高速公路工程施工機械自動化與無人化技術

唐小乂

（四川公路橋梁建設集團有限公司公路三分公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和交通需求的增加，高速公路建設和維護工作變得越來越重要。在傳統(tǒng)的施工過程中，人工操作機械設備需要耗費大量的時間和人力資源，同時也存在一定的安全風險。因此，研究高速公路工程施工機械的自動化與無人化技術具有重要的意義。通過引入自動化技術，可以實現(xiàn)機械設備的自主操作和監(jiān)測，提高施工效率和質量，減少人為因素帶來的錯誤和事故，實現(xiàn)施工過程的自動化、智能化和高效化，不僅為高速公路建設提供了新的解決方案，而且為社會經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾出行提供更好的道路條件。

1 機械自動化與無人化技術概述

機械自動化技術是指利用機械設備和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化。它可以通過傳感器、執(zhí)行器和控制器等組件，實現(xiàn)對材料的運輸、加工、裝配等工序的自動化操作。機械自動化技術提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，減少了勞動強度和人為錯誤，促進了工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化。無人化技術是指在特定的環(huán)境和任務下，通過無人系統(tǒng)和無人設備實現(xiàn)工作的自主完成。例如，無人駕駛技術可以使車輛在沒有人員操控的情況下進行自主導航和行駛。無人機技術可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測、勘察、運輸?shù)热蝿铡o人化技術不僅提高了工作效率和安全性，還拓展了人類活動的范圍和可能性[1]。機械自動化與無人化技術是現(xiàn)代工業(yè)領域的重要發(fā)展方向，它們以機器和電子技術為基礎，通過自動化設備和系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)對工作過程和任務的自主完成，減少對人力的需求。

2 機械自動化技術在高速公路施工中的應用

2.1 自動化挖掘機的應用

自動化挖掘機是高速公路工程中常見的施工機械之一，其應用可以大大提高挖掘作業(yè)的效率和準確性。傳統(tǒng)的挖掘機需要由操作員手動控制，操作過程中容易受到人為因素的影響，導致作業(yè)不穩(wěn)定和效率低下。而自動化挖掘機則可以通過激光雷達、攝像頭等傳感器感知周圍環(huán)境，通過先進的控制系統(tǒng)自主地進行挖掘作業(yè)。它能夠準確地識別地面的高度和坡度，自動調(diào)整挖掘深度和角度，避免因人為操作而引起的誤差。此外，自動化挖掘機還能夠通過實時數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，實現(xiàn)智能化的作業(yè)規(guī)劃和路徑選擇，從而提高施工效率和質量。

2.2 自動化鋪設機的應用

自動化鋪設機是高速公路施工中一種重要的機械設備，它主要用于瀝青、水泥等材料的鋪設和壓實。傳統(tǒng)的鋪設機需要由操作員手動控制，工作過程中容易受到施工人員技術水平和操作疲勞等因素的影響，導致鋪設質量不穩(wěn)定。而自動化鋪設機則可以通過先進的控制系統(tǒng)和傳感器，實現(xiàn)自動化的施工過程。它能夠根據(jù)設計要求自動調(diào)整鋪設速度和壓實力度，保證施工質量的一致性和穩(wěn)定性。此外，自動化鋪設機還能夠通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整施工參數(shù)，避免材料浪費和施工缺陷，提高施工效率和質量。

2.3 自動化壓實機的應用

自動化壓實機在高速公路的路面壓實工作中起到重要的作用。傳統(tǒng)的路面壓實通常需要大型的壓路機和熟練的操作人員，而自動化壓實機的應用可以減少對人力的需求，并提高施工的效率和質量。首先，自動化壓實機利用激光測距儀和振動傳感器等高精度傳感器，實時測量路面的坡度和密實度。這些傳感器可以準確地獲取路面的形態(tài)信息和振動情況。通過與預設的要求進行比對，自動化壓實機可以根據(jù)實際情況自動調(diào)整振動頻率和行進速度等參數(shù)，以達到最佳的壓實效果。相比傳統(tǒng)的手動調(diào)整方式，自動化壓實機可以更加精確地控制壓實過程，提高施工的穩(wěn)定性和一致性。其次，自動化壓實機具備自主導航和路徑規(guī)劃的能力。通過激光掃描儀等傳感器，自動化壓實機可以實時獲取周圍環(huán)境的信息，并根據(jù)預設的施工圖紙和地形條件自動規(guī)劃行進路徑。這使得自動化壓實機能夠避免重復壓實和漏壓的情況，提高施工效率和壓實質量。同時，自動化壓實機還能夠根據(jù)地形的變化實時調(diào)整行進速度和振動頻率，確保不同部位的路面均勻受力，減少壓實過程中的不均勻性。最后，自動化壓實機具備遠程監(jiān)控和操作的功能。通過與中心控制系統(tǒng)的連接，施工人員可以遠程監(jiān)控和操作多臺自動化壓實機。這種遠程操作方式不僅提高了施工人員的安全性，還大大節(jié)約了人力資源和運營成本。同時，中心控制系統(tǒng)還可以實時收集和記錄壓實過程的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的施工質量評估和維護提供參考依據(jù)。

