路面機械成套智能化施工技術研究

朱小軍 （安徽路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

現如今，多數產業都在尋求智能化的發展，施工領域中，已經有諸多設施實現自動化，但距離智能化還是有一定距離。單就道路施工而言，需要對路面平整度、壓實度等進行控制，傳統施工僅能進行事后現場測量，加重人工壓力的同時，還容易有誤差。而借助機械成套智能化，一人便可控制整個機群，壓路機及攤鋪機等均是無人駕駛，并能對各項工程質量參數采取實時檢測，利于提升工程質量。

1 路面施工技術

常規的路面建設技術存在諸多不足。首先，施工條件上，現場作業環境不佳，而且勞動量多。其次，質量檢測方面，主要是通過人工主觀判斷，極易出現檢查不全面的問題。再次，管控模式有不足。路面施工采取事后檢查的方式，使得過分強調結果，但忽略現場施工過程，同時，建設人員有較高的依賴性。最后，管理方法有缺陷，容易被人工干擾，未能實施全過程的管控，不利于鎖定及追責質量問題。而運用機械成套的智能化施工方式，可使得路面項目兼顧施工與管理，一方面，在施工作業上，通過無人駕駛及機群聯動、遠程監控、預測維護等，實現對路面建設的全過程監管，同時還能進行預測。另一方面，在工程管理上，借助大數據與云平臺等，對路面施工進行過程性的跟蹤管理，對現場建設品質，實施不間斷在線監測。并能基于工程的現實要求，提供個性化的服務[1]。

2 路面機械成套智能化的施工技術分析

2.1 路面作業機群

智能化的作業系統，綜合應用路徑規劃與三維找平、可視化技術、無人駕駛等科技手段，構成的擁有高智能及無人化水平的成套施工機械。同時，搭配數字化的后臺管理，對各機械采取數字化的全過程協同管控。在該系統中，劃分出多個層次（如圖1）。以應用層為例，主要功能：讓各路面施工機械協同作業；在三維空間上，自動完成找平攤鋪；路面現場作業中，可采取智能化的壓實操作；基于施工現場條件，能迅速感知，并躲避行進障礙；結合施工現場布局情況，不斷更新路徑規劃；將從現場采集到各類數據，生成統計報表，以供相關人員進行調整決策。其余還有平臺層、網絡層、感知層與設備層。其中的感知層，是借助各類雷達與GNSS定位、傳感裝置等，確定路面的壓實度等參數，給機械人為干預操控與系統智能化動作，提供依據。成套的路機智能化系統主要構成如圖1。

圖1 智能化系統結構

2.1.1 攤鋪機

無人駕駛的攤鋪機中包含多項技術，主機中裝配紅外線的溫度感應裝置、定位天線、通信天線和激光找平裝置。車載上的系統設備，可支持自動進行現場攤鋪，并能對路面找平。對攤鋪過程中的溫度參數實施全過程檢測，同時監測路徑的情況，將采集到的所有信息，在成套系統中持續共享，使得操控數據能夠不斷更新，確保管控動作的時效性與可靠性。此外，無人駕駛技術的實現是基于施工項目的設計參數，導入到數字化平臺與三維找平模塊中，前者依托于計算機、數據平臺及穩定的網絡，形成定位基站；后者主要是利用施工機械上裝設的激光發射器，生成參考數據。基于二者的數據處理，對攤鋪機下達動作指令，該過程需借助無線通訊，實現信號傳輸。其中，通過定位基站，向攤鋪機的控制裝置發送信號，對無人駕駛以及正常的攤鋪作業進行操控。而利用三維找平模塊下的參考站，向攤鋪機發送信息，由車載的激光接收器與3D控制器獲得信號，操控攤鋪機進行找平[2]。

攤鋪機在現場找平中，借助3D自動化手段，把既定的設計參數錄入相應的控制器中，生成數字化模型。依托于該模型，能支持帶有多次變坡與曲線的復雜化道路工程。現場施工中。利用對空間坐標信息的不間斷監測，能得到圖像等資料，為全程監控提供基礎條件。通過RTK技術，進行無樁化的作業，以預防人工干擾，形成施工誤差。另外，此種攤鋪機借助紅外掃描的技術，對當前攤鋪作業面的溫度，實現有效感知，并不間斷輸出材料溫度值，給之后的壓實作業，提供決策依據。

圖2 溫度顯示屏

2.1.2 壓路機

現有的壓路機類型有單鋼輪、雙鋼輪與輪胎機。無人駕駛的壓路機，可自行避障，并對現場路面壓實情況進行實時數據采集，對行駛路徑實施高精度的跟蹤管控，支持信息共享。同時，為確保施工質量，對碾壓過程中的材料溫度，自動采取全過程監測。和攤鋪機相較，其使用的車載智能化裝置比較少，僅有REK定位、溫度傳感裝置與加速度傳感裝置，具體安裝位置如圖3所示。借助圖中指出多個設備，能采集到溫度、位置、壓實度及次數。基于智能化系統，利用設定算法，確定當前路面相對薄弱的部分，進行再次碾壓。鑒于壓路機自身的破壞力，所以專門對其設置多重保障。首先，電子圍欄，根據道路施工路線，劃定作業區域，一旦壓路機超出設定范圍，會立即停車報警。其次，車載的前后組合式雷達，分別是激光與毫米波。如果壓路機在行駛中，行進方向有障礙物，會選擇減速或者直接停車。最后，智能防撞，按照車載的GPS定位，使車輛和現場其他機械與障礙物始終維持安全的間距。

