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(yīng)用研究

黃立明

寧德市蕉城宏鑫交通工程投資有限公司，福建 寧德 3521000

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通發(fā)展要求的不斷提高，不僅要求公路路面滿足安全經(jīng)濟(jì)，舒適性能的要求也有所增加，也就要求路面施工質(zhì)量也更加追求極致，對路面平整度的要求也越來越高，這就對瀝青攤鋪的水平提出新要求。基于數(shù)字技術(shù)的控制器具成為高性能攤鋪機(jī)數(shù)字控制器的主流方向［1-3］。數(shù)字式超聲波控制技術(shù)與微電腦恒速控制是目前國內(nèi)外普遍采用的方法，且國內(nèi)外普遍將先進(jìn)的超聲波和激光等非接觸式自動找平裝置應(yīng)用于瀝青混凝土攤鋪機(jī)上，提升其對環(huán)境條件的適應(yīng)性［4-5］。徐工通過承擔(dān)“十五”國家863計劃，“機(jī)群智能化工程機(jī)械——智能攤鋪”項目和國際合作開發(fā)，創(chuàng)新運用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、通訊、信息和微電子等技術(shù)研發(fā)了RP952/RP902E型攤鋪機(jī)，使得產(chǎn)品的技術(shù)性能躋身于國際水平［6］。本文研究了瀝青路面3D智能攤鋪技術(shù)并對其在道路工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行調(diào)查，旨在增強(qiáng)瀝青路面施工過程中的信息化管理和控制，進(jìn)一步提高瀝青路面施工質(zhì)量。

1 數(shù)字化智能攤鋪控制系統(tǒng)

1.1 mm級GPS智能攤鋪控制系統(tǒng)硬件組成

mm級GPS數(shù)字化攤鋪智能控制系統(tǒng)是一種光機(jī)電液一體化智能控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可用于對道路施工作業(yè)面的高精度整平，能夠?qū)ｉT與相關(guān)施工機(jī)械配套并提高自動化水平。有四大部件組成，包括GNSS基準(zhǔn)站、mm級GPS流動站和相應(yīng)測量系統(tǒng)及測量數(shù)據(jù)設(shè)計軟件和等。mm級GPS數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)可完成對攤鋪機(jī)精確控制、熨平板實時定位和完全自動化施工作業(yè)。

1.2 mm級GPS數(shù)字化攤鋪自動控制系統(tǒng)工作原理和適用范圍

數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)是通過無線電發(fā)射器、GNSS基準(zhǔn)站能夠?qū)崟r地向設(shè)定的流動站接收機(jī)發(fā)送差分信號，激光發(fā)射器向該流動站發(fā)射高程信息。該高程信息和差分信號與天空中GPS衛(wèi)星信號匯集于mm級GPS流動站接收機(jī)系統(tǒng)中并行處理與運算從而實現(xiàn)即時的高程毫米級與GNSS平面厘米級定位。

在控制器中，GNSSRTK所獲取的精度達(dá)到1～2cm的定位值會傳送到計算機(jī)中，計算機(jī)即可計算出攤鋪機(jī)的關(guān)鍵點的設(shè)計位置，從而獲取此位置設(shè)計的高程。

熨平板攤鋪的實際高程（精度在2～3mm）可以使用TopconLaser Zone激光技術(shù)計算獲得，同時可實現(xiàn)以激光發(fā)射器所在水平面上下10°仰俯角、150m水平范圍內(nèi)和上下10m范圍內(nèi)立體空間待測目標(biāo)體的精確測量。

1.3 mm級GPS系統(tǒng)工作流程

1.3.1 前期準(zhǔn)備工作

前期準(zhǔn)備工作依次包括儀器設(shè)備的安裝、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、架設(shè)與矯正激光發(fā)射器；設(shè)置GPS設(shè)備、基準(zhǔn)站的架設(shè)、啟動發(fā)射器、配置移動站設(shè)備、流動站站臺設(shè)置、流動站天線設(shè)置、mmGPS接收機(jī)的設(shè)定、連接移動站、校正pocket-3D點；建立攤鋪機(jī)且將攤鋪機(jī)參數(shù)、激光參數(shù)數(shù)據(jù)、表面數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)液壓輸入系統(tǒng)；然后攤鋪試驗路段并進(jìn)行搜集試驗段攤鋪虛鋪數(shù)據(jù)、壓實遍數(shù)、壓實工序等相關(guān)試驗參數(shù)。

