基于質(zhì)控系統(tǒng)的無人攤碾施工技術(shù)及管理行為研究

摘要 智能化施工是未來道路工程機械化發(fā)展的一個重要方向，該文結(jié)合2022年通啟高速G15段集中養(yǎng)護工程，對無人攤碾和信息化質(zhì)控技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：無人攤碾施工技術(shù)能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)人工作業(yè)及過程監(jiān)管的局限性，攤碾過程采用的質(zhì)控系統(tǒng)能夠快速將施工問題反饋至前后場，根據(jù)作業(yè)情況及時調(diào)整參數(shù)，能夠使施工過程更加穩(wěn)定。攤鋪后鋪面檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無人化碾壓效果更優(yōu)，滲水合格率達到100%，根據(jù)碾壓云圖可以看出，無人碾壓鋪面效果更加均勻。后續(xù)展望需進一步加強施工過程中的起步和結(jié)束階段無人化控制程度。

關(guān)鍵詞 道路工程；智能化施工；無人攤碾技術(shù)；質(zhì)控系統(tǒng)；一體化管理

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0090-03

0 引言

機械設(shè)備廣泛應(yīng)用于瀝青路面攤鋪和碾壓施工中，在復(fù)雜工況下，人工使用機械設(shè)備很難實現(xiàn)協(xié)同調(diào)度一致，同時攤鋪速度、碾壓遍數(shù)由于人工作業(yè)誤差很難達到事先設(shè)置好的施工參數(shù)，作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率難以保障[1-3]。無人攤碾加質(zhì)控系統(tǒng)技術(shù)是近年來高速公路施工作業(yè)向智能化、系統(tǒng)化、無人化發(fā)展的重要趨勢[4]。通過無人駕駛、協(xié)同調(diào)度、群控安全等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)路面施工的智能作業(yè)與數(shù)字化管理，利用北斗定位系統(tǒng)、高速通信系統(tǒng)、避障感知系統(tǒng)等智能技術(shù)，讓無人機群能夠按照事先設(shè)置好的攤鋪速度、運行軌跡、碾壓速度與遍數(shù)協(xié)同作業(yè)[5-6]，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整施工參數(shù)，在減少作業(yè)人員的同時，保證安全且高質(zhì)量的路面攤鋪和碾壓作業(yè)，是公路工程建設(shè)安全、優(yōu)質(zhì)、高效的新突破[7-8]。

通啟高速公路是江蘇省規(guī)劃的“四縱四橫四聯(lián)”路網(wǎng)中“橫三”線和江北交通主骨架的重要組成部分，于2004年10月建成通車，始于寧通高速公路的九華互通立交，沿途經(jīng)過通州區(qū)、港閘區(qū)、南通經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、海門市、啟東市五個市（區(qū)），止于啟東市匯龍鎮(zhèn)，全長107.63 km。該道路已通車18年，超過設(shè)計使用年限，路面情況復(fù)雜，且地理位置特殊，車流量巨大，在車輛荷載及環(huán)境因素的長期作用下，路面使用性能持續(xù)衰減。2022年7月，通啟高速公路G15段開始進行全面養(yǎng)護工作，該道路養(yǎng)護作業(yè)量大、養(yǎng)護質(zhì)量要求高，且屬于主干線亟須盡快恢復(fù)通車，智能化養(yǎng)護施工改造需求迫切?；诖?，該研究結(jié)合通啟高速公路路面大修養(yǎng)護工程，對無人攤碾結(jié)合質(zhì)控系統(tǒng)動態(tài)把控攤碾質(zhì)量技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究與分析，以期為無人攤碾技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 無人攤碾施工的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基本原理及實施方法

無人化集群系統(tǒng)通過多種智能傳感方式實施監(jiān)控并反饋路面的狀態(tài)，中央決策系統(tǒng)會根據(jù)路面攤鋪、壓實的情況實時調(diào)整無人化設(shè)備的工作方式和工作區(qū)域，從而實現(xiàn)施工過程監(jiān)管和質(zhì)量的把控。無人攤碾主要由三大部分組成，成套的無人化設(shè)備、無人化施工系統(tǒng)以及專業(yè)化的無人施工團隊。施工單位根據(jù)業(yè)主需求和設(shè)計圖紙制定前場施工方案，無人施工團隊對應(yīng)調(diào)整施工參數(shù)并輸入無人機群控制系統(tǒng)，通過搭載的車載控制系統(tǒng)、集群交互算法以及北斗定位技術(shù)，實現(xiàn)無人化施工[9-11]。