圖3 壓路機智能裝置布局

2.2 土石方壓實機

壓實機的智能化系統中，結合路徑規劃與無人駕駛等科技，采取集中式的管控，目前最多能同時管理十五臺單鋼輪式的壓路機，符合智能化的路面壓實施工要求。如今，在機場及大壩等項目中有使用。此系統的運行程序主要分成三步，具體為：根據道路項目，設置移動控制基站，結合現場條件，連接市電或者發電機；確定工藝，測定施工區域各端的坐標，并確定機械的行進速度與次數等數據；現場施工中，采取無人作業模式，完全交給機群自動完成。

對于工地現場的各項參數進行檢測中，常規人工檢測僅能做到事后測量，而且操作工作量大，還容易形成誤差。而在智能化施工模式下，可實現在線檢測，借助相關性試驗，以及對現場壓實值的實時檢測，自動獲取施工數據。同時，利用精準定位，采集壓實度和對應的位置數據，支持作業質量的全過程監管，并完成記錄相關檢測數據，保障信息可查。

碾壓遍數與溫度控制表

2.3 智能管理系統

在智能化的施工模式下，包括工程、設備與應用三個管理中心，配置質量管理、設備管理等多項功能系統。其中，質量管理系統的處理信息是來自工地現場的數據資料，以對項目施工質量實現系統化的管理，繼而輔助相關操作者，提高對道路施工項目的管控精度。通過該功能系統，可將各項質量數據，以可視化的形式輸出，并支持靜動態的回放追溯，查看現場施工過程中的信息資料。另外，系統操作允許的用戶，能打印出紙質版的報告資料，并能進行定制化的設計，方便工程存檔與管理。而設備管理系統，結合物聯網技術，能取得現場施工成套機械的數據信息，為相關操控管理者，提供各機械的工作狀態資料，借此可省去部分管理費用，并保障設備本身的使用效率。另外，此系統還提供各設備的詳細信息，包括油耗及工作時間等，操作人員可直接查看當下某設備的資料，也能選擇某時間節點，了解歷史數據。通過此管理系統的應用，使相關管理者對設備有更清晰、全面的了解，利于優化管控成效[3]。

3 機械成套智能化技術試驗段項目簡述

2021年4月16日，安徽路橋集團為落實新設備、新技術使用，和三一重工聯合在安九二期望江縣G347PPP項目組織成套攤鋪機群無人駕駛施工成果展示。

該試驗段位于G347項目K8+850-K9+110（左幅），施工長度為260m。道路面層是改性瀝青混凝土，設置此試驗段的目的是檢驗無人駕駛在工程中適用性。攤鋪作業中，施工面寬度是10.5m，由一臺攤鋪機、兩臺膠輪壓路機和三臺雙鋼輪壓路機組成，攤鋪機拼裝寬度是10.25m，符合項目標準。現場攤鋪期間，溫度區間是165.1℃～171.3℃，符合瀝青作業最低溫度標準。攤鋪機剛啟動的前行速度是每分鐘0.6m，完成10m施工后，車輛速度基本穩定在每分鐘1.5m。

在碾壓作業中，設置三個施工階段。一是初壓，前靜退振一次，使用兩臺雙鋼輪，溫度條件達到150℃，車輛行駛時速是2km～3km；二是復壓，兩臺雙鋼輪進行兩次強振，兩臺膠輪共碾壓四次；三是終壓，用一臺新的雙鋼輪，進行1-2次收光。整個試驗段攤鋪、碾壓用時兩小時。

試驗段各項技術指標檢測結果如下。

①路面平整度檢測：共檢測2個車道，每50m為一點，共計10點，最大值為1.200mm，最小值為0.232mm,平整度平均為0.896mm，合格率為100%。

②壓實度檢測：共檢測4個點，芯樣毛體積密度最大2.456g/cm3，最小2.447g/cm3,相對馬氏密度（2.462g/cm3）壓實度最大值為99.6%，最小值為99.4%，相對于最大理論相對密度（2.569g/cm3）壓實度最大值為95.5%，最小值為95.2%，平均值為95.4%，空隙率最大值為4.7%，最小值為4.4%，平均值為4.5%，滿足設計要求。

③厚度檢測4個點，厚度實測值與設計厚度之差最大值為-0.2cm，厚度平均值為6.0cm,滿足設計要求。

④滲水試驗共測6個點，最大值為45ml/min,最小值為0ml/min，均符合設計要求。

整個施工攤鋪、壓實設備大部分是無人駕駛，在技術人員事先設定的模型中運行，但在攤鋪起步和抬板收工時由設備操作手操作，施工過程中技術人員用平板電腦進行微調。從施工過程和完工后的試驗數據可看出，無人駕駛施工是完全滿足相關技術規范要求的，基本上實現了路面攤鋪機群無人駕駛的應用。但是通過和三一重工技術人員交流得知，在路面施工的攤鋪起步、路面超高段和彎度過大時還需要人工干預，如果要大規模商用還需攻克以上難題。

4 結語

經過上文的探討，可以說，機械成套智能化的實現，使得道路施工具備高質、高效、節約與可視化的特點。根據規范化的工藝需要作業，完整保留施工資料，支持全天候的協同作業，省去時間、物料、人工等成本，并利用實時監控，使得施工進度、質量受到全方位的管控。