數字化施工在普通公路工程中應用的展望

朱艷飛 王悅娟

摘 要：隨著計算機和各種先進技術的飛速發展，傳統的施工管理也受到了前所未有的挑戰，這就使數字化施工的概念登上了舞臺。它包括全部施工資料的數字化、傳播化、智能化和透明化。其核心思想是用數字化手段整體解決工程所遇到的各種問題和其他主要事項，最大限度的利用信息資源在單位時間內達到最大的使用效率。

關鍵詞：公路施工;數字化;智能壓實

本文介紹了公路工程數字化施工概念，分析了公路工程機械化壓實施工關鍵技術，重點介紹數字化施工中智能壓實的應用，并對數字化施工與傳統施工經濟效益進行了對比，證明其在工程建設領域具有多種優勢，有廣闊的使用空間及推廣價值。

1 公路施工中數字工地系統構成及應用概述

公路基礎設施建設對一個國家、一個民族、一個地區的經濟發展至關重要?！案邩侨f丈平地起”基礎是關鍵，數字化施工智能壓實監控技術的應用有利于推動公路基礎設施建設快速發展。

隨著國民經濟和科學技術的快速發展，國內外許多大中型企業正在利用互聯網云技術，提高產品質量，促進企業發展。公路作為國家基礎行業，其施工質量的優劣和施工速度的快慢直接影響社會效益，利用數字化提高公路基礎的碾壓密度，智能壓實監控技術的運用迫在眉睫。

建設是發展，養護也是發展而是更大的發展。

我國普通干線公路網以形成“五縱七橫”格局，北京以101國道京沈路第一條放射線開始，構建京津冀一體化環形路網體系逐漸形成。然而面對與日俱增的交通流量以及超大型的重載車輛，對現有公路基礎設施承載能力是個考驗。

以密云區近幾年公路大中修工程為例，其工程立項的原因主要是路基薄弱承載能力差，加上水害的侵襲等。用數字化提高路基壓實密度，建立智能控制系統是關鍵。從施工開始，對每一道結構層的壓實度進行全程監控層層把好質量關。采用人為取樣方式，遠遠落后于機械化攤鋪、碾壓。雖然有監理人員旁站，（所用材料為工廠出品）其攤鋪厚度、碾壓遍數都符合設計要求，地理環境、水文等地質條件是影響壓實密度不可忽視的重要因素。如果采用智能壓實監控系統，就能把事后取樣監測，變成過程監控、遠程監控、24小時監控，把監測的信息數字化，把隱秘工程變成陽光工程看得見摸得著，確保工程質量，提高工程進度，減少返工率，降低企業風險，提高企業經濟效益。

其原理是通過共振的過程得出一組或多組振蕩曲線（用數學概念）進行數據分析，其振蕩厲害曲線越不穩定，當跳躍的頻率與被壓材料固有的頻率一致時，振動壓實是最為有效。

這好比中醫號脈，西醫測心電圖。一端固定在壓路機，一端通過云技術傳遞到電腦上，通過振蕩曲線與設定值相比，振幅越大曲線高低不穩，反映基礎不密實。利用云技術室內能控制室外，不是說監理和試驗人員坐在室內不出屋，正常打孔抽樣檢測還應該繼續進行。待掌握云技術之后，室內代替室外，室內代替現場一切都有可能?，F在只是完善發展階段，利用科技資源，應該發揮年輕優勢，利用科技資源服務于本單位本企業。不見風雨怎能見彩虹，創新是青年永恒的主流，與時俱進是企業發展的方向。

智能壓實監控系統的建立，有利于新材料、新工藝、新技術在公路工程中推廣與運用，有利于科學技術的發展，利用科技術為領導決策提供科學的理論依據，具有劃時代的意義。

2 公路工程數字化施工概念

公路工程數字化施工是指運用計算機、數字化測量系統、數字化監控平臺、網絡可視化系統，通過過程數據采集、傳輸、存儲、分析、挖掘和備份，將公路工程前期籌劃、機械施工、工期控制、質量控制及后期養護整個過程數字化、信息化、智能化，更加準確高效的配置各種生產要素及預測工期進展。通過數字化施工系統平臺進行三維設計，并通過可視化技術將圖紙轉化為立體圖形，更加直觀的輔助工程施工及工程量計算。通過數字化機械引導，提高施工效率、縮短工期，同時達到節約成本、提高工程質量的目的。

