瀝青路面無人化施工技術研究

摘要 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的路面施工方式正在面臨深刻的變革，研發(fā)無人化施工方式是現(xiàn)代化施工發(fā)展方向。該文闡述了無人化施工的關鍵技術和實現(xiàn)路徑。通過感知模塊、決策模塊和執(zhí)行模塊，實現(xiàn)無人化施工裝備的自主控制；通過施工大數(shù)據(jù)分析，完善攤鋪機、壓路機智能控制系統(tǒng)；通過研發(fā)壓路機與攤鋪機自動駕駛技術、多傳感融合軌跡跟蹤技術、無人化集群施工工藝策略算法、溫度場離析檢測技術、隧道高精度定位導航技術以及障礙檢測技術，實現(xiàn)瀝青面層的無人化施工，保證施工質(zhì)量和安全。

關鍵詞 瀝青路面；無人施工；集群裝備；路徑規(guī)劃

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0109-03

0 引言

道路建設工程中，前場施工、后臺管理、質(zhì)量監(jiān)督缺乏統(tǒng)一調(diào)度和信息互通，沒有形成高效的閉環(huán)施工體系，難以保證施工質(zhì)量和施工進度，無法進行實時反饋和評價。在惡劣工況下，勞動者長時間的勞累、流動使管理者難以及時培訓，很難有效地按照既定工藝作業(yè)，造成工程機械的快速損耗和資源浪費。在傳統(tǒng)道路工程建設養(yǎng)護中，一般通過增大管理成本的投入來解決上述問題，但隨著自動化駕駛技術、北斗導航、智能傳感等新一代信息化技術應用于交通建設及養(yǎng)護領域，正在逐步實現(xiàn)瀝青面層施工現(xiàn)場智能化、無人化，而瀝青面層無人化施工組織方式不同于傳統(tǒng)的瀝青面層施工。目前還缺乏瀝青面層無人化集群施工組織標準化方面的研究與指導性文件，需要通過技術積累及應用示范不斷完善，進一步推動瀝青面層無人化集群施工技術的推廣應用。綜上所述，瀝青路面無人化施工技術可以有效促進交通產(chǎn)業(yè)升級，提升道路施工裝備的智能化水平，具有十分重要的研究價值和廣闊的市場前景。

1 無人化施工集群裝備

無人化施工集群通過共享信息實現(xiàn)共同的目標，是一個典型的集群智能系統(tǒng)。集群并非單個無人施工設備的簡單集合，其功能也并非多個設備的線性組合，而是一個基于復雜決策控制系統(tǒng)，可以適應動態(tài)環(huán)境并精確高效執(zhí)行任務。

1.1 施工裝備技術

瀝青攤鋪裝備的無人化，主要的一個環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)裝備的自主控制，而要想實現(xiàn)自主控制，需要實現(xiàn)三個模塊的功能：首先是“感知”模塊，主要包括裝備的位置、所處的環(huán)境以及裝備的狀態(tài)，分別通過搭載定位裝置（北斗衛(wèi)星系統(tǒng)）、環(huán)境感知裝置（激光測距雷達、攝像頭等）以及從裝備的總線中獲取裝備自身信息（運行速度、方向等）；其次是“決策”模塊，無人裝備會結(jié)合環(huán)境信息以及分配到設備的任務情況進行自主決策，選擇最優(yōu)的方案來執(zhí)行任務；最后是“執(zhí)行”模塊，無人化裝備可以通過電控方向盤、鉸接傳感器等設備接入無人化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制指令對車輛動作的直接控制，車輛獲取到目標路徑后，會自主計算合適的車速與轉(zhuǎn)角，駛?cè)肽繕寺窂健＝Y(jié)合上述三個模塊，最終實現(xiàn)無人化瀝青施工裝備的自主控制[1，2]。

1.2 施工方案

針對典型瀝青路面施工環(huán)境，通過施工大數(shù)據(jù)分析，研究施工工藝參數(shù)變化對施工質(zhì)量的影響規(guī)律，建立施工工藝數(shù)據(jù)庫；結(jié)合知識推理和遺傳算法等，研究施工工藝參數(shù)的在線智能優(yōu)化方法，進而研究完善攤鋪機、壓路機智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)施工參數(shù)的自動調(diào)節(jié)與自主控制。

