瀝青路面智能壓實與智能攤鋪技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘要 文章針對國內(nèi)外智能壓實與智能攤鋪技術的研究現(xiàn)狀，分析了其優(yōu)缺點，介紹了智能壓實與智能攤鋪技術的不同方法以及對智能路面技術的未來展望，與傳統(tǒng)瀝青路面的控制方法相比，3D智能攤鋪技術依托Topcon-mmGPS數(shù)字化攤鋪自動控制系統(tǒng)，主要包括測量系統(tǒng)和攤鋪自動控制系統(tǒng)；智能壓實技術（IC）是一種可以實時控制壓實質量（CQ）的有效新技術，其配備了全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、加速度計測量系統(tǒng)以及可以實時監(jiān)測和控制壓實的車載彩色顯示器。

關鍵詞 智能壓實（IC）；智能攤鋪；壓實質量（CQ）；智能壓實指標（ICMV）；壓實參數(shù)

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0186-03

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，我國的交通運輸建設更趨于智能化，正在向交通強國的目標大步邁進。路面是交通運輸中最重要的基礎之一，智能路面系統(tǒng)的提出更好地響應了我國當前關于綠色發(fā)展和傳統(tǒng)路面安全的問題[1]，是目前的一個主流研究方向。其中，關于智能壓實技術和智能攤鋪技術的發(fā)展已見成效，并在實際工程中得到運用和驗證，該文將從這兩方面出發(fā)，對比傳統(tǒng)瀝青路面的控制方法，簡述智能壓實和攤鋪技術的優(yōu)缺點，并對智能路面技術的未來發(fā)展進行展望。

1 智能壓實技術

壓實是道路建設施工中最重要的環(huán)節(jié)之一，壓實的質量直接影響材料的性能發(fā)揮，進而影響瀝青路面的穩(wěn)定性、強度和抗疲勞性。傳統(tǒng)壓實機及其質量控制程序可能出現(xiàn)壓實過程中材料密度的不均勻，且壓實后期進行的壓實質量評估只限于手動檢測一定數(shù)量的點，而使用的采樣方法對路面具有破壞性，影響路面的后期使用性能[2]，這是傳統(tǒng)壓實方法導致路面壽命低的主要原因之一。而智能壓實技術（IC）可以通過實時調整壓實過程，識別質量不良的點，有效克服傳統(tǒng)壓實存在的部分不足。

1.1 智能壓實技術的歷史

智能壓實技術最早由瑞典的Heinz Thumer于1974年開始研究，并將IC技術概念運用于土壤的壓實特性研究。1975年其提出了智能壓實指標（ICMV），并在Geodynamik研究中首次引入了該指標。壓實指標使用諧波比，即振動輪動態(tài)響應信號分解得到的一次諧波與基波的比值[3]，并將其作為幾項研究的主要剛度值參數(shù)。1980年后，各個廠商開始基于不同的測試參數(shù)開發(fā)自己的CMVs。2000年，Swanson等人申請了名為“壓實材料密度測量和壓實跟蹤系統(tǒng)”的專利，該專利引入了全球定位系統(tǒng)（GPS）以測量熱混合瀝青（HMA）的壓實密度，為現(xiàn)代智能壓實技術提供了基礎概念[4]。隨后，眾多國家加入智能壓實技術的研究中，其中美國在該方面的技術最為成熟，并形成了較為系統(tǒng)的智能壓實體系[1]。

智能壓實技術在路面智能化施工方面有著良好的發(fā)展前景，目前已取得一定的研究成果。

2014年，Leyland等[5]對南非的試驗路段使用了不同的智能壓實方法，推動了南非傳統(tǒng)路面的升級，并分析了在不同環(huán)境下使用智能壓實的優(yōu)缺點，研究發(fā)現(xiàn)智能壓實技術在薄層或硬層上使用時缺乏敏感性。

2016年，Barman等利用美國俄克拉荷馬大學Beainy等[6]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的瀝青路面壓實度的質量控制方法設計了智能瀝青壓實分析儀（ICA），提出了一種系統(tǒng)的實時監(jiān)測路基壓實水平過程的方法。該研究發(fā)現(xiàn)，智能壓實分析儀可以實時評估路基模量，以適應施工過程中質量控制測量的精度。盡管該研究結果的應用前景廣闊，但由于目前測試主要集中在穩(wěn)定的水泥路基上，未來仍需針對不同的路基類型和不同環(huán)境進行測試，以充分驗證該技術的可行性。

