公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要 通過(guò)在公路工程中合理地運(yùn)用數(shù)字化施工技術(shù)，能夠大幅提高工程建設(shè)質(zhì)量和效率。為提升數(shù)字化施工技術(shù)的運(yùn)用成效，文章先是對(duì)數(shù)字化及數(shù)字化施工作出了簡(jiǎn)要介紹，然后以某公路工程瀝青路面攤鋪施工為例，分別從數(shù)字化施工系統(tǒng)構(gòu)成以及各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)用等方面，針對(duì)數(shù)字化施工系統(tǒng)的應(yīng)用展開了深入探討，從而助推公路工程數(shù)字化建設(shè)不斷向好發(fā)展。

關(guān)鍵詞 公路工程；機(jī)械設(shè)備；數(shù)字化施工系統(tǒng)；科學(xué)運(yùn)用

中圖分類號(hào) U415.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0150-03

0 引言

數(shù)字化施工是現(xiàn)代公路工程建設(shè)活動(dòng)的一個(gè)主要發(fā)展方向，通過(guò)對(duì)數(shù)字化施工技術(shù)的合理運(yùn)用，能夠提高公路工程的建設(shè)成效，顯著提升工程建設(shè)安全性，對(duì)公路工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有著十分積極的意義。因此，有必要對(duì)公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)的應(yīng)用做出深入研究，確保數(shù)字化施工技術(shù)能夠在公路工程中充分發(fā)揮應(yīng)有效用。

1 數(shù)字化及數(shù)字化施工概述

1.1 數(shù)字化

數(shù)字化指的是借助信息轉(zhuǎn)換技術(shù)將復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀妆蝗藗兝斫夂驼J(rèn)識(shí)的數(shù)字的過(guò)程。目前來(lái)看，數(shù)字化屬于信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的一個(gè)高級(jí)階段，同時(shí)也是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵推動(dòng)力，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1所示）。

（1）信息采集?？梢赞D(zhuǎn)化為一系列數(shù)字信號(hào)的設(shè)備，通常為信息采集器。

（2）信息處理。主要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及各類軟硬件對(duì)采集的信息開展處理活動(dòng)。

（3）信息傳輸。借助網(wǎng)絡(luò)開展信息傳輸活動(dòng)。

（4）執(zhí)行。主要指的是信息表現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)。

1.2 數(shù)字化施工

數(shù)字化施工指的是借助多種先進(jìn)的技術(shù)手段（常見數(shù)字化施工技術(shù)如表1所示），將公路工程整個(gè)施工過(guò)程實(shí)施數(shù)字化、信息化以及智能化轉(zhuǎn)變，達(dá)到持續(xù)提高工程建設(shè)效率、質(zhì)量、安全性及經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前來(lái)看，開展數(shù)字化施工的價(jià)值和意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）數(shù)字化施工可以做到24 h不間斷開展建設(shè)活動(dòng)，能夠縮短工程建設(shè)時(shí)間，顯著提高施工效率，也有助于進(jìn)一步提高工程造價(jià)控制成效。

（2）數(shù)字化施工能夠極大減少人工作業(yè)，并且可以對(duì)設(shè)備及施工作業(yè)開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，有助于提升工程建設(shè)活動(dòng)的安全性，大幅降低安全事故出現(xiàn)的概率。

（3）數(shù)字化施工能夠提高工程建設(shè)的精度，避免出現(xiàn)材料浪費(fèi)或質(zhì)量隱患等問(wèn)題，同時(shí)也能精簡(jiǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，如可以省去人工打樁放樣或人工測(cè)量等工作，有助于降低施工成本，提高工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益。

（4）數(shù)字化施工使整個(gè)施工過(guò)程變得更加透明化，可幫助相關(guān)工作人員更好地了解和掌握工程進(jìn)度、安全性以及質(zhì)量[1]。

2 案例介紹

案例工程為國(guó)內(nèi)某市高速公路工程建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)長(zhǎng)度為73.6 km，案例段為32.8 km，路基寬度為39 m，路面寬度設(shè)計(jì)為33.75 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示，該工程為雙向6車道，時(shí)速設(shè)定為120 km/h。案例工程主要工程量：設(shè)計(jì)橋梁10座，長(zhǎng)度共計(jì)4 781.6 m；涵洞建設(shè)項(xiàng)目6座，全長(zhǎng)共計(jì)197.3 m；路基方面土石挖方工程量約為476.5萬(wàn)立方米，填方接近356.8萬(wàn)立方米。在開展瀝青路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)期間，為了提高攤鋪效率和質(zhì)量，案例工程運(yùn)用了數(shù)字化機(jī)械控制系統(tǒng)，取得了理想建設(shè)成效，為此以該工程為例針對(duì)公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)的應(yīng)用做出深入分析和探討。

