沥青混合料智能摊铺、压实系统研究

赵曜 李康建 徐沣驰

摘 要：现代科技进步促使道路工程机械朝着智能化、数字化方向发展。通过在沥青混合料摊铺机和压路机上加装集成化车载设备与远程云计算中心协同工作，实现对沥青混合料摊铺与碾压作业的实时监控，以及对摊铺与压实质量的实时控制，有效提升摊铺、碾压作业的效率和质量。本文介绍了基于高精度GPS定位技术的沥青混合料智能摊铺、压实系统的组成与技术原理、功能特点与使用要点，为相关研究与应用提供参考。

关键词：沥青混合料; GPS; 智能; 摊铺; 碾压; 系统

中图分类号：U4115       文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2021）10-081-002

1.沥青路面摊铺、碾压作业

1.1沥青混合料摊铺作业

沥青混合料摊铺作业是指将拌制好的沥青混合料均匀地摊铺在已准备好的下承层之上。沥青混合料摊铺作业是沥青路面施工的基础环节，其施工质量直接影响路面的均匀性与平整性，是路面施工质量控制的基本保障。沥青混合料摊铺采用专用机械作业，主导机械是沥青混合料摊铺机（以下简称摊铺机）。

摊铺作业质量控制一般分为摊铺前的控制、摊铺过程中的控制以及摊铺后的质量检测等三个环节。摊铺作业前主要是准备下承层、确定摊铺机作业参数;准备下承层包括对下承层的质量检测、彻底清扫并洒布粘层或透层沥青，摊铺机作业参数主要包括熨平板的宽度、拱度和初始工作仰角、摊铺厚度以及行进速度等。由于摊铺作业后紧接着是压实作业，中间无间歇时间，因而摊铺作业质量检测一般是在压实作业完成后进行，包括平整度、压实度、弯沉、抗滑性能等。摊铺过程中主要是保证摊铺机按照设定参数连续作业，确保沥青混合料摊铺温度，同时发现离析、边角缺料等现象可及时进行换料和补料。可见限于传统摊铺机的智能化水平较低，摊铺作业中很难做到对沥青混合料的摊铺作业情况的及时反馈、快速调整和精确控制，导致沥青路面摊铺施工质量控制总是以摊铺前控制和摊铺后质量檢测为主，一旦发现问题就难以补救。

1.2沥青混合料碾压作业

沥青混合料碾压作业是指将已摊铺的沥青混合料进行均匀、充分压实，使沥青路面具有良好的使用性能。沥青混合料碾压作业是沥青路面施工的最关键环节，其质量好坏直接影响路面使用舒适度和服役年限，一直以来是路面施工质量控制的重中之重。沥青混合料碾压同样采用专用机械作业，主导机械是压路机，常以双钢轮压路机和胶轮压路机为组合碾压机械，双钢轮压路机在前、胶轮压路机在后。

碾压作业质量控制要点主要为：碾压温度、碾压遍数、碾压速度及碾压顺序。其中，碾压温度要求沥青混合料在规定的温度范围内完成碾压;碾压遍数要求各作业点压路机来回碾压的遍数不低于规定遍数;碾压速度要求压路机行驶速度满足规定速度范围;碾压顺序即不同压路机碾压的先后次序。沥青混合料碾压时，碾压顺序肉眼直观可见，碾压温度可通过现场测量得到，碾压速度主要由操作手控制，均是较为直观的控制指标。碾压遍数不仅涉及到多台压路机协同作业，且涉及到每台压路机的位置信息，因此碾压遍数多为人为主观判断，与真实碾压遍数间误差较大。

由上述分析可知，沥青混合料的摊铺与碾压作业质量控制要点可简单划分为温度、速度与位置三大要素[1]，国内外围绕摊铺、碾压作业质量提升开展了较为广泛的研究。一方面，从优化施工机械、施工工艺等方面入手，提高摊铺与压实质量。另一方面，随着精确定位、高精度传感器、移动互联网、无线通信、大数据、云计算、区块链等技术的发展，数字化、智能化机械控制技术在道路工程领域内得到越来越多的应用。近几年，沥青混合料摊铺机结合GPS技术的应用，为切实提高摊铺与压实作业效率、作业质量提供了有效方法[2，3]。

2.智能摊铺、压实系统的组成与技术原理

沥青混合料智能摊铺、压实系统，是通过在传统摊铺机和压路机上加装的集成化车载设备与远程云计算中心协同完成数据采集与传输、数据分析与处理、超标预警和修正指令下达等工作流程，以实现对摊铺、碾压作业的实时监控和对摊铺、碾压作业质量的实时控制。