3 數字化施工主要技術應用

3.1 三維設計的應用

土方開挖階段運用三維數字建模技術將二維設計轉換成三維實現從勘察、設計、施工到運營維護過程整合的必要載體。通過可視化設計、參數化設計干涉施工檢查、進行虛擬施工，自動計算土方量，達到減少人工計算工程量。

3.2 數字化測量系統

在工程施工中根據環境不同使用高精測量設備，在GPS、GLONASS、伽利略以及北斗等定位系統基礎上以方格網形式快速、動態測量實時數據傳輸與自動計算。無需打樁及放線，減少測量工作。

3.3 數字化機械引導、控制系統

在公路工程建設中，在挖掘作業、土地平整、壓實控制及精細平整過程通過機械自動控制技術達到提高施工效率，縮短工期的目的。在公路建設中，機械自動控制由GPS系統和GCS系統組成，涵蓋推土機、平地機、壓路機、挖掘機和攤鋪機等多種施工機械。

GPS系統用于工地定位技術，光學技術和通訊技術結合的專門針對工程建設而設計的工程測量技術。機械控制產品 – GCS系統是土方基礎革命性的施工方法，指導人如何施工。在挖掘作業、土地平整、壓實控制和精細平整發揮著重要作用。

機械控制技術集合了激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術，與工程機械完美結合，實現數字化施工。機械控制技術相對于傳統的施工機械具有提高效率、縮短工期、節能環保，節約成本，提高利潤， 過程質量控制， 提高工程現場人員安全性等優點。

3.4 網絡通訊技術

工地數字化施工系統支持無線傳輸，通過綜合通訊組網實現電臺通訊，WIFI無線網絡、GSM移動無線網絡、公網光纖接入，實現施工數據的上傳和下載。在統一的平臺上獲取各方所需的全部信息，通過職權劃分項目現場和總部各級管理者可通過瀏覽器登錄服務器，下載施工數據。

4 智能壓實工程數字化施工國內外現狀

公路施工中，經過多年摸索，人們已經認識到，壓實是被壓材料、壓實設備及壓實工藝為一體的綜合技術，在壓實技術發展的初期，人們往往注意壓實設備的改進和發展，而忽略了壓實工藝和被壓材料的研究，直到研究振動壓路機的振動參數優化時，人們開始注意到被壓材料和壓實設備之間是有關聯的，應該把它們作為一個整體來考慮，只有將振動壓路機的振動頻率選擇在被壓材料共振頻率附近，才能獲得該材料的最佳壓實效果。從此，人們開始注意到被壓材料在壓實技術中有著不容忽視的作用。其中，隨著現代高科技向傳統產業部門的滲透與改造，它導致了壓實過程的自動監測、自動控制和自動調節技術的迅速發展。

