淺析道路工程無人化智能化的發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術

林澤昊

（華東理工大學，上海 200237）

進入21世紀30年代，全球經濟體正進行著深刻且持續(xù)的變革，而制造業(yè)是判斷一個國家工業(yè)是否強盛的標志，更是世界各國促進經濟發(fā)展、拔高國家硬實力的有力途徑。全球各國發(fā)展的經驗指出，工業(yè)化深化到一定程度后，工業(yè)經濟的增長很大程度上將取決于工業(yè)裝備水平的提高，所以工程機械機群的智能化、系統(tǒng)化、無人化是未來工程機械發(fā)展的重要趨勢。

1 道路無人化智能化施工研究背景

據(jù)2020年6月25日在京召開的交通運輸部例行新聞發(fā)布會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至目前為止，高速公路總里程達到15萬公里，屬世界第一。但同時調查表明，交通流量日益的增大也帶來了嚴重的道路老化與破壞等問題，如車轍、裂縫、波浪等病害早已屢見不鮮。

目前，瀝青路面就地熱再生施工技術已經具備了較高的智能化水平，美中不足的是，因為當前瀝青就地熱再生技術工藝流程復雜，因此現(xiàn)有技術路線還存在一些薄弱點——智能駕駛系統(tǒng)設計困難；養(yǎng)護設備運轉環(huán)境惡劣；施工機組定位困難。另外，在不能中斷交通的高速公路上施工具有巨大的風險。

由此可見，發(fā)展無人化道路集群作業(yè)是大勢所趨。借助無人駕駛技術，無人化施工機群可被視為具備養(yǎng)護功能的多智能體，利用多智能體理論，結合瀝青路面就地熱再生施工工藝，為研發(fā)無人化施工技術與裝備提供了新方法。

2 道路無人化智能化裝備研究現(xiàn)狀

2.1 無人化裝備研究現(xiàn)狀

時至今日，全球范圍內車輛的無人駕駛技術已經日趨完善。無人駕駛技術利用傳感器技術、信號處理技術等，通過集成視覺、激光雷達等多種車載傳感器來辨識車輛所處的環(huán)境和狀態(tài)，并對所獲得的道路信息、車輛位置和障礙物信息做出分析，控制車輛行駛，從而實現(xiàn)無人駕駛車輛依據(jù)自身意圖和環(huán)境的擬人駕駛。該領域的研究為就地熱再生施工裝備無人化發(fā)展奠定了基礎。

（1）國外工程機械無人化裝備現(xiàn)狀。基于無人駕駛技術在車輛領域成熟的發(fā)展，無人化技術也逐漸應用到了工程機械領域。在建筑機械領域中，美國卡特彼勒在2019年7月5日公開了無人駕駛型機組。該無人化機組提升了起重機作業(yè)安全性和效率。礦山機械中，國際工程機械巨頭小松的無人運輸系統(tǒng)（AHS)已經完成超過20億噸物料運輸，在巴西卡拉加斯礦山增加37臺930E無人駕駛礦車，以更好地助力當?shù)鼐G色礦山建設。

（2）國內工程機械無人化裝備現(xiàn)狀。三一重工股份有限公司與交通資源公司、浙高運公司共合作，成功研制出高速公路路面罩面無人化成套施工機械設備。該無人化機群由三大關鍵技術支撐：攤鋪機智能施工技術、壓路機群協(xié)同施工技術、群控安全技術。實現(xiàn)了路面施工高度智能化、無人化，翻開了高速公路無人化養(yǎng)護施工的新篇章。

徐工RP1655超寬超厚型攤鋪機也隨著5G、智能化、無人化等前沿技術的逐漸普及，攜手行業(yè)獨有的先進技術-瀝青攤鋪測厚技術和無線遙控技術在陜西平鎮(zhèn)高速榮耀亮相。

2.2 道路無人化機群研究現(xiàn)狀

當前的路面施工過程中需要多個機種的參與，主要靠人工通訊指揮，存在著如下弊端：①資源配置不盡合理。②施工中信息交換量小，實時性差。③易出現(xiàn)物料斷流或積壓。④能耗大，生產率低。⑤勞動強度大，養(yǎng)護人員施工風險大。鑒于上述問題，國內外各大企業(yè)紛紛開始研發(fā)一套基于控制技術、人工智能、傳感器融合、無人化輔助施工等先進技術的機群智能化施工控制技術及應用平臺，以實現(xiàn)高效精準施工、降低施工成本。

（1）國外瀝青路面無人化養(yǎng)護裝備機群施工技術的研究現(xiàn)狀。小松與ZMP公司在工程機械和礦山機械的自動駕駛以及無人化技術共同研發(fā)，實現(xiàn)無人駕駛及操作的工程機械，其利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和傳感器控制，于2013～2014年實現(xiàn)了整地和挖掘等自動化的推土機和挖掘機。2019年3月，沃爾沃建筑設備攜手瑞典電信運營商特利亞（Telia）和愛立信啟動了瑞典首個工業(yè)5G網絡，將用于遠程控制工程機械機組測試。

