沥青路面智能压实与智能摊铺技术的发展现状与展望

摘要 文章针对国内外智能压实与智能摊铺技术的研究现状，分析了其优缺点，介绍了智能压实与智能摊铺技术的不同方法以及对智能路面技术的未来展望，与传统沥青路面的控制方法相比，3D智能摊铺技术依托Topcon-mmGPS数字化摊铺自动控制系统，主要包括测量系统和摊铺自动控制系统；智能压实技术（IC）是一种可以实时控制压实质量（CQ）的有效新技术，其配备了全球导航卫星系统（GNSS）、加速度计测量系统以及可以实时监测和控制压实的车载彩色显示器。

关键词 智能压实（IC）；智能摊铺；压实质量（CQ）；智能压实指标（ICMV）；压实参数

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）16-0186-03

0 引言

随着大数据和人工智能的快速发展，我国的交通运输建设更趋于智能化，正在向交通强国的目标大步迈进。路面是交通运输中最重要的基础之一，智能路面系统的提出更好地响应了我国当前关于绿色发展和传统路面安全的问题[1]，是目前的一个主流研究方向。其中，关于智能压实技术和智能摊铺技术的发展已见成效，并在实际工程中得到运用和验证，该文将从这两方面出发，对比传统沥青路面的控制方法，简述智能压实和摊铺技术的优缺点，并对智能路面技术的未来发展进行展望。

1 智能压实技术

压实是道路建设施工中最重要的环节之一，压实的质量直接影响材料的性能发挥，进而影响沥青路面的稳定性、强度和抗疲劳性。传统压实机及其质量控制程序可能出现压实过程中材料密度的不均匀，且压实后期进行的压实质量评估只限于手动检测一定数量的点，而使用的采样方法对路面具有破坏性，影响路面的后期使用性能[2]，这是传统压实方法导致路面寿命低的主要原因之一。而智能压实技术（IC）可以通过实时调整压实过程，识别质量不良的点，有效克服传统压实存在的部分不足。

1.1 智能压实技术的历史

智能压实技术最早由瑞典的Heinz Thumer于1974年开始研究，并将IC技术概念运用于土壤的压实特性研究。1975年其提出了智能压实指标（ICMV），并在Geodynamik研究中首次引入了该指标。压实指标使用谐波比，即振动轮动态响应信号分解得到的一次谐波与基波的比值[3]，并将其作为几项研究的主要刚度值参数。1980年后，各个厂商开始基于不同的测试参数开发自己的CMVs。2000年，Swanson等人申请了名为“压实材料密度测量和压实跟踪系统”的专利，该专利引入了全球定位系统（GPS）以测量热混合沥青（HMA）的压实密度，为现代智能压实技术提供了基础概念[4]。随后，众多国家加入智能压实技术的研究中，其中美国在该方面的技术最为成熟，并形成了较为系统的智能压实体系[1]。

智能压实技术在路面智能化施工方面有着良好的发展前景，目前已取得一定的研究成果。

2014年，Leyland等[5]对南非的试验路段使用了不同的智能压实方法，推动了南非传统路面的升级，并分析了在不同环境下使用智能压实的优缺点，研究发现智能压实技术在薄层或硬层上使用时缺乏敏感性。

2016年，Barman等利用美国俄克拉荷马大学Beainy等[6]基于人工神经网络的沥青路面压实度的质量控制方法设计了智能沥青压实分析仪（ICA），提出了一种系统的实时监测路基压实水平过程的方法。该研究发现，智能压实分析仪可以实时评估路基模量，以适应施工过程中质量控制测量的精度。尽管该研究结果的应用前景广阔，但由于目前测试主要集中在稳定的水泥路基上，未来仍需针对不同的路基类型和不同环境进行测试，以充分验证该技术的可行性。

2018年，Yoon等[7]研究了智能压实技术在热混合沥青路面质量控制（QC）和质量保证（QA）中的适用性，并在美国印第安纳州进行了问卷调查和电话访谈。他们提出了用智能压实指标替代原位密度测量的可能性，对提高路面使用性能和延长路面使用寿命具有积极意义。但目前仍缺乏可靠证据证明用ICMV代替原位密度测量的可能性，因此尚无法证明智能压实指标在热混合沥青路面的应用中的合理性，后续应进一步研究ICMV与HMA的相关性，以推动智能压实技术的发展。

Chang等[8]提出了结合智能压实和摊铺机安装的热分析技术（PMTP），以改善沥青路面的施工质量。该技术利用PMTP实时监测施工过程中沥青路面的表面温度、摊铺机速度、摊铺机停止时间和停止持续时间，再利用IC技术进行实时调整，从而监控整个摊铺的压实过程。

2021年，Chen等人提出了采用轧制均匀性指数（RUI）和轧制标准指数（RSI）控制压实质量，并通过原位测量的压实度和平整度评估该指标的适用性。此外，还提出了一种绘制轧制彩色地图（RCM）的方法，用于降低智能压实的数据处理量。该研究探索的RCM方法在实际工程施工中促进了智能压实的发展，提出的两个IC指标使IC技术代替传统监测方法成为可能。

Fathi等人提出了一种新方法，利用智能压实技术提取土壤和未结合骨料基础材料的模量进行质量管理，该方法利用机械学习、IC技术以及基于模量的现场测试作为校准过程，以评估压实材料的力学性质。该研究将人工智能技术和传统机械方法结合，将IC定位为一种适合压实材料质量管理的技术。