2.4 自動化混凝土攪拌車的應用

自動化混凝土攪拌車在高速公路施工中扮演著重要角色。傳統(tǒng)的混凝土攪拌需要大量的人力投入和操作，而自動化混凝土攪拌車的應用可以極大地提高施工效率和質量。自動化混凝土攪拌車具備自動計量、自動攪拌和自動卸料的功能，可以根據(jù)預設的配比和攪拌時間自動完成混凝土的制備過程。同時，自動化混凝土攪拌車還可以通過傳感器實時監(jiān)測混凝土的流動性和均勻度，并根據(jù)需要進行調(diào)整和控制，以確?；炷恋馁|量和一致性。自動化混凝土攪拌車不僅提高了施工效率，還減少了人為操作的誤差和浪費，同時降低了勞動強度和施工風險[2]。

3 無人化技術在高速公路施工中的應用

3.1 無人駕駛車輛在物料運輸和清理工作中的應用

物料運輸和清理是高速公路施工過程中必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的物料運輸和清理通常需要大量的人力投入和時間成本，并且存在人為操作的誤差和安全風險。而無人駕駛車輛的應用可以提高物料運輸和清理的效率，減少人力投入和施工時間。一方面，無人駕駛車輛能夠實現(xiàn)自主的物料運輸。通過先進的導航系統(tǒng)和傳感器，無人駕駛車輛可以準確地識別道路和周圍環(huán)境，避開障礙物，并按照預定的路徑進行物料運輸。相比傳統(tǒng)的人工運輸，無人駕駛車輛能夠提高運輸速度和準確性，減少人力投入和運輸時間。另一方面，無人駕駛車輛能夠自動清理工地。在高速公路施工中，清理工地是一項重要且煩瑣的任務。無人駕駛車輛通過搭載清掃設備和傳感器，能夠自主地清理工地上的垃圾和雜物。這不僅能夠提高清理效率，還能夠減少人力投入和降低清理工作對環(huán)境的影響。此外，無人駕駛車輛的應用還能夠提高施工安全性。傳統(tǒng)的物料運輸和清理工作涉及人員在高速公路上行走，存在一定的安全風險。而無人駕駛車輛的應用則可以避免這些風險，減少人員在施工區(qū)域的活動，提供更安全的工作環(huán)境。

3.2 無人機和遙感技術在勘察和監(jiān)測中的應用

勘察和監(jiān)測是高速公路施工前期和施工過程中非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的勘察和監(jiān)測通常需要大量的人力投入和復雜的操作程序，而無人機和遙感技術的應用可以實現(xiàn)快速、精確和全面的勘察和監(jiān)測。首先，無人機在高速公路施工前期的勘察中起到了關鍵作用。無人機可以搭載高分辨率的攝像頭和激光雷達等設備，通過空中拍攝和掃描，可以獲取大范圍、高精度的地形數(shù)據(jù)和圖像。這些數(shù)據(jù)可以用于路線規(guī)劃、地質勘察和環(huán)境評估等工作，為后續(xù)的施工設計提供重要參考。無人機還可以實時傳輸勘察數(shù)據(jù)，提高勘察效率和準確性。其次，遙感技術在高速公路施工過程中的監(jiān)測中具有重要意義。通過搭載各種傳感器和攝像頭，遙感技術可以實時獲取高速公路施工現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，如地形變化、土壤濕度、施工設備狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)可以通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行分析和處理，為施工管理者提供及時的決策依據(jù)。遙感技術還可以自動識別和報警施工現(xiàn)場的安全隱患，提高施工安全性。此外，無人機和遙感技術還可以在施工過程中進行質量檢測和維護。無人機可以飛越施工現(xiàn)場進行巡視，及時發(fā)現(xiàn)施工缺陷和質量問題，并通過攝像頭拍攝和傳輸相關數(shù)據(jù)，為施工管理者提供及時的處理建議。遙感技術可以實時監(jiān)測施工材料和結構的物理性能，如溫度、壓力、應變等，并進行預警和報警，保證施工質量和安全[3]。

