瀝青面層智能化施工管理的實踐與應(yīng)用

第三十八屆山東省企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新優(yōu)秀成果

隨著科技的飛速發(fā)展，智能化施工管理成為了現(xiàn)代交通建設(shè)領(lǐng)域的重要趨勢。在當前工程技術(shù)日益智能化和精細化的時代背景下，工程機械智能化設(shè)備正以其強大的性能、精確的控制和卓越的能效在建筑行業(yè)占據(jù)重要地位。

一、瀝青面層智能化施工管理的主要做法

聊城市交通發(fā)展有限公司于2023年在S246臨商線聊城繞城段改建工程瀝青面層施工時，實施了智能化現(xiàn)場攤壓的實踐與應(yīng)用。本次實踐與應(yīng)用，在傳統(tǒng)的攤鋪機和壓路機的基礎(chǔ)上，進行智能化改造，打造成套路面智能化施工，實現(xiàn)路面施工全過程攤壓的智能化，完成施工過程自動化控制和現(xiàn)場無人操作。施工全過程攤鋪壓實的智能化施工采用無人駕駛攤壓技術(shù)，現(xiàn)場機械群由2臺高等級攤鋪機、3臺雙鋼輪壓路機、2臺膠輪壓路機共7臺無人設(shè)備組成。通過無人駕駛、協(xié)同調(diào)度、群控安全、智能壓實技術(shù)和圖像識別等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了路面施工的智能作業(yè)和數(shù)字化管理，大幅減少了作業(yè)人員，在保證安全的前提下，完成高質(zhì)量、高效率的路面攤壓作業(yè)?，F(xiàn)場作業(yè)由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)機群高精度定位，通過本地控制平臺發(fā)送指令控制機群按照事先設(shè)置好的攤鋪速度、運行軌跡、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、搭接寬度協(xié)同作業(yè)，本地控制平臺可根據(jù)現(xiàn)場情況實時遠程調(diào)整機械運行參數(shù)，確保機群能高質(zhì)量完成攤鋪和碾壓作業(yè)。其作業(yè)機理如圖所示：

（一）智能化施工管理的準備工作

在項目前期，聊城交發(fā)進行了全面的市場調(diào)研和技術(shù)評估，確定了無人壓路機和攤鋪機作為智能化施工管理的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)項目需求，制定了詳細的施工方案和設(shè)備選型計劃，包括設(shè)備的規(guī)格、數(shù)量以及施工進度安排等。在設(shè)備選型過程中，聊城交發(fā)注重設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和適應(yīng)性。經(jīng)過比較不同品牌、型號的無人壓路機和攤鋪機，最終選擇了符合項目需求且具有較高性價比的設(shè)備。

（一）以科技手段建立智能化施工管理平臺

智能化施工施工管理云平臺包含兩部分，一是負責現(xiàn)場施工設(shè)備指揮的本地管理平臺，二是負責存儲工程數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析清洗的云平臺，因此現(xiàn)場施工管理主要由本地管理平臺完成。

施工前將施工工點及施工設(shè)備基本信息（設(shè)備類型、施工里程、施工對象、施工工藝等信息）錄入本地管理平臺，待現(xiàn)場達到施工條件后一鍵遠程啟動設(shè)備進入攤壓作業(yè)，本地管理平臺可在施工過程中隨時對攤壓機群進行遠程控制，包括遠程啟停、修改單臺設(shè)備的工作參數(shù)、調(diào)整工作區(qū)域等各類規(guī)劃行為，確保機群運行的可控性。

云平臺在施工期主要負責施工信息儲存及分析，云平臺由工程中心、設(shè)備中心、應(yīng)用中心三大模塊組成，對應(yīng)可集中管理施工過程中的作業(yè)管理分析、設(shè)備管理分析及軟件應(yīng)用分析三大方面，云平臺可作為施工事后控制的關(guān)鍵手段，為施工過程復(fù)盤及后續(xù)同類型施工作業(yè)提供重要的參考信息和決策依據(jù)。