2018年，Yoon等[7]研究了智能壓實技術在熱混合瀝青路面質量控制（QC）和質量保證（QA）中的適用性，并在美國印第安納州進行了問卷調查和電話訪談。他們提出了用智能壓實指標替代原位密度測量的可能性，對提高路面使用性能和延長路面使用壽命具有積極意義。但目前仍缺乏可靠證據(jù)證明用ICMV代替原位密度測量的可能性，因此尚無法證明智能壓實指標在熱混合瀝青路面的應用中的合理性，后續(xù)應進一步研究ICMV與HMA的相關性，以推動智能壓實技術的發(fā)展。

Chang等[8]提出了結合智能壓實和攤鋪機安裝的熱分析技術（PMTP），以改善瀝青路面的施工質量。該技術利用PMTP實時監(jiān)測施工過程中瀝青路面的表面溫度、攤鋪機速度、攤鋪機停止時間和停止持續(xù)時間，再利用IC技術進行實時調整，從而監(jiān)控整個攤鋪的壓實過程。

2021年，Chen等人提出了采用軋制均勻性指數(shù)（RUI）和軋制標準指數(shù)（RSI）控制壓實質量，并通過原位測量的壓實度和平整度評估該指標的適用性。此外，還提出了一種繪制軋制彩色地圖（RCM）的方法，用于降低智能壓實的數(shù)據(jù)處理量。該研究探索的RCM方法在實際工程施工中促進了智能壓實的發(fā)展，提出的兩個IC指標使IC技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測方法成為可能。

Fathi等人提出了一種新方法，利用智能壓實技術提取土壤和未結合骨料基礎材料的模量進行質量管理，該方法利用機械學習、IC技術以及基于模量的現(xiàn)場測試作為校準過程，以評估壓實材料的力學性質。該研究將人工智能技術和傳統(tǒng)機械方法結合，將IC定位為一種適合壓實材料質量管理的技術。

Fang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)響應是智能壓實技術的基礎，但由于當前的研究尚未發(fā)現(xiàn)其變化模式和機制，利用有限元模型分析了其發(fā)展機制以及對壓實指標的影響。

1.2 前智能壓系統(tǒng)的優(yōu)點及問題

1.2.1 優(yōu)點

通過智能壓實技術，駕駛員可以在駕駛室直接觀測作業(yè)中的路面壓實情況，實現(xiàn)操作可視化，從而降低駕駛過程中人為操作產(chǎn)生的過壓或漏壓風險[10]。智能壓實技術能夠實時記錄壓實數(shù)據(jù)，并在壓實過程中對薄弱地區(qū)實施檢驗，使監(jiān)測結果更具針對性，能夠更全面地反映路面的壓實情況。

智能壓實可以實時監(jiān)控整個壓實過程，記錄整個施工過程的數(shù)據(jù)和時間[11]，便于后期的養(yǎng)護維修工作，更快速準確地找到薄弱位置，降低養(yǎng)護成本。此外，由于數(shù)據(jù)的公開透明性，減少了人為造假或操作不當?shù)娘L險。

1.2.2 問題

然而，智能壓實技術引入了GPS定位技術用于收集壓實過程的位移變化，這將涉及GPS定位基站的部署，大大增加了智能壓實技術的普及成本。由于IC技術對定位精度有較高要求，當在GPS信號弱的山區(qū)或其他區(qū)域時，IC技術的使用將受到限制[12]，需進一步研究以尋求突破。

目前用于IC技術的壓路機尚未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共享，導致其應用受限，無法實現(xiàn)隨意調配，從而降低了壓實設備的綜合利用率，同時增加了數(shù)據(jù)集中處理的復雜性。未來可著手開發(fā)基于存儲IC技術數(shù)據(jù)的云端解決方案，將實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到云端，提升調配效率，減少數(shù)據(jù)整合的工作量。

