基于3D數字化自動攤鋪控制系統的瀝青混凝土路面應用研究

黃立明

寧德市蕉城宏鑫交通工程投資有限公司，福建 寧德 3521000

隨著國內經濟發展和交通發展要求的不斷提高，不僅要求公路路面滿足安全經濟，舒適性能的要求也有所增加，也就要求路面施工質量也更加追求極致，對路面平整度的要求也越來越高，這就對瀝青攤鋪的水平提出新要求。基于數字技術的控制器具成為高性能攤鋪機數字控制器的主流方向［1-3］。數字式超聲波控制技術與微電腦恒速控制是目前國內外普遍采用的方法，且國內外普遍將先進的超聲波和激光等非接觸式自動找平裝置應用于瀝青混凝土攤鋪機上，提升其對環境條件的適應性［4-5］。徐工通過承擔“十五”國家863計劃，“機群智能化工程機械——智能攤鋪”項目和國際合作開發，創新運用現代網絡、通訊、信息和微電子等技術研發了RP952/RP902E型攤鋪機，使得產品的技術性能躋身于國際水平［6］。本文研究了瀝青路面3D智能攤鋪技術并對其在道路工程中的應用效果進行調查，旨在增強瀝青路面施工過程中的信息化管理和控制，進一步提高瀝青路面施工質量。

1 數字化智能攤鋪控制系統

1.1 mm級GPS智能攤鋪控制系統硬件組成

mm級GPS數字化攤鋪智能控制系統是一種光機電液一體化智能控制系統，這種系統可用于對道路施工作業面的高精度整平，能夠專門與相關施工機械配套并提高自動化水平。有四大部件組成，包括GNSS基準站、mm級GPS流動站和相應測量系統及測量數據設計軟件和等。mm級GPS數字化攤鋪系統可完成對攤鋪機精確控制、熨平板實時定位和完全自動化施工作業。

1.2 mm級GPS數字化攤鋪自動控制系統工作原理和適用范圍

數字化攤鋪系統是通過無線電發射器、GNSS基準站能夠實時地向設定的流動站接收機發送差分信號，激光發射器向該流動站發射高程信息。該高程信息和差分信號與天空中GPS衛星信號匯集于mm級GPS流動站接收機系統中并行處理與運算從而實現即時的高程毫米級與GNSS平面厘米級定位。

在控制器中，GNSSRTK所獲取的精度達到1～2cm的定位值會傳送到計算機中，計算機即可計算出攤鋪機的關鍵點的設計位置，從而獲取此位置設計的高程。

熨平板攤鋪的實際高程（精度在2～3mm）可以使用TopconLaser Zone激光技術計算獲得，同時可實現以激光發射器所在水平面上下10°仰俯角、150m水平范圍內和上下10m范圍內立體空間待測目標體的精確測量。

1.3 mm級GPS系統工作流程

1.3.1 前期準備工作

前期準備工作依次包括儀器設備的安裝、設置系統參數、架設與矯正激光發射器；設置GPS設備、基準站的架設、啟動發射器、配置移動站設備、流動站站臺設置、流動站天線設置、mmGPS接收機的設定、連接移動站、校正pocket-3D點；建立攤鋪機且將攤鋪機參數、激光參數數據、表面數據和控制點數據、校準液壓輸入系統；然后攤鋪試驗路段并進行搜集試驗段攤鋪虛鋪數據、壓實遍數、壓實工序等相關試驗參數。

1.3.2 實施攤鋪

選定一已知高程點h，將激光發射器架設在該點上，并測量獲取發射器的高度HL，激光發射器發射的是N型激光信號，當每個固定時間，接收器接受到激光信號時，即可確定發射器與接收器處于同一水平中線位置上

1.3.3 現場找平

上述實時監測到的攤鋪機熨平板底部絕對高程，該實際絕對高程與控制器獲取的設計高程經經控制器計算得出兩者之間的差值，通過機載控制器中數模轉換器轉換成控制信號，該控制信號通過攤鋪機傷的找平電磁閥進行接受，然后通過該控制信號進行控制攤鋪機油缸提升及下降，據此進行熨平板上攤鋪角度的調整，從而對攤鋪機攤鋪高程精準變化進行控制。但由于攤鋪前路面很難保證一定平整，故整個攤鋪過程中必須通過自找平裝置來不斷地調節熨平板的仰角，從而精準地控制攤鋪厚度，壓實后效果如圖1。

圖1 壓實前后效果示意圖

2 現場攤鋪應用研究

2.1 現場施工發射儀器與接收儀器布置

在現場攤鋪施工之前要根據場地實際情況，道路設計規劃圖，測量放樣點位及攤鋪攤鋪施工工藝等確定激光信號發射器發射點位置。經過室內設計和現場試驗段攤鋪研究，針對不同施工工況和攤鋪機組合情況，有以下研究方案。

圖2 現場激光發射器與攤鋪機施工組合布置示意圖

方案一布置組合模式適合道路路緣石以外無發射器布置場地及無中心綠化隔離帶的情況；方案二在無路肩等適合場外布置激光發射器區域；方案三適宜于道路兩旁具有路肩及路肩以外。在以上方案的基礎上開展現場應用研究。

2.2 試驗段攤鋪研究

依據設計院規劃設計圖及相應的標準，后期采用常規攤鋪設備、攤鋪工藝，獲取相應集料配合比進行試驗段壓實參數，以此試驗數據進行設計院設計規劃換算成采用攤鋪3D數字自動化控制系統攤鋪的虛鋪數據。

通過分析僅采用基數相對較大的設計高程和實測高程進行可視化分析難以收到理想效果，故采用相對高差法進行數據初步處理，進而對所處理結果進行可視化顯示。如圖3所示。

2.2.1 相對高差法表面圖和等值線圖

由圖3可以看出掛線施工起伏值在-18～30之間大步距起伏，變化大，數據離散度大。表現在瀝青上面層攤鋪上位有坑洼現象；如圖可知3D數字化自動控制攤鋪施工高差值表面差值區間為-3～22，表面起伏密集，變化平緩，無劇烈變化，峰數和谷數均一且較密集，體現了3D數字化自動控制攤鋪施工的底基層平整度優于常規掛線施工。

圖3 AC-13上面層掛線/3D設計與實測高程差表面圖

3 3D攤鋪數字化自動攤鋪施工工藝

結合現場攤鋪應用研究提出3D攤鋪施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 3D攤鋪施工工藝流程圖

4 結論

（1）公路工程3D數字化自動攤鋪控制技術較好克服掛線施工鋼絲繩撓度、底基層下承層壓實度不足、平整度不達標等不良因素，實現了自動施工、自動找平功能。

（2）建立使用公路工程3D數字化自動攤鋪控制技術在公路工程施工中平整度質量評價新模式（路面高差等值線及基礎面色標評價法），為前場施工人員實時掌握施工質量和改進機制提供了一種新的途徑或手段。

（3）提出3D攤鋪數字化自動攤鋪施工工藝流程，為使用3D攤鋪數字化自動攤鋪提供參考依據。