高速公路工程施工机械自动化与无人化技术

唐小乂

（四川公路桥梁建设集团有限公司公路三分公司，四川 成都 610200）

0 引言

随着社会的发展和交通需求的增加，高速公路建设和维护工作变得越来越重要。在传统的施工过程中，人工操作机械设备需要耗费大量的时间和人力资源，同时也存在一定的安全风险。因此，研究高速公路工程施工机械的自动化与无人化技术具有重要的意义。通过引入自动化技术，可以实现机械设备的自主操作和监测，提高施工效率和质量，减少人为因素带来的错误和事故，实现施工过程的自动化、智能化和高效化，不仅为高速公路建设提供了新的解决方案，而且为社会经济发展和人民群众出行提供更好的道路条件。

1 机械自动化与无人化技术概述

机械自动化技术是指利用机械设备和控制系统来实现工业生产过程的自动化。它可以通过传感器、执行器和控制器等组件，实现对材料的运输、加工、装配等工序的自动化操作。机械自动化技术提高了生产效率和产品质量，减少了劳动强度和人为错误，促进了工业生产的现代化和智能化。无人化技术是指在特定的环境和任务下，通过无人系统和无人设备实现工作的自主完成。例如，无人驾驶技术可以使车辆在没有人员操控的情况下进行自主导航和行驶。无人机技术可以实现远程监测、勘察、运输等任务。无人化技术不仅提高了工作效率和安全性，还拓展了人类活动的范围和可能性[1]。机械自动化与无人化技术是现代工业领域的重要发展方向，它们以机器和电子技术为基础，通过自动化设备和系统的应用，实现对工作过程和任务的自主完成，减少对人力的需求。

2 机械自动化技术在高速公路施工中的应用

2.1 自动化挖掘机的应用

自动化挖掘机是高速公路工程中常见的施工机械之一，其应用可以大大提高挖掘作业的效率和准确性。传统的挖掘机需要由操作员手动控制，操作过程中容易受到人为因素的影响，导致作业不稳定和效率低下。而自动化挖掘机则可以通过激光雷达、摄像头等传感器感知周围环境，通过先进的控制系统自主地进行挖掘作业。它能够准确地识别地面的高度和坡度，自动调整挖掘深度和角度，避免因人为操作而引起的误差。此外，自动化挖掘机还能够通过实时数据分析和算法优化，实现智能化的作业规划和路径选择，从而提高施工效率和质量。

2.2 自动化铺设机的应用

自动化铺设机是高速公路施工中一种重要的机械设备，它主要用于沥青、水泥等材料的铺设和压实。传统的铺设机需要由操作员手动控制，工作过程中容易受到施工人员技术水平和操作疲劳等因素的影响，导致铺设质量不稳定。而自动化铺设机则可以通过先进的控制系统和传感器，实现自动化的施工过程。它能够根据设计要求自动调整铺设速度和压实力度，保证施工质量的一致性和稳定性。此外，自动化铺设机还能够通过实时监测和数据分析，及时调整施工参数，避免材料浪费和施工缺陷，提高施工效率和质量。

2.3 自动化压实机的应用

自动化压实机在高速公路的路面压实工作中起到重要的作用。传统的路面压实通常需要大型的压路机和熟练的操作人员，而自动化压实机的应用可以减少对人力的需求，并提高施工的效率和质量。首先，自动化压实机利用激光测距仪和振动传感器等高精度传感器，实时测量路面的坡度和密实度。这些传感器可以准确地获取路面的形态信息和振动情况。通过与预设的要求进行比对，自动化压实机可以根据实际情况自动调整振动频率和行进速度等参数，以达到最佳的压实效果。相比传统的手动调整方式，自动化压实机可以更加精确地控制压实过程，提高施工的稳定性和一致性。其次，自动化压实机具备自主导航和路径规划的能力。通过激光扫描仪等传感器，自动化压实机可以实时获取周围环境的信息，并根据预设的施工图纸和地形条件自动规划行进路径。这使得自动化压实机能够避免重复压实和漏压的情况，提高施工效率和压实质量。同时，自动化压实机还能够根据地形的变化实时调整行进速度和振动频率，确保不同部位的路面均匀受力，减少压实过程中的不均匀性。最后，自动化压实机具备远程监控和操作的功能。通过与中心控制系统的连接，施工人员可以远程监控和操作多台自动化压实机。这种远程操作方式不仅提高了施工人员的安全性，还大大节约了人力资源和运营成本。同时，中心控制系统还可以实时收集和记录压实过程的数据，为后续的施工质量评估和维护提供参考依据。