（三）以科技手段實施智能化攤鋪

在傳統(tǒng)攤鋪設(shè)備的基礎(chǔ)上，進行升級改造，加裝溫度傳感器、3D找平儀、無線網(wǎng)橋、RTK定位網(wǎng)線等設(shè)備，不僅能實現(xiàn)路面攤鋪智能檢測，還能實現(xiàn)瀝青路面施工攤鋪全過程的智能化，以及施工過程中實時監(jiān)控，包含自動駕駛攤鋪技術(shù)、定位與導(dǎo)航技術(shù)、攤鋪機輔助駕駛技術(shù)、無線通信技術(shù)、3D找平技術(shù)、溫度實時監(jiān)控技術(shù)和數(shù)字化施工管理平臺技術(shù)。采用智能攤鋪系統(tǒng)，包括GNSS定位設(shè)備、域激光發(fā)射器、域激光接收器等，實現(xiàn)了實時厘米級的GNSS平面定位精度和毫米級的高程控制精度。具體實施：首先，將路面設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D找平控制器，通過GNSS接收機采用RTK（載波相位差分）技術(shù)，實時獲取攤鋪機熨平板的實時厘米級3D點位信息并計算出相對應(yīng)的高程設(shè)計信息；其次，基于域激光發(fā)射器與激光接收器，將3D點位接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并根據(jù)電信號的量值與變化計算出實測高程與設(shè)計高程的差值，并控制找平電磁比例液壓換向閥，實現(xiàn)毫米級的找平精度；最后，通過后臺數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)無樁化攤鋪，減少人為干預(yù)帶來的攤鋪誤差，實現(xiàn)頻繁變坡及曲線的施工要求.

（四）以科技手段實施智能化壓實

在傳統(tǒng)壓實設(shè)備的基礎(chǔ)上，進行升級改造，加裝溫度傳感器、毫米波雷達、單目相機、加速度傳感器、激光雷達、無線網(wǎng)橋、RTK定位網(wǎng)線等設(shè)備，不僅能實現(xiàn)路面壓實智能檢測，還能實現(xiàn)路面施工壓實全過程的智能化，以及施工過程中實時監(jiān)控，包含自動駕駛壓實技術(shù)、定位與導(dǎo)航技術(shù)、智能壓實技術(shù)、無線通信技術(shù)、壓路機輔助貼邊技術(shù)、安全避障技術(shù)、機群協(xié)同控制技術(shù)和數(shù)字化施工管理平臺技術(shù)。采用智能壓實系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度貼邊壓實，通過視覺 + 光雷達融合感知定位方案，開發(fā)了路沿實時高精度定位技術(shù)。實現(xiàn)了壓路機在貼邊作業(yè)時脫離RTK+高精度地圖定位信號，達到“0”貼邊的理想作業(yè)效果，同時實現(xiàn)不依靠基站和GPS地圖，僅憑借路沿感知與定位信號進行自動駕駛。智能壓實采用高精度定位、GIS、智能壓實算法等技術(shù)，將施工過程中壓實度、碾壓軌跡、遍數(shù)、速度等信息進行采集、記錄和分析。智能壓實算法升級如下：施工工藝改進，實現(xiàn)了進退錯距法（在作業(yè)塊中換道）和進退搭接法（在作業(yè)塊以外換道）施工。

施工作業(yè)快可實現(xiàn)四邊形作業(yè)塊和曲行作業(yè)塊施工。壓實度遍數(shù)顏色分層疊加顯示。

（五）以科技手段實實施機群協(xié)同調(diào)度和控制

機群協(xié)同調(diào)度 + 控制技術(shù)，在實現(xiàn)單機智能的基礎(chǔ)上，通過硬件和軟件的升級，根據(jù)工藝要求結(jié)合機群中每臺機器的精確位置及作業(yè)狀態(tài)為機群中的全部設(shè)備實時規(guī)劃最優(yōu)化的調(diào)度策略，生成目標作業(yè)軌跡，并通過對攤壓設(shè)備行駛系統(tǒng)進行建模和控制算法，實現(xiàn)攤壓設(shè)備高精度軌跡自動跟蹤控制。讓機群可以在保證安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體施工工況，靈活應(yīng)用最優(yōu)控制策略，在大部分工況下，實現(xiàn)智能化攤壓作業(yè)。

（六）以科技手段實現(xiàn)智能化管理全面提升

在實際應(yīng)用過程中，聊城交發(fā)還結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對施工數(shù)據(jù)進行深入挖掘和分析，通過對比分析不同施工階段的數(shù)據(jù)變化，能夠更準確的評估施工效果，為后續(xù)的施工管理創(chuàng)新提供有力支持。通過本次瀝青面層智能化實踐與應(yīng)用，實現(xiàn)了施工管理的全面提升：

