数字化施工在普通公路工程中应用的展望

朱艳飞 王悦娟

摘 要：随着计算机和各种先进技术的飞速发展，传统的施工管理也受到了前所未有的挑战，这就使数字化施工的概念登上了舞台。它包括全部施工资料的数字化、传播化、智能化和透明化。其核心思想是用数字化手段整体解决工程所遇到的各种问题和其他主要事项，最大限度的利用信息资源在单位时间内达到最大的使用效率。

关键词：公路施工;数字化;智能压实

本文介绍了公路工程数字化施工概念，分析了公路工程机械化压实施工关键技术，重点介绍数字化施工中智能压实的应用，并对数字化施工与传统施工经济效益进行了对比，证明其在工程建设领域具有多种优势，有广阔的使用空间及推广价值。

1 公路施工中数字工地系统构成及应用概述

公路基础设施建设对一个国家、一个民族、一个地区的经济发展至关重要。“高楼万丈平地起”基础是关键，数字化施工智能压实监控技术的应用有利于推动公路基础设施建设快速发展。

随着国民经济和科学技术的快速发展，国内外许多大中型企业正在利用互联网云技术，提高产品质量，促进企业发展。公路作为国家基础行业，其施工质量的优劣和施工速度的快慢直接影响社会效益，利用数字化提高公路基础的碾压密度，智能压实监控技术的运用迫在眉睫。

建设是发展，养护也是发展而是更大的发展。

我国普通干线公路网以形成“五纵七横”格局，北京以101国道京沈路第一条放射线开始，构建京津冀一体化环形路网体系逐渐形成。然而面对与日俱增的交通流量以及超大型的重载车辆，对现有公路基础设施承载能力是个考验。

以密云区近几年公路大中修工程为例，其工程立项的原因主要是路基薄弱承载能力差，加上水害的侵袭等。用数字化提高路基压实密度，建立智能控制系统是关键。从施工开始，对每一道结构层的压实度进行全程监控层层把好质量关。采用人为取样方式，远远落后于机械化摊铺、碾压。虽然有监理人员旁站，（所用材料为工厂出品）其摊铺厚度、碾压遍数都符合设计要求，地理环境、水文等地质条件是影响压实密度不可忽视的重要因素。如果采用智能压实监控系统，就能把事后取样监测，变成过程监控、远程监控、24小时监控，把监测的信息数字化，把隐秘工程变成阳光工程看得见摸得着，确保工程质量，提高工程进度，减少返工率，降低企业风险，提高企业经济效益。

其原理是通過共振的过程得出一组或多组振荡曲线（用数学概念）进行数据分析，其振荡厉害曲线越不稳定，当跳跃的频率与被压材料固有的频率一致时，振动压实是最为有效。

这好比中医号脉，西医测心电图。一端固定在压路机，一端通过云技术传递到电脑上，通过振荡曲线与设定值相比，振幅越大曲线高低不稳，反映基础不密实。利用云技术室内能控制室外，不是说监理和试验人员坐在室内不出屋，正常打孔抽样检测还应该继续进行。待掌握云技术之后，室内代替室外，室内代替现场一切都有可能。现在只是完善发展阶段，利用科技资源，应该发挥年轻优势，利用科技资源服务于本单位本企业。不见风雨怎能见彩虹，创新是青年永恒的主流，与时俱进是企业发展的方向。

智能压实监控系统的建立，有利于新材料、新工艺、新技术在公路工程中推广与运用，有利于科学技术的发展，利用科技术为领导决策提供科学的理论依据，具有划时代的意义。

2 公路工程数字化施工概念

公路工程数字化施工是指运用计算机、数字化测量系统、数字化监控平台、网络可视化系统，通过过程数据采集、传输、存储、分析、挖掘和备份，将公路工程前期筹划、机械施工、工期控制、质量控制及后期养护整个过程数字化、信息化、智能化，更加准确高效的配置各种生产要素及预测工期进展。通过数字化施工系统平台进行三维设计，并通过可视化技术将图纸转化为立体图形，更加直观的辅助工程施工及工程量计算。通过数字化机械引导，提高施工效率、缩短工期，同时达到节约成本、提高工程质量的目的。

3 数字化施工主要技术应用

3.1 三维设计的应用

土方开挖阶段运用三维数字建模技术将二维设计转换成三维实现从勘察、设计、施工到运营维护过程整合的必要载体。通过可视化设计、参数化设计干涉施工检查、进行虚拟施工，自动计算土方量，达到减少人工计算工程量。

3.2 数字化测量系统

在工程施工中根据环境不同使用高精测量设备，在GPS、GLONASS、伽利略以及北斗等定位系统基础上以方格网形式快速、动态测量实时数据传输与自动计算。无需打桩及放线，减少测量工作。

3.3 数字化机械引导、控制系统

在公路工程建设中，在挖掘作业、土地平整、压实控制及精细平整过程通过机械自动控制技术达到提高施工效率，缩短工期的目的。在公路建设中，机械自动控制由GPS系统和GCS系统组成，涵盖推土机、平地机、压路机、挖掘机和摊铺机等多种施工机械。