1.2 施工設(shè)備

攤鋪機采用搭載質(zhì)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的超大型攤鋪機，一次鋪筑半幅寬，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)施工的縱向接縫問題且確保整幅橫坡一致。邊緣處設(shè)置0.75 m伸縮帶便于寬度調(diào)整，從機械結(jié)構(gòu)上解決傳統(tǒng)雙機并鋪帶來的接縫質(zhì)量問題。施工過程中，由于半幅攤鋪機螺旋布料器寬度以及料斗寬度較大，混合料與空氣接觸面大，導(dǎo)致攤鋪過程中溫度散失較為明顯，鋪面經(jīng)常出現(xiàn)溫度離析現(xiàn)象，因此攤鋪需重點考慮保溫措施，確保攤鋪和壓實溫度。碾壓采用搭載質(zhì)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的雙鋼輪壓路機，與市場常規(guī)產(chǎn)品對比，具有自重大、高頻的特點，能夠合理避開公路橋梁的共振頻率區(qū)間。同時采用壓路機研究所最新控制技術(shù)[12]，對加速度曲線以及軟啟軟停技術(shù)進行優(yōu)化，使瀝青路面的平整度參數(shù)得到了有效提高。

1.3 施工準備

為保證無人集群攤鋪施工順利進行，對各環(huán)節(jié)機械設(shè)備進行了檢查、檢修，具體措施如下：

（1）對石子、瀝青、纖維等原材料進行抽樣檢測，檢查結(jié)果合格；

（2）對拌和樓生產(chǎn)設(shè)備進行檢查、檢修，更換部分配件，抽調(diào)生產(chǎn)經(jīng)驗豐富的人員負責(zé)混合料生產(chǎn)；

（3）對現(xiàn)場施工機械進行檢查，保證機械性能處于優(yōu)良狀態(tài)；

（4）對混合料運輸車的保溫設(shè)施及車況進行檢查，對不符合要求的車輛進行專項整改；

（5）準備充足的配件，安排機務(wù)修理人員現(xiàn)場待命。

1.4 施工過程

全幅攤鋪機作為攤鋪第一梯隊首先進行踩點引導(dǎo)，攤鋪速度保持在2～3 m/min。在攤鋪機的熨平板兩邊裝有的衛(wèi)星定位傳感器用于測定路面寬度中心位置點，為后續(xù)攤鋪確定和劃分碾壓寬度提供中心點參考，同時攤鋪機后面預(yù)留3～5 m的安全距離防止追尾。然后進行初壓，根據(jù)中心參考點和預(yù)設(shè)的攤鋪距離，以中線為界劃分為左右兩個碾壓區(qū)域。當區(qū)域人工施工間距達到35 m時，由兩臺雙鋼輪壓路機組成的第一碾壓梯隊開始對攤鋪過的瀝青路面進行從左往右（或者從右往左）碾壓。此外，首次碾壓時，雙鋼輪碾壓機需前進至攤鋪機后面5 m處，后退時需退回至壓實區(qū)的起始點。后續(xù)碾壓過程中，雙鋼輪碾壓機每次碾壓都需推進到攤鋪機后5 m處，并后退實現(xiàn)階梯式碾壓作業(yè)。

