基于无人驾驶的高速公路路基智能压实技术实践

张扬

（黑龙江省交投公路建设投资有限公司）

1 引言

随着“新基建”的逐步落实，高速公路施工的各个阶段逐渐向信息化、智能化[1-2]发展。将通讯[3-4]、定位[5-7]、自动控制[8-9]等多种技术结合起来，采集施工过程中的数据，并运用大数据分析及统计方法处理数据，从而监管施工质量。

目前，高速公路路基压实施工的压实路径难以通过人工精准控制，压实后的路基依然存在质量问题。国内外学者已通过建立路基压实质量模型[10]及压实反馈方法[11]进行分析，研究了智能压实监控技术[12]。因此，需要结合先进技术手段，使压路机能够做到无人驾驶压实，提高路基施工质量，保障施工安全。

本文通过对5G通信技术、定位技术、无人驾驶控制技术在公路施工方面现状及原理的分析，研究融合多种技术的高速公路智能压实技术的整体架构，并在黑龙江省哈肇高速公路施工中进行应用，为提高现有公路施工速度及管理效率提供技术支持。

2 智能压实关键技术研究

2.1 5G通信技术及北斗定位技术研究

2.1.1 5G通信技术研究

现有研究表明，5G通信技术可在自动辅助驾驶、路况安全反馈等方面应用。5G网络的高速度、低延时特点保障了工程机械设备信息实时反馈，减小了安全制动的反应时间及距离。5G通信技术应用于公路施工，既要实现通信系统的多节点接入和长距离传输，还要保证数据传输的时效性和安全性。

根据目前高速公路5G基站的覆盖现状和规划分析得到公路高速公路5G覆盖存在车体穿透损耗大、业务切换繁忙等特点，为扩展5G宏站网络覆盖范围，应加强对5G微站的建设，经研究采用3.5GHz和2.1GHz频段分场景混合组网覆盖于高速公路施工现场的方案。

2.1.2 北斗高精度定位技术研究

北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。目前，在公路工程方面，已应用RTK定位技术、集成地理信息系统和计算机技术。公路工程无人驾驶机械施工的精准定位服务都是采用网络辅助信息+差分BDS等技术手段。而千寻定位自建地基增强系统，联合运营商提供服务，降低设备成本，还能结合高精度地图，帮助无人驾驶设备对环境进行感知，获取环境信息并计算，从而进行自主决策。

目前在公路工程的施工现场，主要应用的定位方式分别为北斗辅助定位技术的差分基准站定位或北斗地基增强系统的千寻定位，两种差分基站布设路径及其他主要参数比对如表1所示，应根据实际网络基站布设情况及预算要求选择差分基准站定位或千寻定位。

表1 差分基站布设路径分析表

2.2 无人驾驶自动控制系统研究

无人驾驶压路机自动控制系统是以计算机为中心，通过软件及硬件设计进行环境感知、路径规划、自动控制的智能系统。无人驾驶压路机自动控制系统架构如图1所示。

图1 无人驾驶压路机系统架构

压路机采用“IF-THEN”决策系统，依据具体规则编程。感知层通过定位接收机、角位移传感器、超声波雷达感知施工环境和压路机自身状态。规划层采用工控机、自主研发平台或第三方研发平台以满足计算机各类控制单元需求，结合施工区域信息、碾压施工工艺信息自动规划施工轨迹和纠偏、避障措施。控制层通过电控硬件，应用自动控制算法控制压路机行驶、转向、碾压、避障等，使压路机完成限定区域及条件下的无人驾驶。

3 无人驾驶智能压实的系统设计

无人驾驶压实除应用以上几种技术外，还要综合运用自动驾驶技术、动态避障技术等，同时还与人工智能、大数据等技术进行有机融合。

3.1 无人驾驶智能压实系统框架设计

根据以上对5G通信技术、北斗定位技术、自动控制技术的技术原理，以及多种技术应用于无人驾驶压路机的研究，得出无人驾驶智能压实系统框架如图2所示。

图2 无人驾驶智能压实系统框架

无人驾驶压路机严格按照道路设计数据进行施工，在保证施工工艺的基础上，结合路基压实度检测系统，通过RTK定位模块、加速度传感器、红外温度传感器对位置、压实遍数、压实温度进行实时动态监测，并通过5G网络进行数据的传输和机器间的信息交互。

3.2 无人驾驶压路机应用分析

目前黑龙江省高速公路哈肇段的建设为本研究的主要测试路段，全线采用沥青混凝土路面。试验段全长500m，桩号为K83+000～K83+500，上基层材料为ATB-25粗粒式沥青碎石，路面设计宽度为23.5m，为双向4车道。

本研究无人驾驶压实试验段在无人驾驶智能施工控制管理平台中得到的压实轨迹云图，如图3所示。

图3 无人驾驶压实轨迹云图

通过使用image Pro plus软件对图3进行处理，捕捉不同颜色所占路面的比例，得到不同压实遍数占试验段施工区域的比例，如表2所示。

表2 无人驾驶压实遍数比例表

由图3和表1可知，无人驾驶压路机压实过程中，压实轨迹均匀整齐，能够清晰地看出压实重叠区域的压实情况，且压实施工达到要求的压实遍数面积占比能够达到97.91%。由于5G网络和北斗高精度定位技术的共同应用，结合自动驾驶控制器准确定位压路机，精准控制无人驾驶压路机压实路径及转向角度，同时通过压路机之间信息的交互，智能控制各压路机交叉作业，从而使无人驾驶压路机压实的轨迹均匀。

4 结语

通过对智能压实施工多种技术原理及应用分析发现，采用5G混合组网的方式对高速公路施工现场进行通信全覆盖，能够加快无人驾驶施工机械与管理平台间的信息反馈速度，大幅度降低反应延时。而5G通信及北斗高精度定位技术的融合，则更精准地控制了无人驾驶压路机的碾压轨迹、碾压质量。通过多种技术与车载传感器和智能压实检测系统对无人驾驶压路机施工的综合控制，可保证压路机运行的安全。

经工程实际应用发现，无人驾驶压路机的作业轨迹更加均匀，避免了传统人工驾驶压实导致压实效果不均匀的问题，还能够达到省时、省人、节约成本的目的，提升高速公路路基压实的施工效率，是公路工程施工领域技术革新的重要发展方向。