基于壓實質量的振動壓路機智能化操控平臺研究*

沈 旭 ，余建輝

（1.南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188；2.長安大學，陜西 西安 710064）

1 智能控制技術的概念

無論是信息科學技術、生命科學技術還是自動化工程技術，其發展方向都是智能化。目前在各種自動化工程中，普遍使用了各種智能化系統和技術，因此智能化已經成為各種工程現代化最為明顯的標志。

智能控制是指將人腦運算的思維模式進行數字化，經過一系列嚴密運算，再通過機械完成操作。其核心就是利用最小的成本，最快地完成所需的操作。通過最重要的工具“電腦”，將人腦思維模式轉化為一系列電腦代碼程序，指揮一系列操作，包括對智能信息的采集、處理和輸出并做出適當的決策，最終實現智能控制技術[1]。

2 壓路機智能化操控平臺的基本結構和組成

2.1 基本結構

壓路機智能化操控平臺的基本結構見圖1。

圖1 智能化操控平臺基本結構示意圖

2.2 組成

1）GNSS移動站接收機：主要是采集GPS軌跡數據等。

2）3G/4G DTU模塊：用于客戶端與操控平臺交互。

3）車載專業終端：車載終端將自動采集（4G網絡模式）相關的施工狀態，包括振動、遍數、速度、位置等信息，如未達到壓實質量狀態，系統立即報警。

4）CAN總線適配器：用于采集壓路機相關運行數據。

5）壓實度計：通過安裝在振動鋼輪上的傳感器連續傳送信號至壓實度計，經壓實分析系統計算機后顯示被壓實物料的密實度值[2]。

6）瀝青路面溫度表：在瀝青面層壓實過程中，溫度太高或太低可能產生細微裂紋、瀝青混合料推移或骨料與黏結材料分離及壓碎骨料的風險。瀝青溫度表可使技術人員控制壓實的最佳溫度范圍。

7）電子驅動控制系統：該系統改善了壓實設備壓實瀝青過程中加速和減速的平滑性且不影響制動距離[3]。

3 智能化操控平臺的特點和功能

3.1 特點

1）實時檢測壓路機的碾壓軌跡、速度、振動狀態，激振力，駕駛室內的壓實導航為操作人員提供實時導航服務，并在施工地圖中提供可視化呈現和碾壓過程回溯的功能。

2）實時計算出碾壓的壓實遍數、壓實厚度，導航服務將以上信息實時提供給操作手進行壓實導航服務。

3）當系統發現施工過程中存在問題時，將立即通過手機短信或微信的方式發出實時告警，通知相關管理者。

4）施工結束后，將會對該項目的施工過程進行統計，自動生成質量監控報告，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數圖、碾壓高程圖、碾壓層厚度圖、施工過程合格率、整體工程進度以及預計完工的時長等。

3.2 系統功能

主要包括項目的創建、項目的修改及維護、項目設備的配置、項目的歷史查詢等功能，詳細如下：

1）項目總覽：可以統一管理同一公司下的所有道路施工項目，并能夠通過地圖的方式提供快速索引功能。

2）項目列表：通過列表的方式展示，并提供修改的功能，可以修改該項目下的壓路機數目和項目基本信息，查看當前項目的進度，施工過程及施工過程中產生過的告警信息。

3）項目壓實層添加：添加或修改壓實層的質量要求、壓實區域等信息。

4）項目壓實層配置：管理系統的壓實層、添加壓實層、設置施工質量要求等。

5）項目壓路機管理配置：維護系統中需要監控的壓實設備信息，可以添加刪除和修改壓路機的配置信息等。

6）項目報警設置：添加報警項目、推送對象、報警等級、處理結果等。

7）項目進度查看：可查看整體工程進度、每個工作區的質量匯總信息等。

8）項目進度分析報表：當前總工程進度，當前工作層實時施工進度，當前設備實時監控數據等。

9）項目施工實時監控：可查看當前工作區的實時情況，設備位置、壓實遍數、當前速度、密實度、車輛行駛路徑及當前系統報警信息等。

10）項目施工質量追溯：查看歷史壓實層質量信息、查看歷史壓實數據。

11）項目報警設置記錄分析：保存系統報警記錄，當系統檢測到質量異常時，可向設定人員實時發送報警信息提示。

12）項目施工完工報告：當執行完關閉工作區操作后，系統將根據采集到的施工數據，自動生成工作區域施工質量報告，主要描述內容包括整體施工質量和質量合格率，可打印報表，也可導出為EXCEL 文件。