Fang等[9]研究发现，动态响应是智能压实技术的基础，但由于当前的研究尚未发现其变化模式和机制，利用有限元模型分析了其发展机制以及对压实指标的影响。

1.2 前智能压系统的优点及问题

1.2.1 优点

通过智能压实技术，驾驶员可以在驾驶室直接观测作业中的路面压实情况，实现操作可视化，从而降低驾驶过程中人为操作产生的过压或漏压风险[10]。智能压实技术能够实时记录压实数据，并在压实过程中对薄弱地区实施检验，使监测结果更具针对性，能够更全面地反映路面的压实情况。

智能压实可以实时监控整个压实过程，记录整个施工过程的数据和时间[11]，便于后期的养护维修工作，更快速准确地找到薄弱位置，降低养护成本。此外，由于数据的公开透明性，减少了人为造假或操作不当的风险。

1.2.2 问题

然而，智能压实技术引入了GPS定位技术用于收集压实过程的位移变化，这将涉及GPS定位基站的部署，大大增加了智能压实技术的普及成本。由于IC技术对定位精度有较高要求，当在GPS信号弱的山区或其他区域时，IC技术的使用将受到限制[12]，需进一步研究以寻求突破。

目前用于IC技术的压路机尚未能实现数据之间的共享，导致其应用受限，无法实现随意调配，从而降低了压实设备的综合利用率，同时增加了数据集中处理的复杂性。未来可着手开发基于存储IC技术数据的云端解决方案，将实时产生的数据上传到云端，提升调配效率，减少数据整合的工作量。

2 3D智能摊铺技术

沥青摊铺技术是道路施工中的核心技术之一，目前通常使用摊铺机进行施工[13-14]。传统的公路工程摊铺控制工作主要采用声呐追踪器或滑雪传感器，通过应用此类装置，以达到引导摊铺施工的效果。然而，传统的摊铺工艺存在一定的局限性：（1）施工前准备工作烦琐，综合效益较低。（2）施工精度受人工技术和施工机械影响较大。（3）施工环境恶劣，摊铺施工现场的沥青烟气对人体有害，年轻人不愿意驾驶这些设备，导致人工成本越来越高[15]。（4）需要施工人员全天候监控，浪费人力资源。

2.1 3D智能摊铺技术原理

3D 智能摊铺技术依托于Topcon-mmGPS数字化摊铺自动控制系统，主要包括测量系统和摊铺自动控制系统。测量系统主要由全球导航卫星系统（GNSS）基站、激光发射器和mmGPS流动站等三部分组成。摊铺自动控制系统主要包括机载GNSS/激光接收器、GNSS接收机和控制器。

测量系统的稳定运行和作业精度将显著影响摊铺质量，这一系统功能的实现得益于GNSS基准站、激光发射器和mmGPS流动站的共同配合。各部分装置形成协同工作机制，保证信息的有序流畅[16]。

2.2 3D智能摊铺技术的发展及其应用优势

针对3D智能摊铺系统进行原理分析及工程应用研究，发现3D智能摊铺无需放桩及架设基准线，施工灵活、高效，可实现自动变坡度施工。通过实际工程应用表明，该系统对平整度、厚度及线形的控制均达到了规范标准且精度较高。尽管在起步阶段和边坡区域，系统的平整度和厚度波动相对较大，但仍在规范限值内。

黄立明[17]结合调研资料、现场试验和理论分析，建立了一种基于公路工程3D数字化自动摊铺控制技术的新质量评价模式（包括路面高差等值线及基层面色标评价法），为现场施工人员实时掌握和改善施工质量提供了新方法。其提出的3D摊铺数字化自动摊铺施工工艺流程，为使用3D摊铺数字化自动摊铺提供了参考依据。

徐志勇等[18]运用3D智能摊铺系统在底基层和基层施工中发现，在高程精度控制方面，3D智能摊铺工艺在底基层路基的高程偏差为-0.02～0.02 m，修复比例提高了51%，而使用传统工艺仅提高13%和41%，因此，3D智能摊铺工艺较传统工艺而言，高程的精度控制更佳，并在提升平整度上也表现得更为明显和稳定。

结合各专家分析实践，3D智能摊铺技术的应用优势可总结为：（1）提高数字化施工水平。（2）工作流程精简。（3）全过程控制。（4）对人员需求量少。同时，从工程实践来看，3D智能摊铺系统的运行稳定可靠，施工效果满足要求，在确保施工安全和质量的前提下，有效减少了成本投入，提高了经济效益[19]。

3 我国智能压实与智能摊铺技术的发展与展望

为推动美国IC技术发展，美国联邦公路管理局（FHWA）交通联合基金于2007年发布了一项名为“路堤路基土壤、骨料基层和沥青路面材料智能压实技术的实施”的战略计划，该计划有12个州积极参与，并发布了IC技术应用规范，随后欧洲和日本也陆续制定了详细的IC技术标准。这些标准的实施显著提升了公路、铁路等民生工程的建设质量。然而，我国智能压实技术同国外同行业之间存在较大差距，且至今尚未建立智能压实系统的技术标准，为促进国内IC技术的发展并缩小与国际的差距，开展国内沥青路面智能压实技术标准的研究显得尤为迫切。

智能压实和智能摊铺技术仅是智能路面技术的一部分，除了发展智能压实技术并解决其存在的缺陷外，还需与其他智能路面技术配套协调发展，增强交互性。这涉及多学科的交叉问题，需要多个领域的科研人才共同合作才能完成，应充分发挥我国科研人员的人数优势，借助智能化手段提升未来工程的建设质量。

4 结语

针对我国目前的研究现状，路面智能化发展能够提高施工的精度和速度，减少人力资源浪费。但是，智能设备的运用仍处于不断发展变化中，需要不断地研究和更新设备，以期能够更好地帮助了解路面的相关性能发展，推动我国交通运输设施建设，早日达成交通强国战略目标。

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