3 公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

案例工程所用數(shù)字化機(jī)械控制系統(tǒng)依照具體的操作流程主要包括4個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)獲取傳輸、接收、分析、呈現(xiàn)。若是依照整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，則分為攤鋪監(jiān)控以及壓實(shí)監(jiān)控等系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，也能夠借助共享數(shù)據(jù)庫(kù)開展實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，攤鋪監(jiān)控及壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)屬于整個(gè)數(shù)字化機(jī)械控制系統(tǒng)中的核心內(nèi)容。具體建設(shè)情況如下。

3.1.1 攤鋪監(jiān)控系統(tǒng)

案例工程的攤鋪監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成部分眾多（如表3所示），其功能的實(shí)現(xiàn)如下：

首先，紅外溫度傳感器，主要借助橫向分布的形式陣列，間距設(shè)定為1.2～1.5 m之間，用于定頻開展攤鋪面溫度的獲取工作，掃描頻率為1次/m。由于溫度測(cè)點(diǎn)在攤鋪面中可以實(shí)現(xiàn)均勻分布，因此，將單點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)充分整合，從而構(gòu)建出溫度分布云圖，這樣能夠針對(duì)路面攤鋪溫度做出全面的監(jiān)管。但在實(shí)際安裝期間，需要保證所有紅外溫度傳感器應(yīng)合理地安裝在攤鋪機(jī)后方，并且均勻陣列。

其次，案例工程將數(shù)據(jù)處理終端安裝在攤鋪機(jī)操作平臺(tái)的合適位置，然后需要將其與各類傳感器進(jìn)行連接，包括距離、溫度和測(cè)距傳感器等。

最后，案例工程將數(shù)據(jù)終端以及攤鋪機(jī)電容連接，然后通過(guò)溫度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理地設(shè)置監(jiān)測(cè)參數(shù)，包括起始狀況、具體標(biāo)段信息、采集頻率等，對(duì)整個(gè)攤鋪過(guò)程開展全面監(jiān)控[2]。

3.1.2 壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、中心控制、電源、GPS、自組網(wǎng)、顯示終端多個(gè)模塊構(gòu)成。中心控制模塊屬于該系統(tǒng)的核心內(nèi)容，主要用來(lái)接收、存儲(chǔ)壓路機(jī)的數(shù)據(jù)信息，包括位置及路面寬度等，將這些數(shù)據(jù)信息加工處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳蔑@示終端模塊進(jìn)行顯示的數(shù)字化信息，然后操作人員便能夠借助顯示屏動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)階段路面攤鋪、壓實(shí)情況。除此之外，在壓路機(jī)車身兩側(cè)，案例工程還設(shè)立了紅外溫度傳感器，并在壓路機(jī)中安裝了局域網(wǎng)，讓多臺(tái)壓路機(jī)開展協(xié)同作業(yè)，實(shí)時(shí)共享所有的碾壓數(shù)據(jù)信息。另外，案例工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用的數(shù)字化機(jī)械控制系統(tǒng)中基站是關(guān)鍵內(nèi)容，采用的是現(xiàn)階段廣泛運(yùn)用的智能全站儀基站，具體安裝需要根據(jù)施工需求確定，以保證能夠獲取攤鋪儀器的有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.2 攤鋪控制系統(tǒng)的運(yùn)用

案例工程的攤鋪控制系統(tǒng)具體構(gòu)成涉及全站儀基站和上述提到的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行期間能夠智能化地對(duì)攤鋪坡度、高程、厚度等開展全面管控，具體如下。

