基于微波加熱技術(shù)的快速智能路面裂縫養(yǎng)護裝置

摘 要：本項目研發(fā)了一種瀝青路面裂縫智能養(yǎng)護車以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。通過微波加熱新型瀝青貼縫帶，使瀝青混合料均勻填充到裂縫的表面和內(nèi)部，從而達到修補裂縫的目的。同時養(yǎng)護車兼?zhèn)淞芽p識別與路徑規(guī)劃功能，因此能夠準確、高效地進行養(yǎng)護作業(yè)。

關(guān)鍵詞：微波加熱；養(yǎng)護車；貼縫帶；裂縫識別；路徑規(guī)劃

1 作品介紹

目前，國家高速公路瀝青路面工程發(fā)展已步入“建養(yǎng)并重”的關(guān)鍵階段，養(yǎng)護部門愈發(fā)注重路面的病害處治，小修小補深度養(yǎng)護成為阻止裂縫病害過快發(fā)展的主要手段。路面裂縫會造成道路內(nèi)部凍脹、礦料腐蝕和剝落等局部破壞，是影響道路使用壽命和行車安全的主要問題之一。然而，當前以人工參與為主的傳統(tǒng)養(yǎng)護方式存在施工效率低、自動化程度低、能源消耗大的問題，因此需要更加高效和環(huán)保的養(yǎng)護技術(shù)。

基于此，本項目研發(fā)了一種瀝青路面裂縫智能養(yǎng)護車以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。團隊通過多次試驗與仿真，從眾多材料中篩選出羰基鐵粉和瀝青混合料。在此基礎(chǔ)上，團隊進一步優(yōu)化材料的配比和結(jié)構(gòu)，最終使新型貼縫帶吸波率高達94%。在實際養(yǎng)護作業(yè)中，養(yǎng)護車通過預(yù)壓輪將新型貼縫帶壓實到裂縫上，通過波導(dǎo)管發(fā)射2 450 MHz微波對新型貼縫帶與周圍瀝青路面加熱，使熔化后的瀝青膠漿與路面瀝青達到浸潤效果，均勻填充到裂縫中，從而完成裂縫修補。此外，養(yǎng)護車具備基于A-star算法的路徑規(guī)劃與裂縫識別功能。團隊針對裂縫的特征，對A-star算法的啟發(fā)式函數(shù)進行了創(chuàng)新性改進，使路徑規(guī)劃準確率高達97%，實現(xiàn)了對道路裂縫的精準修補。

2 技術(shù)原理

2.1 瀝青路面裂縫快速修復(fù)材料設(shè)計與修復(fù)工藝

養(yǎng)護車可通過不同的修補方式來修補不同種類的裂縫。當裂縫寬度小于3 mm時，養(yǎng)護車直接加熱瀝青路面使其自愈合，并通過預(yù)壓輪碾壓的物理性推動作用實現(xiàn)對裂縫的修復(fù)。當裂縫寬度大于3 mm時，波導(dǎo)管通過加熱新型貼縫帶與周圍瀝青路面，使瀝青膠漿與路面瀝青達到浸潤效果，完成對裂縫的修復(fù)。工作流程如圖1所示。

對于瀝青路面裂縫快速修復(fù)材料的設(shè)計，即新型貼縫帶，團隊通過查閱資料和材料測試，確定其組成為瀝青、羰基鐵粉與膠黏劑。隨后，運用CST仿真軟件對貼縫帶的吸波性能進行模擬測試，并針對由羰基鐵粉和瀝青分層疊加制成的貼縫帶進行微波加熱仿真實驗，最終選取部分樣品進行實際測試。貼縫帶尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，在2 450 MHz頻率下，羰基鐵粉的介電常數(shù)實部為37.868 9，虛部為17.156；瀝青的介電常數(shù)實部為2.5，虛部為0.002 5。通過分析測試結(jié)果和查閱資料發(fā)現(xiàn)，由于羰基鐵粉介電常數(shù)的虛部較大，能夠更好地將微波能量轉(zhuǎn)化為熱能，但由于介電常數(shù)過大，導(dǎo)致阻抗失配，致使絕大多數(shù)微波接觸到材料表面時被直接反射到自由空間，因此將貼縫帶的內(nèi)部填充物換為羰基鐵粉與瀝青的混合物。

