公路項(xiàng)目智能化路基施工分層碾壓的算法研究

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6903(2025)05-0011-03

0 引言

當(dāng)前公路工程智能化技術(shù)體系已臻成熟，其應(yīng)用范疇從設(shè)計(jì)階段延伸至施工核心環(huán)節(jié)。在路基工程實(shí)施過程中，智能壓實(shí)控制系統(tǒng)作為典型技術(shù)載體，通過集成智能分層、壓實(shí)厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)調(diào)整、碾壓軌跡精準(zhǔn)管控等功能模塊，構(gòu)建起覆蓋施工全流程的數(shù)字化管理體系。

其中，碾壓工藝的算法優(yōu)化與過程控制是保障系統(tǒng)效能充分發(fā)揮的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，既需實(shí)現(xiàn)壓實(shí)參數(shù)的智能匹配，更要確保機(jī)械作業(yè)路徑的精準(zhǔn)執(zhí)行。鑒于此，行業(yè)已全面啟動(dòng)路基分層碾壓算法的專項(xiàng)攻關(guān)，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型與施工參數(shù)的映射關(guān)系，形成可復(fù)制推廣的智能施工解決方案。此類基礎(chǔ)性研究不僅將推動(dòng)路基施工工藝的迭代升級，更為公路工程智能化轉(zhuǎn)型提供核心算法支撐，對構(gòu)建新一代數(shù)字化建造體系具有戰(zhàn)略意義。

1公路項(xiàng)目智能化路基施工分層碾壓中算法的應(yīng)用

分層碾壓算法在現(xiàn)代分層施工中應(yīng)用非常重要，是智能化分層施工應(yīng)用的關(guān)鍵措施。傳統(tǒng)公路路基施工壓實(shí)施工需要依靠人工完成區(qū)域劃分，此方式過于依賴人工經(jīng)驗(yàn)，容易導(dǎo)致監(jiān)控碾軋過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，最終造成碾壓分層錯(cuò)位等問題。而碾壓施工參數(shù)無法得到精細(xì)化管理和應(yīng)用，最終將會影響路基施工質(zhì)量。

近年來，現(xiàn)代公路路基碾壓施工中開始應(yīng)用新型碾壓層位施工機(jī)械和自動(dòng)化辨識管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)建基于C/S結(jié)構(gòu)的智能化施工監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)能夠完成碾壓分層施工。在該系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，以智能化技術(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建分層碾壓施工算法，從而保證分層碾壓施工高效開展。在分層碾壓施工實(shí)施的過程中，設(shè)計(jì)自動(dòng)分層以及相關(guān)辨識處理流程，從而確保辨識算法流程設(shè)計(jì)應(yīng)用更加科學(xué)合理。該系統(tǒng)的分層碾壓算法有以下4個(gè)應(yīng)用要點(diǎn)。

第一，算法應(yīng)用時(shí)需獲取及其定位數(shù)據(jù)。定位后將壓路機(jī)當(dāng)前位置設(shè)置為 R₁ ，將機(jī)械上一位置設(shè)置為R_1-1 ，獲取數(shù)據(jù)后將兩點(diǎn)連接，繼而構(gòu)建壓路機(jī)碾壓過的區(qū)域，將壓路機(jī)壓過區(qū)域設(shè)置為 P₁ 點(diǎn)。算法將壓路機(jī)路徑創(chuàng)建為幾何圖形處理區(qū)，確定區(qū)域后，將控制點(diǎn)和碾壓區(qū)域重合，隨后對碾壓區(qū)域的壓路機(jī)高程進(jìn)行計(jì)算，將高程記錄為 H_PI^[1] 。

第二，算法應(yīng)用時(shí)可控制耐壓區(qū)域控制點(diǎn)的碾壓遍數(shù)，將其控制為 N_Pi ，還需要控制區(qū)域內(nèi)的路基結(jié)構(gòu)碾壓變數(shù) N_s ，在計(jì)算之時(shí)如果是 N_Pi?N_s 情況，則可按照正常流程進(jìn)行計(jì)算，如果是 N_Pis 的情況，則需要按照 N_Pi+1 算法流程完成各項(xiàng)工作。

第三，分析中對碾壓層設(shè)計(jì)厚度Hr和處理差值Hy、振動(dòng)壓路機(jī)成為編號進(jìn)行綜合處理，確保碾壓區(qū)域控制點(diǎn)可做好分析，按照 H>H_r 和 P_IDi>R_IDi ，振動(dòng)壓路機(jī)在運(yùn)行之時(shí)，應(yīng)以路基結(jié)構(gòu)層為前導(dǎo)，首先完成碾壓層碾壓，之后自動(dòng)更新振動(dòng)壓路機(jī)編號，所屬層位編號控制為 P_IDi 日記，整個(gè)壓路機(jī)在運(yùn)行之時(shí)，應(yīng)做好碾壓控制，記錄碾壓層控制點(diǎn)以及位置信息，繼而向控制端發(fā)送指令。

