基于無人駕駛的高速公路路基智能壓實(shí)技術(shù)實(shí)踐

張揚(yáng)

（黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司）

1 引言

隨著“新基建”的逐步落實(shí)，高速公路施工的各個(gè)階段逐漸向信息化、智能化[1-2]發(fā)展。將通訊[3-4]、定位[5-7]、自動(dòng)控制[8-9]等多種技術(shù)結(jié)合起來，采集施工過程中的數(shù)據(jù)，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)方法處理數(shù)據(jù)，從而監(jiān)管施工質(zhì)量。

目前，高速公路路基壓實(shí)施工的壓實(shí)路徑難以通過人工精準(zhǔn)控制，壓實(shí)后的路基依然存在質(zhì)量問題。國內(nèi)外學(xué)者已通過建立路基壓實(shí)質(zhì)量模型[10]及壓實(shí)反饋方法[11]進(jìn)行分析，研究了智能壓實(shí)監(jiān)控技術(shù)[12]。因此，需要結(jié)合先進(jìn)技術(shù)手段，使壓路機(jī)能夠做到無人駕駛壓實(shí)，提高路基施工質(zhì)量，保障施工安全。

本文通過對5G通信技術(shù)、定位技術(shù)、無人駕駛控制技術(shù)在公路施工方面現(xiàn)狀及原理的分析，研究融合多種技術(shù)的高速公路智能壓實(shí)技術(shù)的整體架構(gòu)，并在黑龍江省哈肇高速公路施工中進(jìn)行應(yīng)用，為提高現(xiàn)有公路施工速度及管理效率提供技術(shù)支持。

2 智能壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 5G通信技術(shù)及北斗定位技術(shù)研究

2.1.1 5G通信技術(shù)研究

現(xiàn)有研究表明，5G通信技術(shù)可在自動(dòng)輔助駕駛、路況安全反饋等方面應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、低延時(shí)特點(diǎn)保障了工程機(jī)械設(shè)備信息實(shí)時(shí)反饋，減小了安全制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間及距離。5G通信技術(shù)應(yīng)用于公路施工，既要實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)接入和長距離傳輸，還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和安全性。

根據(jù)目前高速公路5G基站的覆蓋現(xiàn)狀和規(guī)劃分析得到公路高速公路5G覆蓋存在車體穿透損耗大、業(yè)務(wù)切換繁忙等特點(diǎn)，為擴(kuò)展5G宏站網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，應(yīng)加強(qiáng)對5G微站的建設(shè)，經(jīng)研究采用3.5GHz和2.1GHz頻段分場景混合組網(wǎng)覆蓋于高速公路施工現(xiàn)場的方案。

2.1.2 北斗高精度定位技術(shù)研究

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，在公路工程方面，已應(yīng)用RTK定位技術(shù)、集成地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。公路工程無人駕駛機(jī)械施工的精準(zhǔn)定位服務(wù)都是采用網(wǎng)絡(luò)輔助信息+差分BDS等技術(shù)手段。而千尋定位自建地基增強(qiáng)系統(tǒng)，聯(lián)合運(yùn)營商提供服務(wù)，降低設(shè)備成本，還能結(jié)合高精度地圖，幫助無人駕駛設(shè)備對環(huán)境進(jìn)行感知，獲取環(huán)境信息并計(jì)算，從而進(jìn)行自主決策。

目前在公路工程的施工現(xiàn)場，主要應(yīng)用的定位方式分別為北斗輔助定位技術(shù)的差分基準(zhǔn)站定位或北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的千尋定位，兩種差分基站布設(shè)路徑及其他主要參數(shù)比對如表1所示，應(yīng)根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)基站布設(shè)情況及預(yù)算要求選擇差分基準(zhǔn)站定位或千尋定位。

表1 差分基站布設(shè)路徑分析表

2.2 無人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

無人駕駛壓路機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為中心，通過軟件及硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制的智能系統(tǒng)。無人駕駛壓路機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人駕駛壓路機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