（1）人員用工方面

在該項目建設(shè)中，通過應(yīng)用這種智能攤壓技術(shù)，引入了智能化攤壓設(shè)備。這些設(shè)備包括無人駕駛的智能攤鋪機和壓路機，它們通過高精度北斗定位技術(shù)實現(xiàn)精準定位，并通過自動控制系統(tǒng)進行無人駕駛操作。大幅減少了現(xiàn)場施工人員數(shù)量。以往需要大量駕駛員和操作人員進行攤鋪和壓實工作，而現(xiàn)在只需少數(shù)幾名操作人員監(jiān)控電腦控制系統(tǒng)即可。這不僅降低了人力成本，還減少了人員交叉作業(yè)和互相穿越帶來的危險性，提高了施工安全性。

（2）提高施工質(zhì)量方面

在路面施工過程中平整度差、壓實度不合格是施工中常見的共性問題，多與施工中的設(shè)備性能、操作手的操作習慣和現(xiàn)場管理有關(guān)，施工設(shè)備精度和性能可以通過設(shè)備本身的高等級配置以及良好的維保來實現(xiàn)，在實際施工中，操作手的操作習慣和現(xiàn)場管理的細度就成為了質(zhì)量管理的重難點。傳統(tǒng)的路面攤鋪設(shè)備操作手的經(jīng)驗、個人能力和對設(shè)備的熟悉度能極大的影響成品質(zhì)量，瀝青路面攤壓施工作為多臺設(shè)備協(xié)同作業(yè)的系統(tǒng)性工程，操作手的良莠不齊對成品的質(zhì)量的影響很直觀的符合“短板效應(yīng)”，即多名操作手中只要有一人的水平不夠即很容易引起局部質(zhì)量不足繼而導(dǎo)致成品質(zhì)量整體下降。質(zhì)量影響主要集中在以下兩個方面：一是控制后場生產(chǎn)、中場運輸和前場攤鋪的協(xié)調(diào)性，確保前場攤鋪作業(yè)時始終保持有2-3臺料車在等待卸料的最佳協(xié)同狀態(tài)，既防正因前場攤鋪太快后場生產(chǎn)不及時導(dǎo)致前場無料攤鋪設(shè)備停機等待出現(xiàn)冷縫，又需防止前場攤鋪速度過慢引起后場生產(chǎn)過多導(dǎo)致料車積壓材料失溫引起質(zhì)量問題。二是控制壓路機群有序作業(yè)，準確來說就是保證所有壓路機按照既定碾壓參數(shù)勻速的完成碾壓，在碾壓斷面內(nèi)需做到既不欠壓也不過壓，防止引起欠壓導(dǎo)致的壓實度不足或超壓引起的泛油的質(zhì)量通病。智能攤壓施工不需要操作手操作設(shè)備作業(yè)，所有設(shè)備作業(yè)均根據(jù)提前設(shè)置并固定好的程序執(zhí)行，設(shè)備的動作包括運行速度、轉(zhuǎn)向角度、振動方式、碾壓軌跡、振幅振頻等均嚴格按照既定程序嚴格執(zhí)行，杜絕了操作手的水平差距導(dǎo)致的質(zhì)量不可控，同時前場攤鋪和后場生產(chǎn)之間可形成調(diào)度聯(lián)動，通過平臺實時監(jiān)控前場施工情況及時報告后場隨時調(diào)度生產(chǎn)速率，確保前后場協(xié)同作業(yè)。

（3）提升施工效率方面

在瀝青面層的施工中，通常以攤鋪速度（每分鐘攤鋪長度）來衡量路面施工的效率，再通過施工效率來衡量某一階段的低下的施工進度，主要反映施工任務(wù)的完成情況。施工效率低的原因主要有：行業(yè)人力資源在快速減少，施工人員嚴重不足；公路施工環(huán)境較為惡劣，難以長時間工作；施工管理數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致施工管理片面，不能形成閉環(huán)。通過應(yīng)用這種智能化無人攤壓施工管理，實現(xiàn)了施工效率的大幅提升。相比傳統(tǒng)的人工攤鋪和壓實方式，智能攤壓設(shè)備能夠連續(xù)、穩(wěn)定地進行工作，不受人為因素影響，減少了施工中斷和重復(fù)操作的可能性，本次實踐應(yīng)用施工周期縮短了約 30% 。