第四，振動(dòng)壓路機(jī)在運(yùn)行的過程中，開始從一個(gè)碾壓層到另外一個(gè)碾壓層施工之時(shí)，此時(shí)對壓路機(jī)運(yùn)行編號進(jìn)行壓路控制處理，如果出現(xiàn)問題，則需要立刻結(jié)束振動(dòng)碾壓路，并記錄此時(shí)碾壓層位，控制點(diǎn)高程值HPI對應(yīng)的壓路機(jī)位置定位信息，在定位客戶端發(fā)送通知[2]。

2公路項(xiàng)目智能化路基施工分層碾壓算法的應(yīng)用

2.1碾壓層位控制點(diǎn)位高程取值

碾壓層位控制點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中可設(shè)置高程取值，碾壓層位施工控制定位信息，完善事件序列，將測定網(wǎng)格控制點(diǎn)以及碾壓后的高程值。碾壓層控制之時(shí)，應(yīng)距離加權(quán)值設(shè)定為相應(yīng)響應(yīng)的參數(shù)。碾壓層控制之時(shí)，也需要明確路基碾壓區(qū)域以及高程影響之間的關(guān)系。路基碾壓施工的過程中，需要將高程值周圍點(diǎn)位高程控制，相互之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，網(wǎng)格控制點(diǎn)位高程值設(shè)置為圓心，取值范圍可控制在半徑畫圓范圍之內(nèi)，繼而確定碾壓層壓路機(jī)的位置信息，最終控制網(wǎng)格點(diǎn)的高程信息，碾壓層施工能夠?qū)⒏叱叹刃拚?jì)算。

計(jì)算的過程中設(shè)計(jì)碾壓層網(wǎng)格控制點(diǎn)位 P_i ，設(shè)計(jì)坐標(biāo)系后，將 P_i 點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)計(jì)為 (X₀ 和 Y₀^， ，以P點(diǎn)為中心畫圓形區(qū)域，設(shè)計(jì)為辨識區(qū)域，范圍壓路機(jī) R₁ 坐標(biāo)為 (x₁，y₁) ，從而得到壓路機(jī)電位與控制點(diǎn)位短距離，可按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。而在控制點(diǎn)的高程計(jì)算實(shí)施的過程中，可按照公式（2）完成。

D₁=[(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²]

路基壓實(shí)高程數(shù)據(jù)計(jì)算必須滿足施工質(zhì)量要求，因此在取值計(jì)算的過程中，為確保精準(zhǔn)，必須對區(qū)域控制網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行 P₁ 高程數(shù)據(jù)信息驗(yàn)算。高程網(wǎng)格控制點(diǎn)實(shí)際碾壓后高程應(yīng)將其差值控制在 H>H_r ，最終確?？刂泣c(diǎn)位碾壓后應(yīng)達(dá)到高程值，最終確保高程應(yīng)控制在標(biāo)高以下。如果在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，高程計(jì)算差值為 H?H_r 知識，證明網(wǎng)格點(diǎn)控制存在誤差，繼而保證設(shè)計(jì)達(dá)到最佳效果，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效果。

控制網(wǎng)格點(diǎn)位的高程差如果超過規(guī)定范圍之時(shí)，必須參考步驟1實(shí)施加權(quán)平均值計(jì)算，從而增加區(qū)域圓形半徑，將正確的控制點(diǎn)位保衛(wèi)在內(nèi)，繼而確保搜索范圍能夠控制在高程數(shù)據(jù)之內(nèi)，計(jì)算實(shí)施之后，可將計(jì)算得到Pi改正后確定高程位置信息。

2.2 碾壓層位厚度計(jì)算

碾壓層位厚度計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)用也非常關(guān)鍵，是公路項(xiàng)目智能化路基施工分層碾壓算法應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，一定程度上關(guān)系到碾壓施工質(zhì)量，智能化技術(shù)應(yīng)用過程中，需要確認(rèn)碾壓厚度，對碾壓厚度實(shí)施計(jì)算，才可保證后續(xù)的計(jì)算應(yīng)用達(dá)到良好效果。

碾壓厚度計(jì)算實(shí)施過程中，先從數(shù)據(jù)庫獲取各控制點(diǎn)位坐標(biāo)，獲取信息時(shí)間序列，從而獲得不同路基的結(jié)構(gòu)，整個(gè)碾壓施工的過程中，可將最終壓實(shí)高程記錄其中，記錄坐標(biāo)為 (m，n) ，碾壓層位進(jìn)行施工的過程中，可矩陣序列化情況，該層位的網(wǎng)格控制點(diǎn)位進(jìn)行平面定位處理。K為路基相同結(jié)構(gòu)不同碾壓層位順序，主要用于碾壓層位的上下層位數(shù)據(jù)。按照確定碾壓層厚度值計(jì)算公式如式（3）所示。