2.4 自动化混凝土搅拌车的应用

自动化混凝土搅拌车在高速公路施工中扮演着重要角色。传统的混凝土搅拌需要大量的人力投入和操作，而自动化混凝土搅拌车的应用可以极大地提高施工效率和质量。自动化混凝土搅拌车具备自动计量、自动搅拌和自动卸料的功能，可以根据预设的配比和搅拌时间自动完成混凝土的制备过程。同时，自动化混凝土搅拌车还可以通过传感器实时监测混凝土的流动性和均匀度，并根据需要进行调整和控制，以确保混凝土的质量和一致性。自动化混凝土搅拌车不仅提高了施工效率，还减少了人为操作的误差和浪费，同时降低了劳动强度和施工风险[2]。

3 无人化技术在高速公路施工中的应用

3.1 无人驾驶车辆在物料运输和清理工作中的应用

物料运输和清理是高速公路施工过程中必不可少的环节。传统的物料运输和清理通常需要大量的人力投入和时间成本，并且存在人为操作的误差和安全风险。而无人驾驶车辆的应用可以提高物料运输和清理的效率，减少人力投入和施工时间。一方面，无人驾驶车辆能够实现自主的物料运输。通过先进的导航系统和传感器，无人驾驶车辆可以准确地识别道路和周围环境，避开障碍物，并按照预定的路径进行物料运输。相比传统的人工运输，无人驾驶车辆能够提高运输速度和准确性，减少人力投入和运输时间。另一方面，无人驾驶车辆能够自动清理工地。在高速公路施工中，清理工地是一项重要且烦琐的任务。无人驾驶车辆通过搭载清扫设备和传感器，能够自主地清理工地上的垃圾和杂物。这不仅能够提高清理效率，还能够减少人力投入和降低清理工作对环境的影响。此外，无人驾驶车辆的应用还能够提高施工安全性。传统的物料运输和清理工作涉及人员在高速公路上行走，存在一定的安全风险。而无人驾驶车辆的应用则可以避免这些风险，减少人员在施工区域的活动，提供更安全的工作环境。

3.2 无人机和遥感技术在勘察和监测中的应用

勘察和监测是高速公路施工前期和施工过程中非常重要的环节。传统的勘察和监测通常需要大量的人力投入和复杂的操作程序，而无人机和遥感技术的应用可以实现快速、精确和全面的勘察和监测。首先，无人机在高速公路施工前期的勘察中起到了关键作用。无人机可以搭载高分辨率的摄像头和激光雷达等设备，通过空中拍摄和扫描，可以获取大范围、高精度的地形数据和图像。这些数据可以用于路线规划、地质勘察和环境评估等工作，为后续的施工设计提供重要参考。无人机还可以实时传输勘察数据，提高勘察效率和准确性。其次，遥感技术在高速公路施工过程中的监测中具有重要意义。通过搭载各种传感器和摄像头，遥感技术可以实时获取高速公路施工现场的各种数据，如地形变化、土壤湿度、施工设备状态等。这些数据可以通过远程监测系统进行分析和处理，为施工管理者提供及时的决策依据。遥感技术还可以自动识别和报警施工现场的安全隐患，提高施工安全性。此外，无人机和遥感技术还可以在施工过程中进行质量检测和维护。无人机可以飞越施工现场进行巡视，及时发现施工缺陷和质量问题，并通过摄像头拍摄和传输相关数据，为施工管理者提供及时的处理建议。遥感技术可以实时监测施工材料和结构的物理性能，如温度、压力、应变等，并进行预警和报警，保证施工质量和安全[3]。