2 3D智能攤鋪技術

瀝青攤鋪技術是道路施工中的核心技術之一，目前通常使用攤鋪機進行施工[13-14]。傳統(tǒng)的公路工程攤鋪控制工作主要采用聲吶追蹤器或滑雪傳感器，通過應用此類裝置，以達到引導攤鋪施工的效果。然而，傳統(tǒng)的攤鋪工藝存在一定的局限性：（1）施工前準備工作煩瑣，綜合效益較低。（2）施工精度受人工技術和施工機械影響較大。（3）施工環(huán)境惡劣，攤鋪施工現(xiàn)場的瀝青煙氣對人體有害，年輕人不愿意駕駛這些設備，導致人工成本越來越高[15]。（4）需要施工人員全天候監(jiān)控，浪費人力資源。

2.1 3D智能攤鋪技術原理

3D 智能攤鋪技術依托于Topcon-mmGPS數(shù)字化攤鋪自動控制系統(tǒng)，主要包括測量系統(tǒng)和攤鋪自動控制系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）基站、激光發(fā)射器和mmGPS流動站等三部分組成。攤鋪自動控制系統(tǒng)主要包括機載GNSS/激光接收器、GNSS接收機和控制器。

測量系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和作業(yè)精度將顯著影響攤鋪質量，這一系統(tǒng)功能的實現(xiàn)得益于GNSS基準站、激光發(fā)射器和mmGPS流動站的共同配合。各部分裝置形成協(xié)同工作機制，保證信息的有序流暢[16]。

2.2 3D智能攤鋪技術的發(fā)展及其應用優(yōu)勢

針對3D智能攤鋪系統(tǒng)進行原理分析及工程應用研究，發(fā)現(xiàn)3D智能攤鋪無需放樁及架設基準線，施工靈活、高效，可實現(xiàn)自動變坡度施工。通過實際工程應用表明，該系統(tǒng)對平整度、厚度及線形的控制均達到了規(guī)范標準且精度較高。盡管在起步階段和邊坡區(qū)域，系統(tǒng)的平整度和厚度波動相對較大，但仍在規(guī)范限值內(nèi)。

黃立明[17]結合調研資料、現(xiàn)場試驗和理論分析，建立了一種基于公路工程3D數(shù)字化自動攤鋪控制技術的新質量評價模式（包括路面高差等值線及基層面色標評價法），為現(xiàn)場施工人員實時掌握和改善施工質量提供了新方法。其提出的3D攤鋪數(shù)字化自動攤鋪施工工藝流程，為使用3D攤鋪數(shù)字化自動攤鋪提供了參考依據(jù)。

徐志勇等[18]運用3D智能攤鋪系統(tǒng)在底基層和基層施工中發(fā)現(xiàn)，在高程精度控制方面，3D智能攤鋪工藝在底基層路基的高程偏差為-0.02～0.02 m，修復比例提高了51%，而使用傳統(tǒng)工藝僅提高13%和41%，因此，3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝而言，高程的精度控制更佳，并在提升平整度上也表現(xiàn)得更為明顯和穩(wěn)定。

結合各專家分析實踐，3D智能攤鋪技術的應用優(yōu)勢可總結為：（1）提高數(shù)字化施工水平。（2）工作流程精簡。（3）全過程控制。（4）對人員需求量少。同時，從工程實踐來看，3D智能攤鋪系統(tǒng)的運行穩(wěn)定可靠，施工效果滿足要求，在確保施工安全和質量的前提下，有效減少了成本投入，提高了經(jīng)濟效益[19]。

3 我國智能壓實與智能攤鋪技術的發(fā)展與展望

為推動美國IC技術發(fā)展，美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）交通聯(lián)合基金于2007年發(fā)布了一項名為“路堤路基土壤、骨料基層和瀝青路面材料智能壓實技術的實施”的戰(zhàn)略計劃，該計劃有12個州積極參與，并發(fā)布了IC技術應用規(guī)范，隨后歐洲和日本也陸續(xù)制定了詳細的IC技術標準。這些標準的實施顯著提升了公路、鐵路等民生工程的建設質量。然而，我國智能壓實技術同國外同行業(yè)之間存在較大差距，且至今尚未建立智能壓實系統(tǒng)的技術標準，為促進國內(nèi)IC技術的發(fā)展并縮小與國際的差距，開展國內(nèi)瀝青路面智能壓實技術標準的研究顯得尤為迫切。

