路面机械成套智能化施工技术研究

朱小军 （安徽路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

现如今，多数产业都在寻求智能化的发展，施工领域中，已经有诸多设施实现自动化，但距离智能化还是有一定距离。单就道路施工而言，需要对路面平整度、压实度等进行控制，传统施工仅能进行事后现场测量，加重人工压力的同时，还容易有误差。而借助机械成套智能化，一人便可控制整个机群，压路机及摊铺机等均是无人驾驶，并能对各项工程质量参数采取实时检测，利于提升工程质量。

1 路面施工技术

常规的路面建设技术存在诸多不足。首先，施工条件上，现场作业环境不佳，而且劳动量多。其次，质量检测方面，主要是通过人工主观判断，极易出现检查不全面的问题。再次，管控模式有不足。路面施工采取事后检查的方式，使得过分强调结果，但忽略现场施工过程，同时，建设人员有较高的依赖性。最后，管理方法有缺陷，容易被人工干扰，未能实施全过程的管控，不利于锁定及追责质量问题。而运用机械成套的智能化施工方式，可使得路面项目兼顾施工与管理，一方面，在施工作业上，通过无人驾驶及机群联动、远程监控、预测维护等，实现对路面建设的全过程监管，同时还能进行预测。另一方面，在工程管理上，借助大数据与云平台等，对路面施工进行过程性的跟踪管理，对现场建设品质，实施不间断在线监测。并能基于工程的现实要求，提供个性化的服务[1]。

2 路面机械成套智能化的施工技术分析

2.1 路面作业机群

智能化的作业系统，综合应用路径规划与三维找平、可视化技术、无人驾驶等科技手段，构成的拥有高智能及无人化水平的成套施工机械。同时，搭配数字化的后台管理，对各机械采取数字化的全过程协同管控。在该系统中，划分出多个层次（如图1）。以应用层为例，主要功能：让各路面施工机械协同作业；在三维空间上，自动完成找平摊铺；路面现场作业中，可采取智能化的压实操作；基于施工现场条件，能迅速感知，并躲避行进障碍；结合施工现场布局情况，不断更新路径规划；将从现场采集到各类数据，生成统计报表，以供相关人员进行调整决策。其余还有平台层、网络层、感知层与设备层。其中的感知层，是借助各类雷达与GNSS定位、传感装置等，确定路面的压实度等参数，给机械人为干预操控与系统智能化动作，提供依据。成套的路机智能化系统主要构成如图1。

图1 智能化系统结构

2.1.1 摊铺机

无人驾驶的摊铺机中包含多项技术，主机中装配红外线的温度感应装置、定位天线、通信天线和激光找平装置。车载上的系统设备，可支持自动进行现场摊铺，并能对路面找平。对摊铺过程中的温度参数实施全过程检测，同时监测路径的情况，将采集到的所有信息，在成套系统中持续共享，使得操控数据能够不断更新，确保管控动作的时效性与可靠性。此外，无人驾驶技术的实现是基于施工项目的设计参数，导入到数字化平台与三维找平模块中，前者依托于计算机、数据平台及稳定的网络，形成定位基站；后者主要是利用施工机械上装设的激光发射器，生成参考数据。基于二者的数据处理，对摊铺机下达动作指令，该过程需借助无线通讯，实现信号传输。其中，通过定位基站，向摊铺机的控制装置发送信号，对无人驾驶以及正常的摊铺作业进行操控。而利用三维找平模块下的参考站，向摊铺机发送信息，由车载的激光接收器与3D控制器获得信号，操控摊铺机进行找平[2]。

摊铺机在现场找平中，借助3D自动化手段，把既定的设计参数录入相应的控制器中，生成数字化模型。依托于该模型，能支持带有多次变坡与曲线的复杂化道路工程。现场施工中。利用对空间坐标信息的不间断监测，能得到图像等资料，为全程监控提供基础条件。通过RTK技术，进行无桩化的作业，以预防人工干扰，形成施工误差。另外，此种摊铺机借助红外扫描的技术，对当前摊铺作业面的温度，实现有效感知，并不间断输出材料温度值，给之后的压实作业，提供决策依据。

图2 温度显示屏

2.1.2 压路机

现有的压路机类型有单钢轮、双钢轮与轮胎机。无人驾驶的压路机，可自行避障，并对现场路面压实情况进行实时数据采集，对行驶路径实施高精度的跟踪管控，支持信息共享。同时，为确保施工质量，对碾压过程中的材料温度，自动采取全过程监测。和摊铺机相较，其使用的车载智能化装置比较少，仅有REK定位、温度传感装置与加速度传感装置，具体安装位置如图3所示。借助图中指出多个设备，能采集到温度、位置、压实度及次数。基于智能化系统，利用设定算法，确定当前路面相对薄弱的部分，进行再次碾压。鉴于压路机自身的破坏力，所以专门对其设置多重保障。首先，电子围栏，根据道路施工路线，划定作业区域，一旦压路机超出设定范围，会立即停车报警。其次，车载的前后组合式雷达，分别是激光与毫米波。如果压路机在行驶中，行进方向有障碍物，会选择减速或者直接停车。最后，智能防撞，按照车载的GPS定位，使车辆和现场其他机械与障碍物始终维持安全的间距。