（2）國內瀝青路面無人化養(yǎng)護裝備機群施工技術的研究現(xiàn)狀。2020年7月9日，三一路機無人攤壓協(xié)同施工機群包含2臺無人駕駛攤鋪機、2臺無人駕駛輪胎壓路機、3臺無人駕駛雙鋼輪壓路機與1個無人駕駛監(jiān)控室。“多攤、多壓”無人協(xié)同機群智能管理機群主要采用攤鋪機智能施工技術、機群協(xié)同施工技術、群控安全技術與控制平臺技術四大關鍵技術實現(xiàn)對設備的精準控制。

2020年6月9日，由徐州工程機械集團，四川鐵路投資集團和清華大學聯(lián)合開發(fā)，將無人駕駛的攤鋪機和壓路機應用于建設高速公路上。 據(jù)中央電視臺報道，由三臺攤鋪機和六個壓路機組成的無人駕駛智能設備集群完成了鋪路和壓實高速公路的穩(wěn)定土壤。這是世界上第一次無人駕駛集群建造了無人駕駛專用車道。

3 道路無人化智能化施工的關鍵技術

3.1 施工大數(shù)據(jù)采集、自學習、決策技術

采集各個施工場景的歷史數(shù)據(jù)信息通過深度學習技術對數(shù)據(jù)進行學習分析并利用回歸算法計算出最佳施工參數(shù)配置，形成特定場景下的決策樹，幫助計算機自主判斷下一步動作指令，讓機器真正具備思考能力。

3.2 多機協(xié)同控制技術

多機協(xié)同控制策略是實現(xiàn)機組的協(xié)同控制有效解決方法之一，該策略針對協(xié)同控制涉及的信息融合、傳感器測量等先進技術帶來的大量數(shù)據(jù)進行有效分析，并做出合理的決策和任務分配。整個施工過程采取標準化控制方案，確保施工流程規(guī)范化、施工過程可追溯，真正實現(xiàn)公路養(yǎng)護的人工智能精細化施工。

3.3 單機無人駕駛技術

利用高精度GNSS定位技術確定車輛的全局坐標、通過慣性導航技術實時監(jiān)測車輛位置信息，利用SLAM技術實現(xiàn)車輛的路徑規(guī)劃，同時增加視覺檢測功能，精確識別障礙物。再利用激光雷達的飛行時間（TOF）技術進行實時避障。

3.4 機組無人駕駛及自動跟隨技術

采用雷達制動系統(tǒng)和V2V通信技術結合的方式，提高機組無人駕駛的安全性及可操作性，后方車輛可以按照要求跟隨前方車輛移動，使后車可以完美模仿前車的動作進行加速、減速、轉向、掉頭等動作，使整個機組保持動作一致性和整體性。

3.5 數(shù)據(jù)遠程管理系統(tǒng)

接入無人車終端及場內智能終端實現(xiàn)對特定場景生產過程的人、機、料、法、環(huán)等數(shù)據(jù)的全面感知，獲取各類業(yè)務數(shù)據(jù)；接入整車數(shù)據(jù)，獲取里程、油耗、故障代碼等相關數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對車輛故障代碼及其他狀態(tài)信息的檢測。

4 道路無人化智能化施工對未來的意義

根據(jù)上述對國內外工程機械無人化現(xiàn)狀與關鍵技術的總結，結合當前無人化浪潮對工業(yè)發(fā)展的整體化影響，不難發(fā)現(xiàn)，道路施工無人化具有許多值得發(fā)展與進一步深化的價值。首先，由于人員生命財產是施工的第一位，無人化的發(fā)展可以很大程度上減少人員的使用與分布，使施工現(xiàn)場更加易于管理調配，安全性增強。其次，人員的減少使施工過程中各種人為的不確定性因素減少，使施工過程更加規(guī)范化，提升了施工的整體質量。同時，機組的整體協(xié)作也大大提高了工程效率。最后，隨著全球老齡化和勞動力稀缺，減少人工上崗可以進一步削減成本，且可以節(jié)省上崗培訓等時間成本。

5 結語

道路無人化施工技術具有重大的工業(yè)價值和效益，通過瀝青路面熱再生機組無人化施工技術研發(fā)，徹底顛覆熱再生養(yǎng)護作業(yè)的施工形態(tài)，由當前的勞動密集型、經驗型作業(yè)方式變成技術集中型產業(yè)，引領新一代道路裝備發(fā)展的潮流，推動我國養(yǎng)護裝備與工藝發(fā)展進入世界一流水平。道路裝備無人化思維在工程領域變革中必然引起浪潮。