（4）安全和環(huán)保方面

在安全管理方面，安全管理往往是傳統(tǒng)設(shè)備管理中的“痛點”和“難點”，智能攤壓機群施工通過主動避障和協(xié)同調(diào)度等功能的引入，確保了施工過程中的安全性。設(shè)備在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)工作，一旦超出邊界，設(shè)備會自動停車并發(fā)出報警，從而避免了設(shè)備誤闖危險區(qū)域的風險。主動避障功能則可以在設(shè)備行進過程中檢測到障礙物時，主動進行限速或停車，避免了碰撞事故的發(fā)生。此外，協(xié)同調(diào)度功能可以確保多臺無人攤壓設(shè)備在施工現(xiàn)場協(xié)同作業(yè)，避免了設(shè)備之間的碰撞和干擾，提高了施工安全性。

在環(huán)保方面，智能化攤壓機群施工通過減少人工操作和降低設(shè)備使用數(shù)量，顯著降低了能耗和排放。傳統(tǒng)的施工方法需要大量的人工操作和設(shè)備運行，這不僅增加了能耗，還可能產(chǎn)生噪音和尾氣排放等環(huán)境問題。而智能攤壓機群施工通過自動化和智能化技術(shù)，減少了人員和設(shè)備的需求，從而降低了能耗和排放。同時，由于無人攤壓設(shè)備可以精確控制施工參數(shù)和工藝，減少了材料浪費和施工質(zhì)量問題，進一步降低了對環(huán)境的影響。

在該項目實施過程中，通過應(yīng)用智能化攤壓設(shè)備，項目團隊成功解決了安全和環(huán)保兩大難題。與傳統(tǒng)施工方法相比，智能化攤壓技術(shù)的應(yīng)用使得施工安全事故率降低了約 30% ，同時能耗和排放也減少了約 20% 。這不僅確保了施工過程的順利進行，還保護了周邊環(huán)境和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

（5）精準管理控制方面

常規(guī)的施工現(xiàn)場很容易存在“上傳下不達”的管理困境，作為管理層面而言，精細化的管理制度意味著更好的現(xiàn)場安全和成品質(zhì)量，但作為執(zhí)行層而言，實施精細化的制度則意味著更多的工作和更多的考核，但產(chǎn)生的收益卻享受不到，這是反人性的，因此很容易走進“上有政策、下有對策”的傳統(tǒng)管理困境。

借助智能化的手段，實現(xiàn)了在不增加勞動量的情況下，有效實施現(xiàn)場的精細管理制度，具體來說，通過手持式筆記本電腦，操作人員可輕松實現(xiàn)人機交互，平臺會實時反饋設(shè)備運行狀態(tài)，對異常情況會報警提示，操作人員則可實時查看設(shè)備運行狀態(tài)并調(diào)整。內(nèi)置的平臺算法能保證設(shè)備按照固定的工藝參數(shù)運行，需要調(diào)整時，只需要一名操作人員即可在極短的時間內(nèi)操控多臺設(shè)備的運行參數(shù)，固定的規(guī)則可防止設(shè)備做出急停急起等影響成品質(zhì)量的錯誤操作，當然，安全功能始終放在首位，當設(shè)備可能存在碰撞時，安全機制會導(dǎo)致設(shè)備急停。

借助圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了壓路機的精準貼邊功能，通過抓取典型路沿結(jié)構(gòu)物（路沿石、橋梁護欄等），設(shè)備能自行識別路面邊界，并通過與定位系統(tǒng)的結(jié)合，自動指揮設(shè)備精確沿著路面邊界碾壓，將常規(guī)施工中需要熟練工人才具備的技能變成任何人都能操作實現(xiàn)的功能，既降低了機手操作難度，也能嚴格執(zhí)行邊部壓實的工藝要求，提升成品質(zhì)量。

二、瀝青面層智能化施工管理的效果

（一）顯著提升施工效率

通過引入智能化施工管理，直觀、有效的圖像化顯示方式，改變傳統(tǒng)管理模式中設(shè)備管理靠打電話、做登記等低效的管理方法，有效提高機械設(shè)備的精準調(diào)度和優(yōu)化配置，減少設(shè)備閑置和等待時間，提高設(shè)備利用率。同時，通過優(yōu)化施工工藝流程和改進作業(yè)方式，可以進一步提高施工效率和質(zhì)量。此外，智能化施工管理還可以減少人工操作和干預(yù)，降低人為因素對施工進度的影響，確保工程按時甚至提前完成。

（二）有效降低成本支出

智能化施工管理通過精確控制設(shè)備的運行狀態(tài)和工作參數(shù)，可以降低設(shè)備的能耗和維護成本。同時，智能化管理模式通過引入自動化、機器人和遠程監(jiān)控等技術(shù)手段，顯著減少了現(xiàn)場施工人員數(shù)量。智能化的設(shè)備能夠自主完成許多繁瑣和重復(fù)性的工作，降低了對人工的依賴。通過智能化施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對施工人員的精確調(diào)度和高效管理，提高了人員利用率和工作效率。通過減少人工操作和縮短施工周期，降低了人工成本和管理成本。智能化施工管理還可以及時發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障和安全隱患，避免因故障導(dǎo)致的額外維修和更換成本。

