橋面瀝青混合料高質(zhì)量智能鋪裝施工技術(shù)應(yīng)用

劉廷杰、張韜、徐衛(wèi)峰

（昆山市交通工程發(fā)展中心，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

傳統(tǒng)的攤鋪機是人工駕駛的，在攤鋪機施工期間，其熨平板由平衡梁或掛線控制。行車軌跡由攤鋪機駕駛員決定，人工操作無法實時監(jiān)測攤鋪高程、攤鋪軌跡、攤鋪速度和混合料溫度等參數(shù)。為此，可將施工管控技術(shù)與3D 控制技術(shù)引入攤鋪施工中，實時監(jiān)測調(diào)整攤鋪狀態(tài)，提高攤鋪質(zhì)量，提高攤鋪機施工智能化水平[1-3]。近幾年，隨著國內(nèi)人工智能的不斷發(fā)展，施工質(zhì)量遠程監(jiān)控技術(shù)日趨完善，并投入實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)了攤鋪施工過程的監(jiān)管[4]。3D 控制技術(shù)將現(xiàn)代測量技術(shù)與攤鋪機結(jié)合，實現(xiàn)了攤鋪機熨平板高程的自動控制[5-6]。本文將兩種技術(shù)進行結(jié)合，研究出一種高精度瀝青攤鋪智能控制方法，為橋面的瀝青混合料智能化攤鋪提供新的發(fā)展思路。

1 基于北斗的瀝青橋面攤鋪管控系統(tǒng)

1.1 瀝青橋面攤鋪質(zhì)量管控關(guān)鍵指標

影響攤鋪機攤鋪結(jié)果的作業(yè)參數(shù)有很多，本文結(jié)合工程經(jīng)驗分析各作業(yè)參數(shù)對鋪層質(zhì)量的影響，最終選擇出攤鋪管控關(guān)鍵參數(shù)包括：攤鋪溫度、攤鋪速度、攤鋪里程等。

1.2 攤鋪機攤鋪軌跡實時定位及測速算法

本文采用北斗+GPS 的RTK 高精度定位技術(shù)，該技術(shù)是在北斗定位技術(shù)和普通RTK 定位算法的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的動態(tài)調(diào)整差分實時結(jié)算技術(shù)。與國內(nèi)GPS 信號不穩(wěn)定的缺陷相比，北斗+GPS 定位技術(shù)的穩(wěn)定性更高，并且擁有更優(yōu)秀的定位能力，通過實地在一個靜止點的RTK 定位實測數(shù)據(jù)，可知GPS+北斗的定位精度為平面±5mm，高程±1cm。通過將攤鋪起始點左側(cè)熨平板位置定義為基準點，以攤鋪縱向為縱軸，與攤鋪縱向垂直的方向為橫軸，建立攤鋪機施工坐標系。根據(jù)攤鋪機施工平面坐標，以開始施工時攤鋪機左側(cè)熨平板底腳位置為基準點，標記為O，將攤鋪機攤鋪時的橫坐標標記為A，縱坐標標記為S，則任意時刻定位位置的坐標為（Ak，Sk），如圖1 所示。

圖1 攤鋪機施工軌跡坐標系

則攤鋪機的縱向坐標如下：

式（1）～式（2）中：

X0——赤道至該點的子午線弧長；

B——以度為單位的緯度；

l——大地經(jīng)度與投影帶中央子午線經(jīng)度差，l=L-L0，其中L為點的經(jīng)度，L0為點中央子午線的經(jīng)度。

考慮橋面較寬的情況下多臺攤鋪機同步作業(yè)的情況，攤鋪機的橫向坐標可通過下列公式計算：

式（5）中：T為采樣間隔。

2 基于3D 機械控制的高精度攤鋪技術(shù)研究

2.1 攤鋪高程3D 自動控制系統(tǒng)研究

攤鋪機熨平板3D 機械控制技術(shù)涉及空間信息、傳感器技術(shù)、機械設(shè)計、液壓、自動控制等多個學科，其工程適用性強、攤鋪效率高、受人為測量誤差影響小，可用于高精度、大規(guī)模橋面攤鋪作業(yè)的技術(shù)。根據(jù)攤鋪機自身的特點，結(jié)合其作業(yè)過程，3D 機械控制系統(tǒng)由攤鋪機、量測設(shè)備、機載設(shè)備以及軟件系統(tǒng)組成。為保證橋面的攤鋪高程，本文以熨平板作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，設(shè)計時在熨平板兩端設(shè)置雙360°棱鏡，使左右兩液壓缸分別獨立控制，實現(xiàn)熨平板高程控制和姿態(tài)調(diào)整，總體設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 熨平板姿態(tài)測量與控制原理研究

瀝青混合料攤鋪過程中需要實時監(jiān)測攤鋪機熨平板的姿態(tài)，利用控制算法在攤鋪作業(yè)過程中使熨平板按照控制文件調(diào)整姿態(tài)，提高作業(yè)精度。本文選用雙360°棱鏡和傾角傳感器進行熨平板姿態(tài)的測量，攤鋪機熨平板的姿態(tài)控制原理如圖3 所示。

圖3 數(shù)字化施工三維數(shù)字建模

3 工程應(yīng)用與社會經(jīng)濟效益分析

試驗段按照傳統(tǒng)攤鋪和3D 攤鋪兩種方法平行施工，攤鋪機1 安裝3D 控制系統(tǒng)，攤鋪機2 采用傳統(tǒng)2D攤鋪控制方式。為了對比傳統(tǒng)攤鋪和3D 攤鋪施工技術(shù)質(zhì)量方面的差異，按照每公里為一個單元采集線形、平整度、厚度和壓實度等數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1-表4所示。

表1 線形檢測數(shù)據(jù)

表2 平整度度檢測數(shù)據(jù)

表3 鉆芯取樣厚度檢測數(shù)據(jù)

表4 壓實度檢測數(shù)據(jù)

由表1-表4 可知，橋面智能施工技術(shù)可以精確控制橋面高程、平整度，保證壓實質(zhì)量的均勻性、可靠性，實現(xiàn)橋面施工的精準化、智能化、自動化、標準化等目標。

4 結(jié)語

本文結(jié)合橋面攤鋪施工質(zhì)量面臨的問題，圍繞“信息化”和“3D 機械控制”兩個方面，針對攤鋪機開展橋面智能施工技術(shù)應(yīng)用研究，開發(fā)了基于北斗+GPS 高精度差分定位技術(shù)的攤鋪軌跡和攤鋪速度算法，并結(jié)合實際工程應(yīng)用對比傳統(tǒng)攤鋪方法，可知本文所研究的技術(shù)可以明顯提升橋面施工質(zhì)量，具有良好的社會效益。