3.3 機器人技術在施工作業(yè)中的應用

機器人可以在施工現(xiàn)場執(zhí)行各種任務，提高施工效率和質量。首先，機器人可以用于環(huán)境監(jiān)測和測量。在施工過程中，機器人可以通過傳感器和攝像頭等裝置實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度和空氣質量等，幫助工作人員了解施工環(huán)境的情況，機器人還可以進行精確的測量，如土壤、地下管線和道路等，以確保施工的準確性和安全性。其次，機器人技術還可以應用于建筑和維護工作。在高速公路的施工過程中，機器人可以承擔一些繁重和危險的任務，如搬運重物、挖掘和填充土壤等。機器人具備穩(wěn)定性和精確性，可以減少人力勞動的參與，提高施工效率和安全性。此外，機器人還可以用于維護工作，如維修和更換道路標志、路燈和護欄等。機器人可以以更快的速度和更高的準確性進行維修，減少對交通的影響和工作人員的風險。最后，機器人技術可以在施工垃圾處理方面發(fā)揮重要作用。在高速公路施工過程中，產(chǎn)生大量的垃圾和廢棄物需要處理。機器人可以通過自動分揀和分類的方式，將垃圾進行有效的處理和回收。這不僅可以減少環(huán)境污染，還可以提高資源利用率。機器人的應用可以提高施工垃圾處理的效率和質量，減少對人力的依賴和風險。

3.4 自主導航系統(tǒng)在施工機械中的應用

自主導航系統(tǒng)是指通過先進的傳感器和算法，使機械設備能夠自主地進行導航和操作。在高速公路施工中，自主導航系統(tǒng)的應用可以大大提高施工機械的效率和安全性。一方面，自主導航系統(tǒng)可以實現(xiàn)施工機械的自動導航和路徑規(guī)劃。通過激光雷達、攝像頭和GPS 等傳感器，自主導航系統(tǒng)可以獲取實時的位置和環(huán)境信息，從而確定最佳的行進路徑。施工機械可以根據(jù)預設的任務和地形條件，自主地選擇最優(yōu)的路徑，并避開障礙物和危險區(qū)域，提高施工效率和安全性。另一方面，自主導航系統(tǒng)還可以實現(xiàn)施工機械的避障和碰撞預警功能。通過激光雷達和超聲波傳感器等裝置，自主導航系統(tǒng)可以實時監(jiān)測周圍環(huán)境，并預測可能的碰撞和危險情況。當施工機械接近障礙物或其他車輛時，自主導航系統(tǒng)會發(fā)出警報并自動采取避免碰撞的措施，避免事故的發(fā)生。此外，自主導航系統(tǒng)還可以實現(xiàn)施工機械的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋。通過傳感器和無線通信技術，自主導航系統(tǒng)可以將施工機械的工作狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂剖遥瑢崿F(xiàn)對施工過程的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。這不僅可以及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，還可以提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，提高施工的效率和質量[4]。

4 機械自動化與無人化技術在高速公路工程中的協(xié)同應用

機械自動化和無人化技術的協(xié)同作業(yè)是指將機械自動化技術和無人化技術相結合，實現(xiàn)機器人設備之間的信息共享和任務協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)更高效的協(xié)同作業(yè)。具體來說，機械自動化技術可以實現(xiàn)機械設備的自主感知和控制，從而準確地執(zhí)行任務；而無人化技術則可以實現(xiàn)機器人設備的自主運動和作業(yè)，從而實現(xiàn)任務的快速完成。

在高速公路施工中，機械自動化和無人化技術的協(xié)同作業(yè)應用廣泛。具體應用場景包括有以下幾個方面：①在隧道施工中，可以使用自動化鏟車和無人化運輸車進行協(xié)同作業(yè)。鏟車通過自主感知和控制，挖掘隧道土方；而運輸車則通過自主運動和作業(yè)，將土方運離施工現(xiàn)場。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質量，減少人力投入和安全風險。②在橋梁施工中，可以使用自動化起重機和無人化焊接機進行協(xié)同作業(yè)。起重機通過自主感知和控制，準確地進行吊裝作業(yè)；而焊接機則通過自主運動和作業(yè)，實現(xiàn)橋梁焊接。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質量，降低人力投入和安全風險。③在路面維修中，可以使用自動化修補機和無人化清掃機進行協(xié)同作業(yè)[5]。修補機通過自主感知和控制，進行路面修補；而清掃機則通過自主運動和作業(yè)，進行路面清掃。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質量，減少人力投入和安全風險。

5 結語

綜上所述，高速公路工程施工機械自動化與無人化技術的發(fā)展，為高速公路建設帶來了巨大的變革和進步。這些先進技術的應用不僅提高了施工效率，降低了成本，還減少了人為錯誤的發(fā)生。通過協(xié)同應用，我們能夠更好地利用機械自動化和無人化技術，推動高速公路建設的進一步發(fā)展和完善。隨著科技的不斷進步，相信這些技術將繼續(xù)創(chuàng)新和演進，為未來的高速公路建設提供更加可持續(xù)和智能化的解決方案，助力社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民出行條件的改善。