（三）大幅提升施工安全性

通過引入智能安全監(jiān)控系統(tǒng)和預(yù)警機制，實時監(jiān)控施工現(xiàn)場的安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患。同時，智能化施工管理還可以提供設(shè)備故障預(yù)警和故障診斷功能，幫助管理人員提前發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備問題，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的安全事故。這些措施大幅提升了施工的安全性，保障人員的生命財產(chǎn)安全。進一步的，智能化集成系統(tǒng)能很大程度上代替掉重復(fù)的、重復(fù)的人工工作，代替掉了部分人工，減少了最大的安全風險“人”的參與，從根本上解決了安全問題，提升了整個管理系統(tǒng)的安全性。

（四）系統(tǒng)性提升施工質(zhì)量

傳統(tǒng)施工中，成品質(zhì)量控制往往遵循“事后檢測→原因倒查 $$ 修正提高→經(jīng)驗積累→具體應(yīng)用”的管理邏輯，在這個邏輯線中，因材料變化、人的學習水平差異、人的社會關(guān)系等方面因素，往往容易導(dǎo)致質(zhì)量問題原因難分析、質(zhì)量提升經(jīng)驗難分享、質(zhì)量方法應(yīng)用不徹底等管理難題，這嚴重制約了傳統(tǒng)管理中質(zhì)量管理水平的提升。瀝青面層智能化施工管理，利用不同的傳感器和控制平臺，收集施工過程中關(guān)鍵質(zhì)量影響因素的變化，并通過固定工藝參數(shù)、控制設(shè)備運行狀態(tài)等方式，極大程度的減少設(shè)備操作不合規(guī)、設(shè)備性能不達標等帶來的質(zhì)量損失，并通過關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控（如路面瀝青施工碾壓溫度的監(jiān)控），將傳統(tǒng)的事后控制變?yōu)椤笆轮锌刂啤保瑥母瓷咸岣吡速|(zhì)量管理能力。

（五）促進行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展

瀝青面層智能化施工管理不僅關(guān)注施工過程的效率和安全性，還關(guān)注施工對環(huán)境的影響和資源的利用效率。通過優(yōu)化施工工藝和引入環(huán)保技術(shù)，可以降低施工對環(huán)境的影響。同時，通過精準控制設(shè)備的運行狀態(tài)和工作參數(shù)，可以降低能源消耗和材料浪費。這些措施有助于促進行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的雙贏。

通過本次瀝青面層智能化施工管理實施情況和效果來看，形成的路面成品的壓實度、平整度的試驗指標均優(yōu)于傳統(tǒng)作業(yè)的各項指標，通過連續(xù)作業(yè)實踐，在人機對話、實際作業(yè)、安全環(huán)保等方面證明智能化路面施工技術(shù)可行，效果理想。通過智能化攤壓機群作業(yè)，有效減少了現(xiàn)場施工人員的環(huán)境傷害，提高人身安全，特別針對攤鋪機作業(yè)，常規(guī)施工要求攤鋪機操作手長期在駕駛室進行不間斷操控，瀝青煙塵、高熱的工作環(huán)境對操作手帶來的塵肺、焦油傷害、熱灼傷等各類環(huán)境傷害，壓路機的振動則會嚴重影響壓路機操作手的腰椎健康，形成一系列的職業(yè)病，智能化機群作業(yè)取消了操作手，只需要少量技術(shù)人員在良好的工作環(huán)境中進行設(shè)備的遠程管理，從根源上改善了他們的個人健康狀況。

綜上所述：智能化施工管理模式在人員用工、提升施工效率、安全性和提高施工質(zhì)量方面相較于傳統(tǒng)管理模式具有顯著優(yōu)勢。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用范圍的擴大，智能化施工管理模式將在公路路面機械施工中發(fā)揮越來越重要的作用。智能化施工管理創(chuàng)新也是一個復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的課題。通過克服技術(shù)融合、數(shù)據(jù)安全、人才培養(yǎng)等問題，加大資金投入和政策支持力度，我們可以期待未來智能化施工管理在工程施工中發(fā)揮更加重要的作用，為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新的動力。

（作者單位：聊城市交通發(fā)展有限公司）