2 無人化施工技術

2.1 壓路機與攤鋪機自動駕駛技術

施工中搭載北斗高精度定位導航系統(tǒng)的壓路機，可實時獲取自身經(jīng)緯度信息，并轉(zhuǎn)化到施工區(qū)域的笛卡爾坐標系內(nèi)，根據(jù)目標路徑的特點自主決策行駛方式，結(jié)合激光雷達對施工現(xiàn)場的立體建模，能夠識別不同的道路邊緣，實現(xiàn)不同的貼邊方式壓實[3，4]。壓路機還具有速度斜坡啟停（軟啟軟停）、提前停振等功能，減少對路面的破壞，提升壓實質(zhì)量[5]。

2.2 多傳感融合軌跡跟蹤技術

通過將壓路機鉸接機構(gòu)進行幾何抽象，建立數(shù)學模型，獲得狀態(tài)空間描述，對非線性系統(tǒng)進行線性化處理，并結(jié)合卡爾曼濾波融合算法[4]，獲得精準的車輛軌跡數(shù)據(jù)的預測。通過該項技術，即使在定位導航信號質(zhì)量欠佳或者被干擾的情況下，依舊可以獲得相對精確的坐標。

2.3 無人化集群施工工藝策略算法

通過梳理傳統(tǒng)施工工藝的底層邏輯，結(jié)合無人化施工的現(xiàn)場經(jīng)驗，形成了一套適用于無人化集群施工的工藝策略。對于瀝青層施工，根據(jù)虛鋪厚度、路寬、級配粒徑、瀝青種類等關鍵工藝參數(shù)對策略進行了細分，還可以根據(jù)天氣、濕度、風速選擇“快速跟進”的策略以適應低溫和大風的特殊工況。在施工過程中，集群規(guī)劃算法可以統(tǒng)籌全局，智能地調(diào)節(jié)攤鋪機、壓路機的施工速度，在質(zhì)量和效率中尋求最優(yōu)解，真正實現(xiàn)“集群”式的多機聯(lián)合無人化作業(yè)，如圖1所示。

2.4 溫度場離析檢測技術

采用無人機搭載熱成像攝像頭，在施工過程中懸停或?qū)崟r跟蹤壓實區(qū)域，回傳壓實區(qū)域的溫度場圖像，既可以用于現(xiàn)場工藝人員分析評估，也可以傳入集群規(guī)劃算法模塊，來調(diào)整無人化集群的工作區(qū)域和速度，保證壓實的溫度區(qū)間，如圖2所示。

2.5 隧道高精度定位導航技術

隧道內(nèi)、橋梁下等施工場景無法獲得準確的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，也無法進行通信，很多設備在隧道內(nèi)無法使用，一直是一個技術難題。通過自主研發(fā)的高精度定位技術實現(xiàn)橋梁下和隧道內(nèi)的無人施工，通過無線脈沖進行測距實現(xiàn)施工車輛實時高精度位置獲取，并通過多基站跳轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)銜接定位技術，硬件定制化開發(fā)增加抗干擾算法增強系統(tǒng)的可靠性，并且采用無源低功耗技術實現(xiàn)長時間不間斷施工。

2.6 障礙檢測技術

無人化壓路機標配三級檢測系統(tǒng)，分別是遠程遙控啟停、毫米波雷達、防撞架。防撞架不僅可以讓車輛抱死剎停，還可以防止人員被卷入車底；毫米波雷達能夠根據(jù)障礙物距離逐漸減速并剎車；現(xiàn)場安全員也可以通過遙控的手段控制集群的啟停以處理突發(fā)狀況，這三級安全保障逐級觸發(fā)相互配合，在不影響施工效率的同時做到絕對安全。同時，進入施工現(xiàn)場作業(yè)的人員還必須佩戴預警手環(huán)，來提醒人員注意車輛，遠離危險。

3 工程案例

3.1 工程概況

蘇州市S407省道養(yǎng)護工程，采用徐工數(shù)字化智能無人集群進行面層施工，包括無人攤鋪、無人壓路機集群碾壓等技術的應用[6-9]。在S407常熟段K0+000～K8+820段（即G204路口～楊凌路路口段）上下行路段開展瀝青路面面層無人機群施工技術應用。路基寬度34.0 m，雙向六車道，機動車道單車道寬度3.75 m，半幅機動車道瀝青路面寬度12.25 m。瀝青面層混合料類型為SMA-10，工程量為4 500 m3。

