設(shè)備數(shù)據(jù)同樣前景廣闊。