壓路機(jī)采用“IF-THEN”決策系統(tǒng)，依據(jù)具體規(guī)則編程。感知層通過定位接收機(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)。規(guī)劃層采用工控機(jī)、自主研發(fā)平臺或第三方研發(fā)平臺以滿足計(jì)算機(jī)各類控制單元需求，結(jié)合施工區(qū)域信息、碾壓施工工藝信息自動(dòng)規(guī)劃施工軌跡和糾偏、避障措施?？刂茖油ㄟ^電控硬件，應(yīng)用自動(dòng)控制算法控制壓路機(jī)行駛、轉(zhuǎn)向、碾壓、避障等，使壓路機(jī)完成限定區(qū)域及條件下的無人駕駛。

3 無人駕駛智能壓實(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人駕駛壓實(shí)除應(yīng)用以上幾種技術(shù)外，還要綜合運(yùn)用自動(dòng)駕駛技術(shù)、動(dòng)態(tài)避障技術(shù)等，同時(shí)還與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合。

3.1 無人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對5G通信技術(shù)、北斗定位技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的技術(shù)原理，以及多種技術(shù)應(yīng)用于無人駕駛壓路機(jī)的研究，得出無人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 無人駕駛智能壓實(shí)系統(tǒng)框架

無人駕駛壓路機(jī)嚴(yán)格按照道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工，在保證施工工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合路基壓實(shí)度檢測系統(tǒng)，通過RTK定位模塊、加速度傳感器、紅外溫度傳感器對位置、壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和機(jī)器間的信息交互。

3.2 無人駕駛壓路機(jī)應(yīng)用分析

目前黑龍江省高速公路哈肇段的建設(shè)為本研究的主要測試路段，全線采用瀝青混凝土路面。試驗(yàn)段全長500m，樁號為K83+000～K83+500，上基層材料為ATB-25粗粒式瀝青碎石，路面設(shè)計(jì)寬度為23.5m，為雙向4車道。

本研究無人駕駛壓實(shí)試驗(yàn)段在無人駕駛智能施工控制管理平臺中得到的壓實(shí)軌跡云圖，如圖3所示。

圖3 無人駕駛壓實(shí)軌跡云圖

通過使用image Pro plus軟件對圖3進(jìn)行處理，捕捉不同顏色所占路面的比例，得到不同壓實(shí)遍數(shù)占試驗(yàn)段施工區(qū)域的比例，如表2所示。

表2 無人駕駛壓實(shí)遍數(shù)比例表

由圖3和表1可知，無人駕駛壓路機(jī)壓實(shí)過程中，壓實(shí)軌跡均勻整齊，能夠清晰地看出壓實(shí)重疊區(qū)域的壓實(shí)情況，且壓實(shí)施工達(dá)到要求的壓實(shí)遍數(shù)面積占比能夠達(dá)到97.91%。由于5G網(wǎng)絡(luò)和北斗高精度定位技術(shù)的共同應(yīng)用，結(jié)合自動(dòng)駕駛控制器準(zhǔn)確定位壓路機(jī)，精準(zhǔn)控制無人駕駛壓路機(jī)壓實(shí)路徑及轉(zhuǎn)向角度，同時(shí)通過壓路機(jī)之間信息的交互，智能控制各壓路機(jī)交叉作業(yè)，從而使無人駕駛壓路機(jī)壓實(shí)的軌跡均勻。

4 結(jié)語

通過對智能壓實(shí)施工多種技術(shù)原理及應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，采用5G混合組網(wǎng)的方式對高速公路施工現(xiàn)場進(jìn)行通信全覆蓋，能夠加快無人駕駛施工機(jī)械與管理平臺間的信息反饋速度，大幅度降低反應(yīng)延時(shí)。而5G通信及北斗高精度定位技術(shù)的融合，則更精準(zhǔn)地控制了無人駕駛壓路機(jī)的碾壓軌跡、碾壓質(zhì)量。通過多種技術(shù)與車載傳感器和智能壓實(shí)檢測系統(tǒng)對無人駕駛壓路機(jī)施工的綜合控制，可保證壓路機(jī)運(yùn)行的安全。

經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，無人駕駛壓路機(jī)的作業(yè)軌跡更加均勻，避免了傳統(tǒng)人工駕駛壓實(shí)導(dǎo)致壓實(shí)效果不均勻的問題，還能夠達(dá)到省時(shí)、省人、節(jié)約成本的目的，提升高速公路路基壓實(shí)的施工效率，是公路工程施工領(lǐng)域技術(shù)革新的重要發(fā)展方向。