二十世紀六十年代初，有人提出利用振動部件與基礎之間相互作用的動力特性來判斷壓實進程進展狀況的設想。這種方法的原理是建立在如下認識的基礎上的，當地面在振動部件的作用下逐步壓實時，地面——機器系統的動力特性也在變化，這種變化將指示出地面承壓能力變化的相對數值，從而也反映了地面被壓實的程度。最先將這一思想變成現實并安裝在壓路機上的一種壓實度監測裝置是H.Thurner博士的專利。隨后八十年代，瑞典dynamik公司研制成功壓實度計。該儀器裝在振動壓路機上，整個系統由一臺振動壓路機、一臺壓實度儀、一臺壓實記錄系統構成智能壓實度控制系統。通過測量振動輪振動垂直加速度波形的畸變程度來評價被壓材料的壓實程度，利用振動波的基波和二次諧波的比值來表示振動波形的畸變程度，通過常規試驗對比，得到壓實度值。在壓實過程中，駕駛員可以從壓實度計上隨時了解壓實質量。九十年代，德國bomag公司研制出omega壓實度儀。其原理是利用一個加速度傳感器來記錄振動壓路機壓實輪的垂直加速度值，所測信號經微處理器計算后得出壓實度值，顯示在儀表盤上，壓實度值隨著壓實土層的密實度增加而增加。被壓實土層的壓實度越高，壓實度值就越大。對于給定的路基土層和振動壓路機，總存在一個最大的壓實度值，當壓實度值停止增大，壓路機司機就知道了進一步壓實不會再增加壓實度。隨后bomag公司又推出了新的壓實度檢測系統。該系統原理是根據被壓實材料的密度變化自動選擇適當的振幅，以優化激振力的輸出，以實現振動壓路機的智能控制。

目前，國內在系統硬件設計和防護方面還處于起步階段，研發部門少，總體技術產品不成規模，供應體系單一，缺乏技術服務保障，在特殊應用環境復雜的情況下，很難維持正常運行。近年從國外引進了控制系統設備，工業控制芯片不斷更新，精密傳感器，高精度定位在硬件方面都有所改善，在穩定性、易用性、防護等級等各個方面都有了很大的提升。

國內外已研發出多款智能壓實控制系統的軟件。國外的系統在軟件方面已經歷實際檢驗，并在不斷完善中;國內在應對本地化的特定需求的情況下，同時具有實時高精度數據采集、無線數據傳輸、階段統計分析、動態施工數據可視化、事后過程回溯功能的全流程多角度的控制軟件比較罕見。

自從瑞典開發了用于振動壓路機的機載壓實度計后，國內相關企業在八十年代后期開始了壓實度儀的研究工作。江蘇某儀器廠曾開發了機載壓實度檢測儀，該儀器采用數碼管顯示，沒有應用計算機智能控制技術。2001年陜西省西安市鐵道部二十局工程機械廠，率先在國內大噸位振動壓路機上試裝國外產的壓實度儀，該廠購買了bomag公司的壓實度儀裝在新開發的振動壓路機上。河北工業大學經多年研制，開發出壓實度智能檢測系統，該壓實度智能檢測系統的基本工作原理是：在壓實初期，基礎的彈性剛度較小，阻尼較大，系統響應較小。隨著壓實遍數的增加，基礎的彈性剛度變大、阻尼變小，系統的響應不斷增大，振動輪的動力學參數的變化與基礎的壓實度變化密切相關，振動輪的垂直加速度與基礎的壓實度正相關。通過振動輪的動態響應來檢測基礎壓實情況，能更好地反映路基下層的狀況及承載力。該系統技術核心在于對壓實輪與被壓實材料相互作用的動力學關系的分析方法，并應用數理統計理論，編寫出具有一定置信度的推斷軟件，將實測加速度值與固化在儀器中的標準數據對比，形成內置專家系統，通過運算、分析，可以得到壓實度、振動頻率、壓路機運行速度等值。

綜上所述，壓實技術的發展中振動壓路機的出現是壓實技術的一次重大的革命，而隨機壓實度儀的出現是壓實技術中壓實度智能實時檢測的一次飛躍.而隨機壓實度檢測技術與網絡化、智能化、自動化的有力結合將為振動壓路機的無人化和智能化打廠良好的基礎。

5 連續壓實檢測技術

公路施工壓實質量對于道路來說非常重要，不密實的路基將會出現整體強度不足、沉降不均勻或變形過大等問題，從而影響路面結構安全，特別是在我國公路建設中普遍存在的不均勻沉降病害，造成橋頭跳車、路基開裂等問題。目前，我國控制壓實質量主要是通過檢測壓實材料密度或變形指標來實現，相應的方法包括壓實度檢測、彎沉檢測、回彈模量檢測、阻力檢測和孔隙率檢測等，這些傳統控制方法一定程度上不能適應我國交通建設高速發展的現狀，綜合來說主要存在以下問題：