13）終端相關功能：包括施工導航功能、施工數據采集（GPS 軌跡、壓實度、壓路機運行數據等）、工單執行與完工報工、刷卡報工、壓路機維修保養登記及超速報警等。

4 壓路機智能化操控平臺的應用

在路橋施工中，振動壓路機施工水平的高低直接影響壓實質量的高低。智能化操控平臺與智能壓路機結合之后，具體應用主要體現在以下幾個方面。

4.1 壓實度測量系統

該系統利用裝于振動輪上的智能傳感器，收集被壓實材料產生的振動信號，并傳至信號處理器，再經分析得到材料的壓實情況，顯示在屏幕上。工作人員據此判斷是否存在壓實不均勻或是否達到工程質量要求，為自動化控制系統的運行提供參考。

4.2 振動壓實進程自動化系統

4.2.1 振動頻率（F）的調節

振動頻率的調節實際上就是電動機轉速的調節。該系統通過電動機帶動振動輪進行快速旋轉，因受迫而上下振動壓實材料。通過對電動機內部容積的控制，使電動機的轉速產生變化，從而達到控制振動頻率的目的。

4.2.2 振幅（A）的調節

根據調節原理不同，分為2 種形式：一是正反轉調節，調節精度較高，即利用智能技術控制電動機進油腔和回油腔，改變振動軸旋轉方向，再通過對內部偏心塊進行有效疊加和抵消，從而達到調節振幅的目的。二是雙軸調幅，調節幅度范圍較廣，為無級調節。通過一個連到電動機另一個連到齒輪組的2個偏心軸位置的改變，以達到調節振幅的目的。其中偏心軸位置的改變需要通過伺服閥和液壓缸來控制。

4.2.3 行駛速度的調節

通過振動電動機上安裝的傳感器將收集到相應的信息傳至相關設備，經分析和處理后再傳至驅動電動機上安裝的傳感器，再與壓路機實際行駛速度進行對比并進行調節，從而確保行駛速度的準確性。

4.3 診斷與監控系統

該系統會自動對振動壓路機內部進行全方位監控。當壓路機內部出現問題時，能夠自行進行診斷，并將診斷分析出的原因向工作人員顯示，從而及時了解壓路機運行狀況，避免壓路機出現問題。與此同時，還可以將診斷原因和維修結果記錄下來，以防再次出現相同問題時能夠快速向工作人員提示，不必再行診斷環節[3-4]。

4.4 遠程控制系統

遠程控制系統在壓路機等機械設備中已付諸使用。振動壓路機在進行工作時，其實際工作模式與施工地段的土壤情況、地形條件以及氣候條件等都緊密相關，該遠程控制系統通過相關技術對施工路面的相關信息進行采集，并自動傳輸至計算機中，經分析后繪制出相應畫面顯示在屏幕上，以便工作人員及時了解施工過程實際情況。一旦施工過程出現問題，該系統立即發出相關信號，并傳至振動壓路機的接收系統和控制系統甚至客戶端，工作人員通過相關數據進行全面分析后，再對設備的運行狀態進行實時調整，從而使路面的壓實質量滿足要求。由此既實現了對壓路機的智能操控，同時還減少了機械設備不必要的損耗，更加合理、科學以及系統地維護機械[5]。

5 結語

近年來，三一重工、徐工集團等國際知名企業相繼開發了高精度GPS 或北斗衛星定位技術、計算技術以及傳感技術，實現了壓路機的無人駕駛精準作業甚至實現了“無人智能集群施工”，實現遠程操控、覆蓋電臺和微波達2 km之多，碾壓直線精度和重疊精度均達到5 cm 之內。同時碾壓軌跡即時記錄、隨時查詢，還伴有遠程喚醒、設備休眠和RTK-G P S 高精度定位及自適應自動引導技術等諸多先進配置，極大地提高了施工質量和施工效率。當然，盡管智能化控制技術在工程機械控制中的優勢明顯，但是存在的問題也無法忽視，如設備中某些裝置科技水平尚待提高、工作人員操作水平尚待提高以及操作過程嚴密性不夠等等。隨著自動駕駛技術、智能壓實技術、遠程控制技術、可視化技術、車聯網及5G 技術在工程機械行業內的進一步應用，振動壓路機的智能化操控平臺定將會更上一個臺階。