智能壓實和智能攤鋪技術僅是智能路面技術的一部分，除了發(fā)展智能壓實技術并解決其存在的缺陷外，還需與其他智能路面技術配套協(xié)調發(fā)展，增強交互性。這涉及多學科的交叉問題，需要多個領域的科研人才共同合作才能完成，應充分發(fā)揮我國科研人員的人數(shù)優(yōu)勢，借助智能化手段提升未來工程的建設質量。

4 結語

針對我國目前的研究現(xiàn)狀，路面智能化發(fā)展能夠提高施工的精度和速度，減少人力資源浪費。但是，智能設備的運用仍處于不斷發(fā)展變化中，需要不斷地研究和更新設備，以期能夠更好地幫助了解路面的相關性能發(fā)展，推動我國交通運輸設施建設，早日達成交通強國戰(zhàn)略目標。

參考文獻

[1]" LINBING W，王含笑，趙千，等. 智能路面發(fā)展與展望[J]. 中國公路學報，2019（4）： 50-72.

[2]" XU Q， CHANG G K. Adaptive Quality and Acceptance of Pavement Material Density for Intelligent Road Construction [J] . Automation in Construction， 2016，62：78-88.

[3]" CUI Hao. Based on Intelligent Compaction Technology of Filling Roadbed Compaction Degree Test Research [D]. Baoding： Hebei University，2017.

[4] MINCHIN R E， THOMAS H R. Validation of Vibration-Based Onboard Asphalt Density Measuring System[J/OL]. Journal of Construction Engineering and Management， 2003（1）： 1-7.

[5]" LEYLAND R. A Case Study of Intelligent Compaction Used in Road Upgrades [J]. Engineering Geology for Society and Territory， 2014， 7：201-206.

[6]" BEAINY F， COMMURI S， ZAMAN M. Asphalt Compaction Quality Control Using Artificial Neural Network [A]. Conference on Decision and Control （CDC） [C].New York： IEEE， 2010： 4643-4648.

[7]" YOON S， HASTAK M， LEE J. Suitability of Intelligent Compaction for Asphalt Pavement Quality Control and Quality Assurance [J]. Journal of Construction Engineering and Management， 2018（4）：263-268.

[8]" CHANG G K， MOHANRAJ K， STONE W A， etal. Leveraging Intelligent Conpaction and Thermal Profiling Technologies to Improve Asphalt Pavement Construction Quality： A Case Study [J]. Transportion research Record， 2018（2672）： 48-56.

[9]" FANG Z， ZHU Y， MA T， etal. Dynamical response to vibration roller compaction and its application in intelligent compaction[J/OL]. Automation in Construction， 2022， 142： 104473.

[10] 魏連雨，張學金，曹東偉，等.關于公路工程施工智能化壓實技術的文獻綜述[J].公路交通科技（應用技術版），2015（9）： 57-60.

[11] 黃聲享，曾懷恩．GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)及其在碾壓施工中的應用[J]．測繪工程，2016（3）：23-25+32.

[12] 杜文雅．智能壓實中的GPS測距技術研究[D].太原：太原科技大學，2014．

[13] 張飛，張杰勝.現(xiàn)代測量技術在瀝青高精度攤鋪智能控制中的應用[J].安徽建筑，2016（2）： 100-102+115.

[14] 傅小榮.市政工程城市道路施工技術研究[J].中華民居，2012（11）：302-303.

[15]" 王琳琳. 智能施工，引領未來——三一重工無人駕駛智能攤鋪機重磅亮相[J/OL]. 中國公路， 2019（24）： 50-5.

[16] 袁昌， 朱長根， 楊偉華， 等. 瀝青路面3D智能攤鋪技術應用研究[J]. 市政技術，2019（4）：34-37.

[17] 黃立明．基于3Ｄ數(shù)字化自動攤鋪控制系統(tǒng)的瀝青混凝土路面應用研究[J].江西建材，2020（8）：116-117+119.

[18] 徐志勇，張宗兵，陳剛，等.3D攤鋪系統(tǒng)在底基層和基層施工中的應用研究[J].公路交通技術，2022（1）：37-42.

[19] 羅健勇.公路工程瀝青路面3D攤鋪技術在標準化施工中的應用[J].中國標準化，2021（12）：121-123.