图3 压路机智能装置布局

2.2 土石方压实机

压实机的智能化系统中，结合路径规划与无人驾驶等科技，采取集中式的管控，目前最多能同时管理十五台单钢轮式的压路机，符合智能化的路面压实施工要求。如今，在机场及大坝等项目中有使用。此系统的运行程序主要分成三步，具体为：根据道路项目，设置移动控制基站，结合现场条件，连接市电或者发电机；确定工艺，测定施工区域各端的坐标，并确定机械的行进速度与次数等数据；现场施工中，采取无人作业模式，完全交给机群自动完成。

对于工地现场的各项参数进行检测中，常规人工检测仅能做到事后测量，而且操作工作量大，还容易形成误差。而在智能化施工模式下，可实现在线检测，借助相关性试验，以及对现场压实值的实时检测，自动获取施工数据。同时，利用精准定位，采集压实度和对应的位置数据，支持作业质量的全过程监管，并完成记录相关检测数据，保障信息可查。

碾压遍数与温度控制表

2.3 智能管理系统

在智能化的施工模式下，包括工程、设备与应用三个管理中心，配置质量管理、设备管理等多项功能系统。其中，质量管理系统的处理信息是来自工地现场的数据资料，以对项目施工质量实现系统化的管理，继而辅助相关操作者，提高对道路施工项目的管控精度。通过该功能系统，可将各项质量数据，以可视化的形式输出，并支持静动态的回放追溯，查看现场施工过程中的信息资料。另外，系统操作允许的用户，能打印出纸质版的报告资料，并能进行定制化的设计，方便工程存档与管理。而设备管理系统，结合物联网技术，能取得现场施工成套机械的数据信息，为相关操控管理者，提供各机械的工作状态资料，借此可省去部分管理费用，并保障设备本身的使用效率。另外，此系统还提供各设备的详细信息，包括油耗及工作时间等，操作人员可直接查看当下某设备的资料，也能选择某时间节点，了解历史数据。通过此管理系统的应用，使相关管理者对设备有更清晰、全面的了解，利于优化管控成效[3]。

3 机械成套智能化技术试验段项目简述

2021年4月16日，安徽路桥集团为落实新设备、新技术使用，和三一重工联合在安九二期望江县G347PPP项目组织成套摊铺机群无人驾驶施工成果展示。

该试验段位于G347项目K8+850-K9+110（左幅），施工长度为260m。道路面层是改性沥青混凝土，设置此试验段的目的是检验无人驾驶在工程中适用性。摊铺作业中，施工面宽度是10.5m，由一台摊铺机、两台胶轮压路机和三台双钢轮压路机组成，摊铺机拼装宽度是10.25m，符合项目标准。现场摊铺期间，温度区间是165.1℃～171.3℃，符合沥青作业最低温度标准。摊铺机刚启动的前行速度是每分钟0.6m，完成10m施工后，车辆速度基本稳定在每分钟1.5m。

在碾压作业中，设置三个施工阶段。一是初压，前静退振一次，使用两台双钢轮，温度条件达到150℃，车辆行驶时速是2km～3km；二是复压，两台双钢轮进行两次强振，两台胶轮共碾压四次；三是终压，用一台新的双钢轮，进行1-2次收光。整个试验段摊铺、碾压用时两小时。

试验段各项技术指标检测结果如下。

①路面平整度检测：共检测2个车道，每50m为一点，共计10点，最大值为1.200mm，最小值为0.232mm,平整度平均为0.896mm，合格率为100%。

②压实度检测：共检测4个点，芯样毛体积密度最大2.456g/cm³，最小2.447g/cm³,相对马氏密度（2.462g/cm³）压实度最大值为99.6%，最小值为99.4%，相对于最大理论相对密度（2.569g/cm³）压实度最大值为95.5%，最小值为95.2%，平均值为95.4%，空隙率最大值为4.7%，最小值为4.4%，平均值为4.5%，满足设计要求。

③厚度检测4个点，厚度实测值与设计厚度之差最大值为-0.2cm，厚度平均值为6.0cm,满足设计要求。

④渗水试验共测6个点，最大值为45ml/min,最小值为0ml/min，均符合设计要求。

整个施工摊铺、压实设备大部分是无人驾驶，在技术人员事先设定的模型中运行，但在摊铺起步和抬板收工时由设备操作手操作，施工过程中技术人员用平板电脑进行微调。从施工过程和完工后的试验数据可看出，无人驾驶施工是完全满足相关技术规范要求的，基本上实现了路面摊铺机群无人驾驶的应用。但是通过和三一重工技术人员交流得知，在路面施工的摊铺起步、路面超高段和弯度过大时还需要人工干预，如果要大规模商用还需攻克以上难题。

4 结语

经过上文的探讨，可以说，机械成套智能化的实现，使得道路施工具备高质、高效、节约与可视化的特点。根据规范化的工艺需要作业，完整保留施工资料，支持全天候的协同作业，省去时间、物料、人工等成本，并利用实时监控，使得施工进度、质量受到全方位的管控。