2.1智能摊铺技术原理

摊铺机的数据采集，主要是指摊铺温度和摊铺机行进速度等数据的采集。整个摊铺断面的温度数据是通过在熨烫装置上均匀布设的红外温度传感器采集。摊铺机行进速度是通过基准站与移动站的差分定位测算得到。摊铺作业现场采集的摊铺温度、摊铺速度等数据可以通过LED显示屏实时展示，同时数据由无线传输模块传输至云计算中心进行计算分析。计算结果与设定的标准范围进行对照，若超出标准范围则会向摊铺机发出超标报警，计算结果一并推送给后台预设的施工管理人员。最后由管理人员下达修正指令，并通过摊铺机内搭载的控制终端完成对行进速度和行进路线的修正，以达到提高摊铺作业智能化水平的目的。

沥青混合料智能摊铺系统所安装的车载设备主要包括：各类传感器、高精度GPS定位终端、车载控制终端、无线传输模块和LED显示器等。各车载设备基本功能如下：

（1）安装在熨烫装置上的传感器有红外温度传感器、振动和倾斜角度传感器两大类，红外温度传感器用以实时采集摊铺断面的温度，振动和倾斜角度传感器用以实时采集熨烫平板的工作状态参数（包括振幅和倾斜角度等）。

（2）高精度GPS定位终端：在摊铺机行走过程中，同步接收差分信号和高程信号，经处理后实现对摊铺机行走位置的精准定位，同时测算出行进速度，绘制实时摊铺轨迹，实时掌握摊铺状态，为后续下达超标预警或修正指令等提供数据支持。

（3）车载控制终端：安装在摊铺机驾驶舱内，不仅能够进行摊铺层位、摊铺方向、摊铺标段、摊铺桩号等基本信息的输入，还可以将传感器阵列采集到的温度、振幅和倾斜角度等信息绘制成摊铺实时云图，分析温度离析区域和熨烫平板的工作状态。同时，驾驶员通过该控制终端可以直接下达行进速度修正指令，实现对摊铺速度的动态控制，也为后续的碾压提供参考数据。

（4）无线传输模块：将采集到的温度数据、行进速度等数据传输至数据分析中心，进行数据处理与分析。

（5）LED显示屏：实时显示传感器采集到的温度、熨烫平板的振幅和倾斜角度等信息，以及通过基准站、激光发射器和高精度GPS定位终端协同工作测算到的摊铺机行进速度等信息。

2.2智能碾压技术原理

智能碾压技术原理与前述智能摊铺技术原理相似，通过相关车载设备采集碾压温度、速度、位置等信息，由无线传输模块传输至云计算中心进行计算分析，具备超标报警等功能。与智能摊铺的主要区别在于：压路机振动频率采集、碾压遍数的分析及碾压遍数的可视化实现途径。

（1）振动频率分析。沥青路面压路机分为双钢轮压路机与胶轮压路机，其中双钢轮压路机带振动功能，施工工艺规定不同碾压遍数时，双钢轮压路机需开振，同时我国现行标准对振动频率（强振、弱振）有具体规定。系统通过在双钢轮压路机上安装振动传感器，采集振动压路机的振动频率和加速度。

（2）碾压遍数分析。碾压遍数即所有压路机经过某一点位的次数。智能压实系统，将路面范围分成n个细小的点位，将每台压路机的轮廓作为移动网格，计算所有移动网格覆盖路面范围内各细小点位的次数，作为各点位的碾压遍数。因此，实现碾压遍数计算，需要通过高精度GPS定位终端，对压路机进行“厘米级”定位，采集分析各点位与移动网格的重叠次数等数据[5]。

由于碾压作业为多台压路机同时作业，需要通过在施工现场建立局域网，保证机群协同工作，实现施工数据共享。云计算中心实时统计分析路面碾压情况，及时发现碾压不足区域以及碾压不均匀区域，并对碾压效果进行整体评价。同时，可以通过选取不同的压路机，查看任意压路机组合的碾压遍数，以分析各台压路机碾压工艺是否满足要求、压路机手操作是否熟练或者是否存在偷懒现象。

（3）碾压遍数的可视化实现途径。系统分析得到碾压遍数数据后，需以特定方式传达给系统用户，以加强压实质量管理。针对碾压位置描述的复杂性，系统通过3D仿真图形、以不同颜色区分各点位碾压遍数展示给用户。展示途径包括网页、手机及平板电脑，其中：