（1）傳統的檢測方法屬于事后檢測，不能及時發現問題;

（2）傳統的檢測方法基本上屬于單點檢測，干擾施工流程，占用寶貴的施工時間;

（3）單點檢測適合樣本總體均勻的情況，當填料存在變異時，抽樣點代表性差;

（4）單點檢測發現不合格部位時，難以界定處理的范圍;

（5）傳統的檢測方法存在效率低，精度低，工作強度高，易產生失真數據等問題。

連續壓實檢測技術的出現，較好的解決了上述問題。路基的智能壓實控制技術是在路基填筑碾壓過程中，根據土體與振動壓路機相互動態作用原理，通過連續量測振動壓路機振動輪豎向振動響應信號，確定響應信號和壓實質量的關系，建立檢測評定與反饋控制體系，實現對整個碾壓面壓實質量的實時動態監測與控制。這項技術涉及機械、材料、電子、信息、通訊、檢測、統計學等多個領域。在施工過程中，通過連續采集壓實數據，達到實時監測壓實效果，降低檢測強度、減少檢測費用、加快施工進度的目的，并可實現遠程智能實時監控。

6 數字化施工在項目監控的應用

6.1 實時壓實狀態

實時壓實狀態為接收GPRS發送來的壓實數據，并對數據實時解析，生成壓實現場的狀態模擬圖形，其部分功能類似與機載終端的壓實狀態模塊。

6.2 壓實狀態匯總

指非實時性的對現場壓實情況進行匯總性了解，可通過地圖控件顯示當前壓實狀態點并選擇其顯示依據;如：壓實度、高程、速度、振動頻率、壓實層數、壓實遍數等;可通過單擊某一地圖信息點，可了解當前點的壓實度、高程、速度、振動頻率、當前壓實層數、當前位置點壓實遍數、差分狀態等信息。

6.3 軌跡查看

軌跡查看為將車輛運行軌跡記錄、并在地圖控件上顯示其運行軌跡。以方便確定車輛現場的運行狀態。

6.4 任務監控

后臺管理人員可以通過GIS界面看到自己管轄范圍內的所有在執行的掘路回填壓實項目，每個項目的進度、質量情況等信息。出現問題的項目會以突出形式顯示并閃爍。

7 數字化施工中智能壓實的優勢

公路數字化施工中智能壓實（即連續壓實）相對于傳統施工具有如下優勢：

7.1 提高施工效率，縮短工期

（1）減少70%的檢測人員，無需等待結果;

（2）提升機械施工效率15%以上;

（3）實時全程控制，可在最短時間內以最好的質量完成項目。

7.2 節約成本

（1）降低成本，節約油耗;

（2）減少作業人員數量并降低對人員技能數量度的依賴;

（3）減少返工所帶來的資源損耗。

7.3 提高施工質量

（1）施工過程實時控制，避免人為影響;

（2）精確控制厚度、壓實度。

7.4 實時過程控制

（1）精確控制一次成型;

（2）遇到病害，可隨時識別，并提出精確治理措施;

（3）實時顯示施工報告，隨時掌握施工效果，避免事后控制帶來的返工。

8 數字化施工在普通公路工程中應用的展望

數字化施工包括測量、機械控制、網絡通信等諸多方面，每一點都需要挖掘發展。作為普通公路施工中連續壓實質量控制研究的一環——智能壓實。密云公路將從實際施工的角度出發，對于理論上GPS+加速度計+云平臺的新型組合發展前景予以應用。

2019年初，密云公路將智能壓實的應用列入落地實踐，在通懷路施工中進行的聯機檢測，通過實踐確保理論上的可行性。并與北京交通運輸職業學院、北京養護集團合作對智能壓實在路基施工中病害的識別進行了測試，取得了一些數據。據計劃在2020年底將采集的數據進行分析整理，推進公路工程施工智能壓實監控技術標準化研究以及路基智能壓實技術填料病害識別分析與應用。