在碾壓過程中，第一碾壓梯隊的兩臺雙鋼輪壓路機在各自的區(qū)域需完成碾壓次數(shù)達到三次，且保證被碾壓過的區(qū)域長度達到預(yù)設(shè)距離。然后初壓梯隊進入下一個碾壓區(qū)域，同時第一區(qū)域由兩臺復(fù)壓雙鋼輪壓路機組成的第二碾壓梯隊開始從第一碾壓梯隊的初始位置進行碾壓，碾壓方式與第一梯隊相同，最后由一臺雙鋼輪壓路機組成的第三碾壓梯隊進行最終壓實。當復(fù)壓梯隊碾壓完兩個區(qū)域，進入第四區(qū)域時，終壓開始啟動，各梯隊碾壓過后軌跡示意圖如圖1所示。以同一區(qū)域為例初壓梯隊碾壓完成后，該區(qū)域由復(fù)壓梯隊繼續(xù)進行二次復(fù)壓，復(fù)壓過后該區(qū)域則由終壓梯隊進行第三輪終壓，同時確保復(fù)壓軌跡最后被終壓軌跡覆蓋。

2 基于質(zhì)控系統(tǒng)的關(guān)鍵管控行為

采用國內(nèi)首創(chuàng)的“無人攤碾+質(zhì)控系統(tǒng)”深度融合，通過質(zhì)控系統(tǒng)一站式實時動態(tài)監(jiān)管，如圖2所示?，F(xiàn)場人員可通過現(xiàn)場問題及質(zhì)控數(shù)據(jù)及時糾正前后場生產(chǎn)參數(shù)，針對后場拌和周期、集料級配、油石比、出場溫度以及前場攤鋪速度、攤鋪溫度、壓實速度、壓實溫度等全程采集，便于進行數(shù)據(jù)分析。傳統(tǒng)人工評價較為局限且僅能作為參考，無法全盤評價，而通過雙系統(tǒng)融合，能夠全過程實時了解施工動態(tài)，精準評價無人施工成效。

2.1 后場生產(chǎn)管控

針對后場拌和周期、集料級配、油石比、出場溫度進行實時監(jiān)控，通過提前預(yù)警與現(xiàn)場工作人員聯(lián)動，及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。采用人工檢測+信息化監(jiān)管手段進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每臺拌和樓安排1名專人跟蹤生產(chǎn)情況。

2.2 前場施工管控

由于全幅攤鋪機溫度散失較快，因此無人碾壓將攤碾間距縮短至2 m，確保初壓快速跟進。通過搭載無人化控制系統(tǒng)，使碾壓更加均勻，大幅減少了相鄰作業(yè)面漏碾、重復(fù)碾壓以及超壓的現(xiàn)象，鋪面壓實效果大幅提升。通過碾壓云圖尋找碾壓薄弱位置，進行路面滲水、構(gòu)造深度及擺值檢測，檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3、圖4可得，傳統(tǒng)碾壓滲水檢測合格率平均為95%，無人化碾壓效果更優(yōu)，合格率達到100%。無人碾壓鋪面效果也更加均勻，但仍需要加強起步、結(jié)束的無人化控制程度。

3 結(jié)語

結(jié)合通啟高速公路路面大修養(yǎng)護工程，對無人攤碾施工關(guān)鍵技術(shù)以及基于質(zhì)控系統(tǒng)的關(guān)鍵管控行為進行了系統(tǒng)的研究與分析，得出相關(guān)結(jié)論如下：

（1）基于國內(nèi)外無人化智能施工相關(guān)研究及實際應(yīng)用，無人攤鋪和碾壓發(fā)展前景廣闊，通過無人攤碾技術(shù)的不斷推廣，使得傳統(tǒng)的集中養(yǎng)護變得更加便捷，由當前的勞動密集型、經(jīng)驗型施工方式變成技術(shù)型、數(shù)據(jù)型作業(yè)模式。

（2）無人攤碾施工技術(shù)的推廣有利于實現(xiàn)集中養(yǎng)護從被動到主動，從粗放到精細，從單元到系統(tǒng)，從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的技術(shù)升級改造。

（3）通過質(zhì)控系統(tǒng)的過程管控發(fā)現(xiàn)了當前無人施工技術(shù)存在的不足，并對無人系統(tǒng)進行了優(yōu)化，針對加強起步和結(jié)束的無人化程度控制，提出了真正適用于養(yǎng)護工程的智能化動態(tài)控制攤壓方案。

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收稿日期：2024-04-02

作者簡介：李春宏（1977—），男，本科，研究方向：路基路面建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)研究和應(yīng)用。