GPS系统用于工地定位技术，光学技术和通讯技术结合的专门针对工程建设而设计的工程测量技术。机械控制产品 – GCS系统是土方基础革命性的施工方法，指导人如何施工。在挖掘作业、土地平整、压实控制和精细平整发挥着重要作用。

机械控制技术集合了激光、声纳、角度传感器、GNSS、全站仪等测控技术，与工程机械完美结合，实现数字化施工。机械控制技术相对于传统的施工机械具有提高效率、缩短工期、节能环保，节约成本，提高利润， 过程质量控制， 提高工程现场人员安全性等优点。

3.4 网络通讯技术

工地数字化施工系统支持无线传输，通过综合通讯组网实现电台通讯，WIFI无线网络、GSM移动无线网络、公网光纤接入，实现施工数据的上传和下载。在统一的平台上获取各方所需的全部信息，通过职权划分项目现场和总部各级管理者可通过浏览器登录服务器，下载施工数据。

4 智能压实工程数字化施工国内外现状

公路施工中，经过多年摸索，人们已经认识到，压实是被压材料、压实设备及压实工艺为一体的综合技术，在压实技术发展的初期，人们往往注意压实设备的改进和发展，而忽略了压实工艺和被压材料的研究，直到研究振动压路机的振动参数优化时，人们开始注意到被压材料和压实设备之间是有关联的，应该把它们作为一个整体来考虑，只有将振动压路机的振动频率选择在被压材料共振频率附近，才能获得该材料的最佳压实效果。从此，人们开始注意到被压材料在压实技术中有着不容忽视的作用。其中，随着现代高科技向传统产业部门的渗透与改造，它导致了压实过程的自动监测、自动控制和自动调节技术的迅速发展。

二十世纪六十年代初，有人提出利用振动部件与基础之间相互作用的动力特性来判断压实进程进展状况的设想。这种方法的原理是建立在如下认识的基础上的，当地面在振动部件的作用下逐步压实时，地面——机器系统的动力特性也在变化，这种变化将指示出地面承压能力变化的相对数值，从而也反映了地面被压实的程度。最先将这一思想变成现实并安装在压路机上的一种压实度监测装置是H.Thurner博士的专利。随后八十年代，瑞典dynamik公司研制成功压实度计。该仪器装在振动压路机上，整个系统由一台振动压路机、一台压实度仪、一台压实记录系统构成智能压实度控制系统。通过测量振动轮振动垂直加速度波形的畸变程度来评价被压材料的压实程度，利用振动波的基波和二次谐波的比值来表示振动波形的畸变程度，通过常规试验对比，得到压实度值。在压实过程中，驾驶员可以从压实度计上随时了解压实质量。九十年代，德国bomag公司研制出omega压实度仪。其原理是利用一个加速度传感器来记录振动压路机压实轮的垂直加速度值，所测信号经微处理器计算后得出压实度值，显示在仪表盘上，压实度值随着压实土层的密实度增加而增加。被压实土层的压实度越高，压实度值就越大。对于给定的路基土层和振动压路机，总存在一个最大的压实度值，当压实度值停止增大，压路机司机就知道了进一步压实不会再增加压实度。随后bomag公司又推出了新的压实度检测系统。该系统原理是根据被压实材料的密度变化自动选择适当的振幅，以优化激振力的输出，以实现振动压路机的智能控制。

目前，国内在系统硬件设计和防护方面还处于起步阶段，研发部门少，总体技术产品不成规模，供应体系单一，缺乏技术服务保障，在特殊应用环境复杂的情况下，很难维持正常运行。近年从国外引进了控制系统设备，工业控制芯片不断更新，精密传感器，高精度定位在硬件方面都有所改善，在稳定性、易用性、防护等级等各个方面都有了很大的提升。

国内外已研发出多款智能压实控制系统的软件。国外的系统在软件方面已经历实际检验，并在不断完善中;国内在应对本地化的特定需求的情况下，同时具有实时高精度数据采集、无线数据传输、阶段统计分析、动态施工数据可视化、事后过程回溯功能的全流程多角度的控制软件比较罕见。

自从瑞典开发了用于振动压路机的机载压实度计后，国内相关企业在八十年代后期开始了压实度仪的研究工作。江苏某仪器厂曾开发了机载压实度检测仪，该仪器采用数码管显示，没有应用计算机智能控制技术。2001年陕西省西安市铁道部二十局工程机械厂，率先在国内大吨位振动压路机上试装国外产的压实度仪，该厂购买了bomag公司的压实度仪装在新开发的振动压路机上。河北工业大学经多年研制，开发出压实度智能检测系统，该压实度智能检测系统的基本工作原理是：在压实初期，基础的弹性刚度较小，阻尼较大，系统响应较小。随着压实遍数的增加，基础的弹性刚度变大、阻尼变小，系统的响应不断增大，振动轮的动力学参数的变化与基础的压实度变化密切相关，振动轮的垂直加速度与基础的压实度正相关。通过振动轮的动态响应来检测基础压实情况，能更好地反映路基下层的状况及承载力。该系统技术核心在于对压实轮与被压实材料相互作用的动力学关系的分析方法，并应用数理统计理论，编写出具有一定置信度的推断软件，将实测加速度值与固化在仪器中的标准数据对比，形成内置专家系统，通过运算、分析，可以得到压实度、振动频率、压路机运行速度等值。