1.3.2 實施攤鋪

選定一已知高程點h，將激光發(fā)射器架設(shè)在該點上，并測量獲取發(fā)射器的高度HL，激光發(fā)射器發(fā)射的是N型激光信號，當(dāng)每個固定時間，接收器接受到激光信號時，即可確定發(fā)射器與接收器處于同一水平中線位置上

1.3.3 現(xiàn)場找平

上述實時監(jiān)測到的攤鋪機(jī)熨平板底部絕對高程，該實際絕對高程與控制器獲取的設(shè)計高程經(jīng)經(jīng)控制器計算得出兩者之間的差值，通過機(jī)載控制器中數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制信號，該控制信號通過攤鋪機(jī)傷的找平電磁閥進(jìn)行接受，然后通過該控制信號進(jìn)行控制攤鋪機(jī)油缸提升及下降，據(jù)此進(jìn)行熨平板上攤鋪角度的調(diào)整，從而對攤鋪機(jī)攤鋪高程精準(zhǔn)變化進(jìn)行控制。但由于攤鋪前路面很難保證一定平整，故整個攤鋪過程中必須通過自找平裝置來不斷地調(diào)節(jié)熨平板的仰角，從而精準(zhǔn)地控制攤鋪厚度，壓實后效果如圖1。

圖1 壓實前后效果示意圖

2 現(xiàn)場攤鋪應(yīng)用研究

2.1 現(xiàn)場施工發(fā)射儀器與接收儀器布置

在現(xiàn)場攤鋪施工之前要根據(jù)場地實際情況，道路設(shè)計規(guī)劃圖，測量放樣點位及攤鋪攤鋪施工工藝等確定激光信號發(fā)射器發(fā)射點位置。經(jīng)過室內(nèi)設(shè)計和現(xiàn)場試驗段攤鋪研究，針對不同施工工況和攤鋪機(jī)組合情況，有以下研究方案。

圖2 現(xiàn)場激光發(fā)射器與攤鋪機(jī)施工組合布置示意圖

方案一布置組合模式適合道路路緣石以外無發(fā)射器布置場地及無中心綠化隔離帶的情況；方案二在無路肩等適合場外布置激光發(fā)射器區(qū)域；方案三適宜于道路兩旁具有路肩及路肩以外。在以上方案的基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場應(yīng)用研究。

2.2 試驗段攤鋪研究

依據(jù)設(shè)計院規(guī)劃設(shè)計圖及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，后期采用常規(guī)攤鋪設(shè)備、攤鋪工藝，獲取相應(yīng)集料配合比進(jìn)行試驗段壓實參數(shù)，以此試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計院設(shè)計規(guī)劃換算成采用攤鋪3D數(shù)字自動化控制系統(tǒng)攤鋪的虛鋪數(shù)據(jù)。

通過分析僅采用基數(shù)相對較大的設(shè)計高程和實測高程進(jìn)行可視化分析難以收到理想效果，故采用相對高差法進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，進(jìn)而對所處理結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。如圖3所示。

2.2.1 相對高差法表面圖和等值線圖

由圖3可以看出掛線施工起伏值在-18～30之間大步距起伏，變化大，數(shù)據(jù)離散度大。表現(xiàn)在瀝青上面層攤鋪上位有坑洼現(xiàn)象；如圖可知3D數(shù)字化自動控制攤鋪施工高差值表面差值區(qū)間為-3～22，表面起伏密集，變化平緩，無劇烈變化，峰數(shù)和谷數(shù)均一且較密集，體現(xiàn)了3D數(shù)字化自動控制攤鋪施工的底基層平整度優(yōu)于常規(guī)掛線施工。

圖3 AC-13上面層掛線/3D設(shè)計與實測高程差表面圖

3 3D攤鋪數(shù)字化自動攤鋪施工工藝

結(jié)合現(xiàn)場攤鋪應(yīng)用研究提出3D攤鋪施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 3D攤鋪施工工藝流程圖

4 結(jié)論

（1）公路工程3D數(shù)字化自動攤鋪控制技術(shù)較好克服掛線施工鋼絲繩撓度、底基層下承層壓實度不足、平整度不達(dá)標(biāo)等不良因素，實現(xiàn)了自動施工、自動找平功能。

（2）建立使用公路工程3D數(shù)字化自動攤鋪控制技術(shù)在公路工程施工中平整度質(zhì)量評價新模式（路面高差等值線及基礎(chǔ)面色標(biāo)評價法），為前場施工人員實時掌握施工質(zhì)量和改進(jìn)機(jī)制提供了一種新的途徑或手段。

（3）提出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)字化自動攤鋪提供參考依據(jù)。