ΔH=H(m，n_?k)-H(m，n_?k-l)

3在公路項(xiàng)目智能化路基施工中驗(yàn)證分層碾壓算法

公路項(xiàng)目建設(shè)的過程中，對施工分層碾壓算法應(yīng)用要科學(xué)合理，從而提升公路分層碾壓施工質(zhì)量。為驗(yàn)證智能化路基施工分層碾壓算法，針對某工程中公路項(xiàng)目智能化路基施工分層碾壓施工進(jìn)行研究[3]。

3.1項(xiàng)目概況與工程特點(diǎn)

該工程為某高速公路工程，工程中路基環(huán)節(jié)總長度達(dá)到 9.5km 。工程中不利天氣較多，路基工程可采用針對性處理措施。

第一，該公路工程開始重視防雨施工，防止雨水對基坑以及樁基產(chǎn)生較大的影響。

第二，施工過程中完成機(jī)械施工調(diào)度與管理，包括完成機(jī)械設(shè)備、材料以及人員的調(diào)度與調(diào)整，切實(shí)有效發(fā)現(xiàn)問題并著手解決，確保路基施工能夠高效開展，也確保機(jī)械設(shè)備能夠高效率應(yīng)用。

第三，要求路基施工的過程中，應(yīng)完成路基壓實(shí)施工控制，將路基的碾壓次數(shù)控制在6遍以上，確保碾壓達(dá)到要求即可[4]。在碾壓施工的過程中應(yīng)不出現(xiàn)定位數(shù)據(jù)點(diǎn)，漂移現(xiàn)象。

3.2智能碾壓系統(tǒng)組成與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 多技術(shù)融合的系統(tǒng)架構(gòu)

智慧工地壓路機(jī)智能施工系統(tǒng)采用北斗高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)以及壓實(shí)傳感器監(jiān)測技術(shù)，經(jīng)過軟件的實(shí)時(shí)處理，可以獲得壓路機(jī)鋼輪高精度三維位置和振動(dòng)壓實(shí)值，以數(shù)字化與圖像化方式實(shí)時(shí)記錄，并顯示壓路機(jī)行進(jìn)方向、行進(jìn)速度、振動(dòng)壓實(shí)值、碾壓遍數(shù)、填筑厚度等信息，以此引導(dǎo)機(jī)手避免出現(xiàn)過壓和漏壓情況，保證壓實(shí)施工質(zhì)量。

該工程中應(yīng)用的智能碾壓施工系統(tǒng)具備多種先進(jìn)技術(shù)，其中以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能作為核心，從而可確保碾壓設(shè)備擁有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化控制以及施工數(shù)據(jù)處理功能，切實(shí)保障智慧碾壓系統(tǒng)應(yīng)用符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3.2.2 智能控制與自動(dòng)化執(zhí)行

智能碾壓系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測以及精確控制功能，能夠在應(yīng)用后控制碾壓機(jī)壓實(shí)速度、壓實(shí)遍數(shù)以及壓實(shí)度等重要參數(shù)，從而保證碾壓施工始終保持良好，提升碾壓施工技術(shù)質(zhì)量。系統(tǒng)施工應(yīng)用的過程中，創(chuàng)建了高精度傳感器，繼而實(shí)時(shí)采集以及實(shí)時(shí)反饋等優(yōu)勢，在該設(shè)備實(shí)施碾壓施工之時(shí)可完成溫度、密實(shí)度、平整度等數(shù)據(jù)的采集和獲取，結(jié)合設(shè)定碾壓標(biāo)準(zhǔn)以及目標(biāo)值，系統(tǒng)能夠調(diào)整碾壓工藝參數(shù)，對路基施工碾壓完實(shí)施動(dòng)態(tài)、

精確碾壓控制。

智能碾壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，以此提升碾壓施工質(zhì)量。通過相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，智能碾壓系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)規(guī)劃碾壓軌跡，施工過程中還可調(diào)整碾壓速度以及碾壓次數(shù)，從而可以減少人工干預(yù)和人工操作，顯著提升施工效率。通過智能算法以及大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，可以預(yù)測并優(yōu)化碾壓路徑以及碾壓順序，減少機(jī)械設(shè)備的無效碾壓和重復(fù)碾壓，并降低施工能耗。