综上所述，压实技术的发展中振动压路机的出现是压实技术的一次重大的革命，而随机压实度仪的出现是压实技术中压实度智能实时检测的一次飞跃.而随机压实度检测技术与网络化、智能化、自动化的有力结合将为振动压路机的无人化和智能化打厂良好的基础。

5 连续压实检测技术

公路施工压实质量对于道路来说非常重要，不密实的路基将会出现整体强度不足、沉降不均匀或变形过大等问题，从而影响路面结构安全，特别是在我国公路建设中普遍存在的不均匀沉降病害，造成桥头跳车、路基开裂等问题。目前，我国控制压实质量主要是通过检测压实材料密度或变形指标来实现，相应的方法包括压实度检测、弯沉检测、回弹模量检测、阻力检测和孔隙率检测等，这些传统控制方法一定程度上不能适应我国交通建设高速发展的现状，综合来说主要存在以下问题：

（1）传统的检测方法属于事后检测，不能及时发现问题;

（2）传统的检测方法基本上属于单点检测，干扰施工流程，占用宝贵的施工时间;

（3）单点检测适合样本总体均匀的情况，当填料存在变异时，抽样点代表性差;

（4）单点检测发现不合格部位时，难以界定处理的范围;

（5）传统的检测方法存在效率低，精度低，工作强度高，易产生失真数据等问题。

连续压实检测技术的出现，较好的解决了上述问题。路基的智能压实控制技术是在路基填筑碾压過程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过连续量测振动压路机振动轮竖向振动响应信号，确定响应信号和压实质量的关系，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制。这项技术涉及机械、材料、电子、信息、通讯、检测、统计学等多个领域。在施工过程中，通过连续采集压实数据，达到实时监测压实效果，降低检测强度、减少检测费用、加快施工进度的目的，并可实现远程智能实时监控。

6 数字化施工在项目监控的应用

6.1 实时压实状态

实时压实状态为接收GPRS发送来的压实数据，并对数据实时解析，生成压实现场的状态模拟图形，其部分功能类似与机载终端的压实状态模块。

6.2 压实状态汇总

指非实时性的对现场压实情况进行汇总性了解，可通过地图控件显示当前压实状态点并选择其显示依据;如：压实度、高程、速度、振动频率、压实层数、压实遍数等;可通过单击某一地图信息点，可了解当前点的压实度、高程、速度、振动频率、当前压实层数、当前位置点压实遍数、差分状态等信息。

6.3 轨迹查看

轨迹查看为将车辆运行轨迹记录、并在地图控件上显示其运行轨迹。以方便确定车辆现场的运行状态。

6.4 任务监控

后台管理人员可以通过GIS界面看到自己管辖范围内的所有在执行的掘路回填压实项目，每个项目的进度、质量情况等信息。出现问题的项目会以突出形式显示并闪烁。

7 数字化施工中智能压实的优势

公路数字化施工中智能压实（即连续压实）相对于传统施工具有如下优势：

7.1 提高施工效率，缩短工期

（1）减少70%的检测人员，无需等待结果;

（2）提升机械施工效率15%以上;

（3）实时全程控制，可在最短时间内以最好的质量完成项目。

7.2 节约成本

（1）降低成本，节约油耗;

（2）减少作业人员数量并降低对人员技能数量度的依赖;

（3）減少返工所带来的资源损耗。

7.3 提高施工质量

（1）施工过程实时控制，避免人为影响;

（2）精确控制厚度、压实度。

7.4 实时过程控制

（1）精确控制一次成型;

（2）遇到病害，可随时识别，并提出精确治理措施;

（3）实时显示施工报告，随时掌握施工效果，避免事后控制带来的返工。

8 数字化施工在普通公路工程中应用的展望

数字化施工包括测量、机械控制、网络通信等诸多方面，每一点都需要挖掘发展。作为普通公路施工中连续压实质量控制研究的一环——智能压实。密云公路将从实际施工的角度出发，对于理论上GPS+加速度计+云平台的新型组合发展前景予以应用。

2019年初，密云公路将智能压实的应用列入落地实践，在通怀路施工中进行的联机检测，通过实践确保理论上的可行性。并与北京交通运输职业学院、北京养护集团合作对智能压实在路基施工中病害的识别进行了测试，取得了一些数据。据计划在2020年底将采集的数据进行分析整理，推进公路工程施工智能压实监控技术标准化研究以及路基智能压实技术填料病害识别分析与应用。