3.2 攤鋪碾壓方案

（1）攤鋪方案

SMA-10采用1臺RP805、1臺RP1005T進行12 m/8 m的雙機并鋪，攤鋪機之間重合10 cm左右，夯錘等級為450 r/min。攤鋪機的作業(yè)速度選擇，主要考慮的因素是工期要求、質(zhì)量要求、與之配套的拌和機生產(chǎn)能力、壓路機生產(chǎn)能力、氣候特點、攤鋪層次和混合料的類型。瀝青攤鋪時的溫度不得低于165℃（汽車上的混合料溫度在卸料前測量），施工時攤鋪機行進速度定為3 m/min，并且要做到緩慢、均勻、不間斷地攤鋪，為防止在攤鋪過程中運輸車輛撞擊攤鋪機，有專人指揮倒車，在距攤鋪機前10～30 cm停住，開始卸料，卸料過程中車輛掛空擋，靠攤鋪機推動前進。

（2）碾壓方案

SMA-10瀝青上面層的施工，采用2+2+1的碾壓方案，如表1所示。初壓采用2臺XD133S壓路機前靜后振各碾壓2遍，碾壓速度4.5 km/h，搭接處兩臺壓路機錯輪1/2輪。復壓采用2臺XD133S壓路機，前振后振各碾壓2遍，碾壓速度4.5 km/h，搭接處兩臺壓路機錯輪1/2輪。終壓采用1臺徐工XD133S雙鋼輪壓路機全幅靜壓2遍。

如圖3所示，瀝青上面層壓實依據(jù)緊跟、慢壓的原則，方案中5臺雙鋼輪壓路機按照前2中2后1的布局同進同退進行碾壓，每臺鋼輪壓路機跟在前一個壓路機之后同進同退，壓路機之間存在重疊區(qū)域，可以保證前后兩個梯隊及時消除對方的停車輪跡，極大地提升了施工的平整度。終壓由人工駕駛完成收面工作。

3.3 施工安全方案

無人施工系統(tǒng)本身具備三級安全防護。第一級所有進入施工區(qū)域的施工人員應穿戴智能手環(huán)，每臺壓路機周圍設有電子圍欄，當人員進入圍欄5 m范圍區(qū)域內(nèi)，手環(huán)振動報警，當進入電子圍欄2 m范圍內(nèi)的車輛緊急制動；第二級壓路機上安裝有多傳感融合雷達，可以自動檢測車輛行駛方向上的障礙物或者人員，做到5 m減速，2 m制動；第三級壓路機機身外側(cè)設置有緊急制動按鈕，可以在突然情況下快速制動車輛，確保施工過程中的絕對安全。

施工期間，前后場應堅持安全日教育制度，每天上班前前后場負責人應對下屬職工進行必要的安全提示，加強教育，增強全體人員的安全生產(chǎn)意識。加強安全生產(chǎn)臺賬記錄工作，項目部不定期組織安全檢查，巡視該標段的安全隱患，對發(fā)現(xiàn)的問題要及時提出并要求相關人員立即整改到位。對未整改到位的項目部將根據(jù)安全生產(chǎn)考核辦法作出嚴肅處理，將安全事故發(fā)生概率降到最低，做好標段的安全生產(chǎn)管理工作。

4 結(jié)論

（1）通過感知模塊、決策模塊和執(zhí)行模塊，實現(xiàn)了無人化施工裝備的自主控制。針對典型瀝青路面施工環(huán)境，通過施工大數(shù)據(jù)分析，研究施工工藝參數(shù)變化對施工質(zhì)量的影響規(guī)律，完善了攤鋪機、壓路機智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工參數(shù)的自動調(diào)節(jié)與自主控制。

（2）通過研發(fā)壓路機與攤鋪機自動駕駛技術、多傳感融合軌跡跟蹤技術、無人化集群施工工藝策略算法、溫度場離析檢測技術、隧道高精度定位導航技術以及障礙檢測技術，實現(xiàn)了瀝青面層的無人化施工，保證了施工質(zhì)量和安全。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-24

作者簡介：王偉偉（1994—），男，碩士，工程師，研究方向：公路工程養(yǎng)護管理。

基金項目：江蘇省交通運輸科技項目“瀝青路面無人施工集群裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（2022Z02）。