①压路机操作室安装有平板电脑，便于压路机操作手根据平板彩图信息掌握压路机当前位置、碾壓遍数、碾压速度，发现漏压位置后进行及时补压。同时引导系统具备超限语音提醒功能，能更好地引导操作手进行碾压作业;

②现场管理人员通过电脑与手机，指挥现场碾压作业;

③其他管理人员可通过手机与网页，远程掌握现场压实动态和以往压实数据[6]。

3.智能摊铺、压实系统功能特点

沥青混合料智能摊铺、压实系统可以通过移动端和电脑端对摊铺过程数据进行实时统计与分析，对所发现问题进行及时处理，主要功能包括以下几点：

（1）实时采集并分析摊铺全断面和碾压实时的温度数据，绘制温度云图、分析摊铺温度离析和碾压温度散失状况，掌握各时间点、各环节的温度分布均匀度。

（2）GPS高精度定位，实时掌握摊铺机、压路机的行进速度数据并绘制运动轨迹，真实还原现场摊铺与碾压全过程。

（3）具备摊铺、碾压数据现场实时显示和蜂鸣报警功能，及时反馈给现场操作手，指导操作手施工，对异常操作做到实时反馈、及时纠偏。

（4）摊铺、碾压数据实时发送至远程云计算中心进行存储和分析。施工管理人员可以远程实时监控现场施工情况查询，施工进度，可进行相关的统计分析工作、质量问题追溯。

4.智能摊铺、压实系统使用要点

沥青混合料智能摊铺、碾压系统在使用时，需注意以下几点：

（1）创建摊铺路段桩号基准点

在沥青混合料摊铺前进行充分准备工作，为后续摊铺作业的顺利进行创造良好的条件。除认真清理下承层、均匀撒布透层沥青或粘层沥青、对喷洒路段实行封闭管理等基本工作外，智能摊铺、压实系统需要进行前进路线的绘制，即在路线基准点、控制点的基础上，进行路线放点，并设置偏移宽度等参数，进行摊铺桩号的精确定位。摊铺桩号须在基站信号有效的覆盖范围内。

（2）摊铺层位数据的维护

路面是层状结构，沥青混合料摊铺时，在同一断面不同的竖向空间内，存在多个路面结构层，而智能摊铺系统无法自动区分不同结构层，因此需要技术人员进行层位数据的维护。

（3）温度修正传感器初始值

由于沥青混合料的表面温度与内部温度存在一定差值，需要对温度传感器采集的数据进行修正。修正值可由摊铺路段现场实测的温度值经理论公式计算得到，也可以通过经验判断，经验修正值一般取+8℃。

（4）加强管理人员技术交底

沥青混合料智能摊铺、压实系统是用以辅助管理人员对现场摊铺质量的管理，系统使用前需对管理人员进行详细技术交底，包括系统的技术原理、操作流程、各类终端（LED显示屏、手机APP、平板电脑、系统平台）使用方法以及一般故障排除等内容。只有管理人员熟练系统操作，方能真正实现智能摊铺、压实系统的应用价值。

5.结语

综上所述，沥青混合料智能摊铺、压实系统的实现得益于GPS技术、高精度传感器、移动互联网、无线通信、大数据、云计算、区块链等现代科技的发展。沥青路面施工中采用智能摊铺、压实系统，可有效提高摊铺作业效率和碾压质量，减少人为因素造成的施工质量问题，提升路面整体施工质量。相信随着人工智能和无人驾驶（操作）技术的发展，道路施工机械的智能化水平会得到有效提升，新一代沥青混合料摊铺、压实系统会继续朝着安全、效率、环保、可持续发展目标而努力。

基金资助项目：住房和城乡建设部科技计划项目（2019-K-140），南京林业大学青年科技创新项目（CX2019031）

参考文献：

[1]张锋.摊铺作业质量研究[D]西安：长安大学，2013

[2]高飞，白于洁，胡海东，等.智能监控系统在沥青路面摊铺施工中的应用[J]交通世界，2020，557（35）：9-10

[3]李青洋，刘天云，王澄.沥青路面智能化施工系统研究[J]公路， 2020，11：87-90

[4]王成龙.沥青路面智能摊铺控制技术研究[J]交通世界，2021，4/5/6：39-40

[5]张学金.沥青路面施工质量过程监控信息化技术研究[D]天津：河北工业大学，2015

[6]王永龙.智能压实卫星数据可视化处理[D]廊坊：北华航天工业学院，2015