由于每條道路裂縫的寬度與深度不同，若用同一功率加熱貼縫帶修補裂縫可能導(dǎo)致因加熱功率過大而消耗過多能源或因加熱功率較小導(dǎo)致修補效果不佳。波導(dǎo)管作為養(yǎng)護車發(fā)射微波的裝置，其與微波功率動態(tài)調(diào)控器結(jié)合來解決此問題。團隊推導(dǎo)出養(yǎng)護車行駛的速度和波導(dǎo)管加熱功率之間的關(guān)系式，針對裂縫的寬度與深度，通過微波功率動態(tài)調(diào)控器根據(jù)養(yǎng)護車行駛的速度來自動調(diào)整波導(dǎo)管功率，以達到按需加熱、節(jié)約能源的目的。

2.2 多尺度裂縫智能識別系統(tǒng)路徑規(guī)劃

團隊開發(fā)出一套多尺度裂縫智能識別系統(tǒng)，其工作流程如下：用戶首先載入ROS數(shù)據(jù)包并獲取點云地圖；隨后，系統(tǒng)對點云地圖進行地面提取，并計算地面不平度；最終，通過數(shù)據(jù)可視化界面向用戶展示裂縫信息，并提供數(shù)據(jù)保存功能。多尺度裂縫智能識別系統(tǒng)如圖2所示。

養(yǎng)護車通過視覺傳感器對道路裂縫進行掃描，提取出裂縫的形狀、長度、寬度、深度等特征，并將信息上傳至控制端，養(yǎng)護車根據(jù)裂縫信息進行自主路徑規(guī)劃。面對錯綜復(fù)雜的高速公路裂縫追蹤任務(wù)，團隊選擇A-star算法，相較于Dijkstra算法盲目地遍歷所有可能路徑，該算法通過設(shè)計的啟發(fā)式函數(shù)，能夠有效引導(dǎo)搜索過程，縮小了搜索空間，從而更快找到最優(yōu)路徑。此算法解決了養(yǎng)護車行駛狀態(tài)生硬的問題，路徑規(guī)劃的準確率高達97%。

2.3 養(yǎng)護車構(gòu)成與小型化設(shè)計

該養(yǎng)護車集快速、智能、安全、節(jié)約等優(yōu)勢于一體，其外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該新型路面裂縫養(yǎng)護裝置主要包括預(yù)壓輪、波導(dǎo)管、微波動態(tài)調(diào)控器、視覺傳感器、永磁調(diào)速器等。其中，預(yù)壓輪負責壓實貼縫帶與周圍的瀝青路面；波導(dǎo)管功率為3 000 W，發(fā)射2 450 MHz微波對貼縫帶進行加熱并使其熔化以達到修補裂縫的效果；微波動態(tài)調(diào)控器與車載速度傳感器相結(jié)合，根據(jù)裝置行駛速度來調(diào)控波導(dǎo)管發(fā)射微波的功率；視覺傳感器用于識別路面裂縫并通過主控板將裂縫信息上傳至裂縫識別平臺，通過分析裂縫的形狀、大小、深度等特征提出裂縫修補方案；永磁調(diào)速器與車載速度傳感器結(jié)合，將線速度信號轉(zhuǎn)化成角速度，通過不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速將貼縫帶與隔離帶的受力控制在合理區(qū)間，以保證裝置平穩(wěn)運行。

養(yǎng)護車長1.5 m，寬1 m，高1.3 m，通過充分利用內(nèi)部空間，實現(xiàn)了小型化設(shè)計。

3 創(chuàng)新點

（1）裂縫修補材料新。團隊創(chuàng)新性地設(shè)計出以羰基鐵粉和瀝青制成的新型貼縫帶，并使其能夠通過微波加熱熔化來修補裂縫，突破了原有貼縫帶手撕腳踩修補裂縫的局限。同時，此貼縫帶具有高吸波特性，可以使養(yǎng)護車修補裂縫的速度達到2 000～3 000 m/h，相較于現(xiàn)有的道路養(yǎng)護車修補速度提高約30%。此外，此新型貼縫帶充分利用了鐵尾礦等固廢材料，實現(xiàn)了綠色環(huán)保的目標。

（2）裂縫修補方式新。目前，道路裂縫修補主要采用灌縫和貼縫兩種方式，其中灌縫又分為開槽灌縫和直接灌縫，但這些方法會破壞路面結(jié)構(gòu)。本項目采用微波加熱作為裂縫修補的核心工藝，相比傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)，具有修補速度快、質(zhì)量高、使用壽命長的優(yōu)勢。此外，結(jié)合波導(dǎo)管與微波功率動態(tài)調(diào)控技術(shù)，進一步提升了該修補方式的創(chuàng)新性。通過建立養(yǎng)護車行駛速度與加熱功率的調(diào)控關(guān)系，系統(tǒng)可根據(jù)裂縫尺寸實時調(diào)整微波輸出功率，有效解決了道路養(yǎng)護領(lǐng)域能耗過高的問題。