3.2.3 施工質(zhì)量智能保障機(jī)制

該系統(tǒng)高精度傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，智能碾壓系統(tǒng)可以完成路面施工的實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括對施工面密實(shí)度、平整度等指標(biāo)實(shí)施檢測，通過檢測發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題并進(jìn)行調(diào)整，確保施工質(zhì)量。碾壓系統(tǒng)能在施工的過程中有效防止過壓或欠壓等常見的施工現(xiàn)象，保證瀝青混合料的壓實(shí)度均勻一致，繼而提升道路工程使用壽命，使道路的行車舒適度以及安全性得以提升。

3.3分層碾壓施工算法驗(yàn)證

分層碾壓施工算法驗(yàn)證實(shí)施極為關(guān)鍵，對于分層碾壓施工有非常重要的意義，一定程度上關(guān)系到分層碾壓施工質(zhì)量，從而保證分層碾壓施工達(dá)到最佳效果。運(yùn)用智能化路基施工監(jiān)控系統(tǒng)對該標(biāo)段路基壓實(shí)施工過程進(jìn)行監(jiān)控，得到自動(dòng)分層效果圖，下路堤的施工監(jiān)控自動(dòng)劃分為3個(gè)層位，系統(tǒng)顯示最后碾壓層位的壓實(shí)遍數(shù)效果。

3.3.1驗(yàn)證方法與指標(biāo)體系

選取 K5+200-K6+800 段作為試驗(yàn)段，部署路基智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全流程數(shù)據(jù)采集。設(shè)定三大驗(yàn)證維度。建立三維地層模型進(jìn)行自動(dòng)分層效果驗(yàn)證，要求層位劃分誤差 ?5cm 。開展六階段壓實(shí)工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證碾壓遍數(shù)一壓實(shí)度響應(yīng)模型。實(shí)施高程控制網(wǎng)檢測，驗(yàn)證網(wǎng)格點(diǎn)位高程偏差 ?0.7cm 的技術(shù)要求[]。

3.3.2實(shí)施過程與控制要點(diǎn)

試驗(yàn)段采用雙控法施工，通過智能系統(tǒng)設(shè)定 30cm 標(biāo)準(zhǔn)層厚，當(dāng)壓實(shí)厚度檢測值超過 35cm 時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。開發(fā)變幅碾壓工藝，下路堤分層數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整（ 3～5 層可變)。建立質(zhì)量追溯機(jī)制，每層碾壓完成后自動(dòng)生成數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的可視化復(fù)盤。

3.3.3驗(yàn)證結(jié)果與精度分析

經(jīng)21d連續(xù)施工驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3大技術(shù)突破：一是分層厚度控制精度達(dá) ±0.1cm ，較傳統(tǒng)工藝提升4倍。二是壓實(shí)度均勻性系數(shù)提高至0.92，消除欠壓區(qū)域。三是高程控制網(wǎng)相對誤差控制在 0.7cm 以內(nèi)，滿足ITCSⅡI級精度要求。試驗(yàn)段彎沉值檢測結(jié)果顯示，路基整體剛度均勻性提升 27.6% 。

3.3.4施工參數(shù)優(yōu)化與算法迭代

基于驗(yàn)證數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生模型，完成3方面技術(shù)優(yōu)化： ① 開發(fā)動(dòng)態(tài)分層算法，根據(jù)填料CBR值自動(dòng)調(diào)整分層厚度 (25～35cm 可變)。 ② 建立能耗-質(zhì)量協(xié)同優(yōu)化模型，使單機(jī)日產(chǎn)量提升 19.3% 。 ③ 形成基于數(shù)字孿生的質(zhì)量預(yù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)常見質(zhì)量缺陷的提前 12h 預(yù)警[7]。

4結(jié)束語

智能化路基施工分層碾壓技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著公路建設(shè)領(lǐng)域邁向更高效和更科學(xué)的施工模式。智能化算法通過對施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，顯著提高了施工質(zhì)量的一致性和施工效率。這不僅有助于減少施工過程的人工錯(cuò)誤，降低施工成本，也提升了路基的長久穩(wěn)定性和耐久性。智能化施工技術(shù)的成功應(yīng)用，離不開傳感器技術(shù)的完善和算法優(yōu)化的持續(xù)發(fā)展。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中為了進(jìn)一步提升公路項(xiàng)目智能化施工，需要構(gòu)建智能碾壓施工系統(tǒng)，系統(tǒng)具備智能碾壓功能，施工效率更高，從而保證施工技術(shù)應(yīng)用達(dá)到最佳效果。

在未來的發(fā)展中，需要進(jìn)一步關(guān)注施工現(xiàn)場的多樣性和復(fù)雜性，研發(fā)更多適應(yīng)不同環(huán)境和條件的智能化算法，以迎接不斷變化的施工需求。隨著智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，施工過程中的自動(dòng)化水平將進(jìn)一步提高，施工人員將更多地參與到?jīng)Q策和監(jiān)督過程中。智能化路基施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將為公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐驗(yàn)證，智能化施工技術(shù)必將在公路建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

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