3.2.1 坡度以及高程管控

案例工程攤鋪控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間，對(duì)于設(shè)置在控制點(diǎn)的全站儀基站能夠準(zhǔn)確地獲取攤鋪機(jī)中設(shè)置的棱鏡三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)±3 mm范圍內(nèi)的定位，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?yàn)橹行目刂葡到y(tǒng)不斷提供數(shù)據(jù)信息，此時(shí)數(shù)據(jù)控制箱則可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)這些坐標(biāo)信息開展處理工作，將這些信息和提前設(shè)定好的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息開展對(duì)比分析活動(dòng)，從而生成高程信息和比例驅(qū)動(dòng)信號(hào)。再借助液壓驅(qū)動(dòng)裝置使?fàn)恳垡簤河透装l(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，最終達(dá)到調(diào)整熨平板工作方向的目的，這樣便可以對(duì)攤鋪道路的高程和坡度進(jìn)行調(diào)控，從而更好地符合路面波動(dòng)要求，進(jìn)一步增強(qiáng)路面高程及坡度的可靠性、準(zhǔn)確性[3]。

3.2.2 平整度及厚度的管控

傳統(tǒng)瀝青路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)一般會(huì)運(yùn)用10 m方樁，然后安裝鋼絲繩，借助2D監(jiān)控系統(tǒng)開展攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，此種方式有可能對(duì)最終攤鋪水平產(chǎn)生不利影響。由于瀝青路面每2個(gè)結(jié)構(gòu)層之間的部分通常受到下層表面的影響和限制，如果下層表面出現(xiàn)了高低起伏問(wèn)題，那么完成攤鋪?zhàn)鳂I(yè)后的表面必然也會(huì)存在同樣的起伏問(wèn)題。而數(shù)字化機(jī)械控制系統(tǒng)主要為智能化及自動(dòng)化管控技術(shù)，能夠在維護(hù)攤鋪厚度的前提下，借助熨平板內(nèi)部設(shè)置的坡度傳感器，高效地獲取具體的攤鋪位置信息，然后控制牽引臂的液壓油缸，對(duì)熨平板的工作方向做出調(diào)整，從而確保攤鋪厚度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，為接下來(lái)的碾壓作業(yè)打下基礎(chǔ)，提高數(shù)字化施工建設(shè)成效[4]。

3.3 壓實(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

壓實(shí)控制系統(tǒng)發(fā)揮的關(guān)鍵作用是對(duì)整個(gè)碾壓過(guò)程做出全面監(jiān)管，核心管理對(duì)象包括路跡和壓實(shí)狀況等，案例工程壓實(shí)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間主要涉及以下兩大內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。在開展數(shù)字化壓實(shí)活動(dòng)期間，壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)極為關(guān)鍵，為提高監(jiān)控成效，案例工程強(qiáng)調(diào)對(duì)全站儀基站做出科學(xué)運(yùn)用，同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)組建一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而可以實(shí)時(shí)獲取壓路機(jī)的運(yùn)行信息及數(shù)據(jù)。在壓實(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，操作人員借助移動(dòng)終端設(shè)備顯示收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而了解壓路機(jī)運(yùn)行方向和軌跡，并分析出壓路機(jī)是否依照設(shè)定的方向運(yùn)行，然后做出適當(dāng)?shù)闹甘竞驼{(diào)控。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。屬于壓路機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵，該模塊能夠?qū)⒛雺浩陂g壓路機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)快速地上傳到服務(wù)器系統(tǒng)和顯示終端，做到實(shí)時(shí)監(jiān)管，提高壓實(shí)作業(yè)成效。例如，案例工程在每臺(tái)壓路機(jī)內(nèi)都安裝了壓實(shí)度傳感裝置，能夠?qū)崟r(shí)地將所有壓實(shí)數(shù)據(jù)信息上傳到壓路機(jī)顯示終端上，這樣機(jī)械操作人員能夠準(zhǔn)確掌握路面壓實(shí)情況，從而更合理地開展壓實(shí)作業(yè)，防止產(chǎn)生不必要的多余碾壓以及欠壓情況，既可以提高瀝青路面碾壓作業(yè)成效，還能減少資源浪費(fèi)，提升工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，壓實(shí)度信息還能直接打印或共享，使監(jiān)理人員全面清晰地了解和把握各段碾壓工作質(zhì)量，從而提高審核確認(rèn)成效，而且這些數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)記錄，可實(shí)現(xiàn)碾壓作業(yè)追蹤回溯，一旦出現(xiàn)質(zhì)量等問(wèn)題，便于追究相關(guān)人員的工作責(zé)任。