3.3 机器人技术在施工作业中的应用

机器人可以在施工现场执行各种任务，提高施工效率和质量。首先，机器人可以用于环境监测和测量。在施工过程中，机器人可以通过传感器和摄像头等装置实时监测施工现场的环境参数，如温度、湿度和空气质量等，帮助工作人员了解施工环境的情况，机器人还可以进行精确的测量，如土壤、地下管线和道路等，以确保施工的准确性和安全性。其次，机器人技术还可以应用于建筑和维护工作。在高速公路的施工过程中，机器人可以承担一些繁重和危险的任务，如搬运重物、挖掘和填充土壤等。机器人具备稳定性和精确性，可以减少人力劳动的参与，提高施工效率和安全性。此外，机器人还可以用于维护工作，如维修和更换道路标志、路灯和护栏等。机器人可以以更快的速度和更高的准确性进行维修，减少对交通的影响和工作人员的风险。最后，机器人技术可以在施工垃圾处理方面发挥重要作用。在高速公路施工过程中，产生大量的垃圾和废弃物需要处理。机器人可以通过自动分拣和分类的方式，将垃圾进行有效的处理和回收。这不仅可以减少环境污染，还可以提高资源利用率。机器人的应用可以提高施工垃圾处理的效率和质量，减少对人力的依赖和风险。

3.4 自主导航系统在施工机械中的应用

自主导航系统是指通过先进的传感器和算法，使机械设备能够自主地进行导航和操作。在高速公路施工中，自主导航系统的应用可以大大提高施工机械的效率和安全性。一方面，自主导航系统可以实现施工机械的自动导航和路径规划。通过激光雷达、摄像头和GPS 等传感器，自主导航系统可以获取实时的位置和环境信息，从而确定最佳的行进路径。施工机械可以根据预设的任务和地形条件，自主地选择最优的路径，并避开障碍物和危险区域，提高施工效率和安全性。另一方面，自主导航系统还可以实现施工机械的避障和碰撞预警功能。通过激光雷达和超声波传感器等装置，自主导航系统可以实时监测周围环境，并预测可能的碰撞和危险情况。当施工机械接近障碍物或其他车辆时，自主导航系统会发出警报并自动采取避免碰撞的措施，避免事故的发生。此外，自主导航系统还可以实现施工机械的实时监控和数据反馈。通过传感器和无线通信技术，自主导航系统可以将施工机械的工作状态和环境数据传输到中心控制室，实现对施工过程的实时监控和数据分析。这不仅可以及时发现和解决问题，还可以提供数据支持和决策依据，提高施工的效率和质量[4]。

4 机械自动化与无人化技术在高速公路工程中的协同应用

机械自动化和无人化技术的协同作业是指将机械自动化技术和无人化技术相结合，实现机器人设备之间的信息共享和任务协调，从而实现更高效的协同作业。具体来说，机械自动化技术可以实现机械设备的自主感知和控制，从而准确地执行任务；而无人化技术则可以实现机器人设备的自主运动和作业，从而实现任务的快速完成。

在高速公路施工中，机械自动化和无人化技术的协同作业应用广泛。具体应用场景包括有以下几个方面：①在隧道施工中，可以使用自动化铲车和无人化运输车进行协同作业。铲车通过自主感知和控制，挖掘隧道土方；而运输车则通过自主运动和作业，将土方运离施工现场。这种协同作业方式可以提高施工效率和质量，减少人力投入和安全风险。②在桥梁施工中，可以使用自动化起重机和无人化焊接机进行协同作业。起重机通过自主感知和控制，准确地进行吊装作业；而焊接机则通过自主运动和作业，实现桥梁焊接。这种协同作业方式可以提高施工效率和质量，降低人力投入和安全风险。③在路面维修中，可以使用自动化修补机和无人化清扫机进行协同作业[5]。修补机通过自主感知和控制，进行路面修补；而清扫机则通过自主运动和作业，进行路面清扫。这种协同作业方式可以提高施工效率和质量，减少人力投入和安全风险。

5 结语

综上所述，高速公路工程施工机械自动化与无人化技术的发展，为高速公路建设带来了巨大的变革和进步。这些先进技术的应用不仅提高了施工效率，降低了成本，还减少了人为错误的发生。通过协同应用，我们能够更好地利用机械自动化和无人化技术，推动高速公路建设的进一步发展和完善。随着科技的不断进步，相信这些技术将继续创新和演进，为未来的高速公路建设提供更加可持续和智能化的解决方案，助力社会经济的发展和人民出行条件的改善。