3.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)屬于整個(gè)數(shù)字化控制系統(tǒng)的核心部分，其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)信息高效處理、分析及管控，從而降低攤鋪及碾壓作業(yè)的失誤概率，進(jìn)一步提高數(shù)字化施工成效，具體如下。

3.4.1 攤鋪?zhàn)鳂I(yè)數(shù)據(jù)處理

攤鋪控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)查看攤鋪?zhàn)鳂I(yè)參數(shù)，包括溫度、速度等，并且可以根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)，始終讓攤鋪機(jī)作業(yè)保持在適合的速度上，如案例工程設(shè)定為3 m/min，該系統(tǒng)便可讓攤鋪機(jī)的作業(yè)速度始終處于3 m/min左右，有助于提升作業(yè)的穩(wěn)定性及可靠性。

3.4.2 碾壓作業(yè)數(shù)據(jù)處理

碾壓控制系統(tǒng)同樣可以對(duì)壓路機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)做出有效管控，以案例工程雙鋼輪壓路機(jī)的碾壓作業(yè)為例，其碾壓速度要求保持在3～4.5 km/h之間，初壓要求達(dá)到2遍，復(fù)壓達(dá)到5遍，終壓達(dá)到2遍，在開展壓實(shí)作業(yè)期間，監(jiān)控系統(tǒng)及顯示終端能夠?qū)郝窓C(jī)碾壓作業(yè)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理并顯示在顯示器屏幕上。操作人員結(jié)合這些數(shù)據(jù)信息，可及時(shí)開展優(yōu)化調(diào)整工作，從而保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，提高碾壓效率和質(zhì)量[5]。

3.5 應(yīng)用效果分析

案例工程借助對(duì)數(shù)字化施工機(jī)械控制系統(tǒng)的合理運(yùn)用，大幅提高了瀝青路面的整體施工效率和質(zhì)量。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）借助該數(shù)字化控制系統(tǒng)，能夠提高施工速度，顯著降低施工成本。在開展施工作業(yè)期間，相關(guān)監(jiān)管人員以及操作人員可以借助該系統(tǒng)對(duì)攤鋪機(jī)以及壓路機(jī)等開展實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可以保證攤鋪?zhàn)鳂I(yè)切實(shí)符合設(shè)計(jì)要求，減少欠壓、漏壓等問(wèn)題，還能夠減少人工干預(yù)，從而在保證攤鋪和碾壓質(zhì)量的同時(shí)，減少各環(huán)節(jié)的作業(yè)時(shí)間，提高施工效率。此外，還能持續(xù)提高各類機(jī)具的使用率，有效降低能耗以及人工費(fèi)用，獲取良好的降低成本效果。

（2）能夠開展整個(gè)施工作業(yè)的全過(guò)程管控。對(duì)于壓實(shí)控制系統(tǒng)以及攤鋪控制系統(tǒng)來(lái)講，兩者均能實(shí)時(shí)有效地監(jiān)控相關(guān)機(jī)械的作業(yè)速度、軌跡還有作業(yè)遍數(shù)等一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)，從而便于現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)工作人員及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)，可達(dá)到整個(gè)作業(yè)過(guò)程智能化、自動(dòng)化監(jiān)督的目的。

（3）能夠提高管理成效。借助監(jiān)控系統(tǒng)，案例工程管理人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的攤鋪以及壓實(shí)進(jìn)程，并且隨時(shí)獲取與作業(yè)質(zhì)量有關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息，從而能夠隨時(shí)開展相關(guān)管理活動(dòng)，達(dá)到提高管理效率和質(zhì)量的目的。此外各類數(shù)據(jù)信息還可以實(shí)現(xiàn)有效存儲(chǔ)、記錄，便于開展工程質(zhì)量問(wèn)題的回溯追究工作，還能為返工以及后期養(yǎng)護(hù)等活動(dòng)提供支持和幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等多種技術(shù)手段高速發(fā)展的背景下，公路工程施工建設(shè)活動(dòng)不斷地向著數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，顯著提高了整體建設(shè)成效。此次研究以某公路工程為例，針對(duì)公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)的具體應(yīng)用策略做出了深入研究，經(jīng)分析驗(yàn)證具備良好的可行性，能夠解決數(shù)字化施工系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)用不當(dāng)?shù)纫l(fā)的施工效果不佳的問(wèn)題，值得推廣和借鑒。

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收稿日期：2023-11-17

作者簡(jiǎn)介：韓海慶（1984—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程。