瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統研究

趙曜 李康建 徐灃馳

摘 要：現代科技進步促使道路工程機械朝著智能化、數字化方向發展。通過在瀝青混合料攤鋪機和壓路機上加裝集成化車載設備與遠程云計算中心協同工作，實現對瀝青混合料攤鋪與碾壓作業的實時監控，以及對攤鋪與壓實質量的實時控制，有效提升攤鋪、碾壓作業的效率和質量。本文介紹了基于高精度GPS定位技術的瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統的組成與技術原理、功能特點與使用要點，為相關研究與應用提供參考。

關鍵詞：瀝青混合料; GPS; 智能; 攤鋪; 碾壓; 系統

中圖分類號：U4115? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）10-081-002

1.瀝青路面攤鋪、碾壓作業

1.1瀝青混合料攤鋪作業

瀝青混合料攤鋪作業是指將拌制好的瀝青混合料均勻地攤鋪在已準備好的下承層之上。瀝青混合料攤鋪作業是瀝青路面施工的基礎環節，其施工質量直接影響路面的均勻性與平整性，是路面施工質量控制的基本保障。瀝青混合料攤鋪采用專用機械作業，主導機械是瀝青混合料攤鋪機（以下簡稱攤鋪機）。

攤鋪作業質量控制一般分為攤鋪前的控制、攤鋪過程中的控制以及攤鋪后的質量檢測等三個環節。攤鋪作業前主要是準備下承層、確定攤鋪機作業參數;準備下承層包括對下承層的質量檢測、徹底清掃并灑布粘層或透層瀝青，攤鋪機作業參數主要包括熨平板的寬度、拱度和初始工作仰角、攤鋪厚度以及行進速度等。由于攤鋪作業后緊接著是壓實作業，中間無間歇時間，因而攤鋪作業質量檢測一般是在壓實作業完成后進行，包括平整度、壓實度、彎沉、抗滑性能等。攤鋪過程中主要是保證攤鋪機按照設定參數連續作業，確保瀝青混合料攤鋪溫度，同時發現離析、邊角缺料等現象可及時進行換料和補料。可見限于傳統攤鋪機的智能化水平較低，攤鋪作業中很難做到對瀝青混合料的攤鋪作業情況的及時反饋、快速調整和精確控制，導致瀝青路面攤鋪施工質量控制總是以攤鋪前控制和攤鋪后質量檢測為主，一旦發現問題就難以補救。

1.2瀝青混合料碾壓作業

瀝青混合料碾壓作業是指將已攤鋪的瀝青混合料進行均勻、充分壓實，使瀝青路面具有良好的使用性能。瀝青混合料碾壓作業是瀝青路面施工的最關鍵環節，其質量好壞直接影響路面使用舒適度和服役年限，一直以來是路面施工質量控制的重中之重。瀝青混合料碾壓同樣采用專用機械作業，主導機械是壓路機，常以雙鋼輪壓路機和膠輪壓路機為組合碾壓機械，雙鋼輪壓路機在前、膠輪壓路機在后。

碾壓作業質量控制要點主要為：碾壓溫度、碾壓遍數、碾壓速度及碾壓順序。其中，碾壓溫度要求瀝青混合料在規定的溫度范圍內完成碾壓;碾壓遍數要求各作業點壓路機來回碾壓的遍數不低于規定遍數;碾壓速度要求壓路機行駛速度滿足規定速度范圍;碾壓順序即不同壓路機碾壓的先后次序。瀝青混合料碾壓時，碾壓順序肉眼直觀可見，碾壓溫度可通過現場測量得到，碾壓速度主要由操作手控制，均是較為直觀的控制指標。碾壓遍數不僅涉及到多臺壓路機協同作業，且涉及到每臺壓路機的位置信息，因此碾壓遍數多為人為主觀判斷，與真實碾壓遍數間誤差較大。

由上述分析可知，瀝青混合料的攤鋪與碾壓作業質量控制要點可簡單劃分為溫度、速度與位置三大要素[1]，國內外圍繞攤鋪、碾壓作業質量提升開展了較為廣泛的研究。一方面，從優化施工機械、施工工藝等方面入手，提高攤鋪與壓實質量。另一方面，隨著精確定位、高精度傳感器、移動互聯網、無線通信、大數據、云計算、區塊鏈等技術的發展，數字化、智能化機械控制技術在道路工程領域內得到越來越多的應用。近幾年，瀝青混合料攤鋪機結合GPS技術的應用，為切實提高攤鋪與壓實作業效率、作業質量提供了有效方法[2，3]。

2.智能攤鋪、壓實系統的組成與技術原理

瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統，是通過在傳統攤鋪機和壓路機上加裝的集成化車載設備與遠程云計算中心協同完成數據采集與傳輸、數據分析與處理、超標預警和修正指令下達等工作流程，以實現對攤鋪、碾壓作業的實時監控和對攤鋪、碾壓作業質量的實時控制。

2.1智能攤鋪技術原理

攤鋪機的數據采集，主要是指攤鋪溫度和攤鋪機行進速度等數據的采集。整個攤鋪斷面的溫度數據是通過在熨燙裝置上均勻布設的紅外溫度傳感器采集。攤鋪機行進速度是通過基準站與移動站的差分定位測算得到。攤鋪作業現場采集的攤鋪溫度、攤鋪速度等數據可以通過LED顯示屏實時展示，同時數據由無線傳輸模塊傳輸至云計算中心進行計算分析。計算結果與設定的標準范圍進行對照，若超出標準范圍則會向攤鋪機發出超標報警，計算結果一并推送給后臺預設的施工管理人員。最后由管理人員下達修正指令，并通過攤鋪機內搭載的控制終端完成對行進速度和行進路線的修正，以達到提高攤鋪作業智能化水平的目的。

瀝青混合料智能攤鋪系統所安裝的車載設備主要包括：各類傳感器、高精度GPS定位終端、車載控制終端、無線傳輸模塊和LED顯示器等。各車載設備基本功能如下：

（1）安裝在熨燙裝置上的傳感器有紅外溫度傳感器、振動和傾斜角度傳感器兩大類，紅外溫度傳感器用以實時采集攤鋪斷面的溫度，振動和傾斜角度傳感器用以實時采集熨燙平板的工作狀態參數（包括振幅和傾斜角度等）。

（2）高精度GPS定位終端：在攤鋪機行走過程中，同步接收差分信號和高程信號，經處理后實現對攤鋪機行走位置的精準定位，同時測算出行進速度，繪制實時攤鋪軌跡，實時掌握攤鋪狀態，為后續下達超標預警或修正指令等提供數據支持。

（3）車載控制終端：安裝在攤鋪機駕駛艙內，不僅能夠進行攤鋪層位、攤鋪方向、攤鋪標段、攤鋪樁號等基本信息的輸入，還可以將傳感器陣列采集到的溫度、振幅和傾斜角度等信息繪制成攤鋪實時云圖，分析溫度離析區域和熨燙平板的工作狀態。同時，駕駛員通過該控制終端可以直接下達行進速度修正指令，實現對攤鋪速度的動態控制，也為后續的碾壓提供參考數據。

（4）無線傳輸模塊：將采集到的溫度數據、行進速度等數據傳輸至數據分析中心，進行數據處理與分析。

（5）LED顯示屏：實時顯示傳感器采集到的溫度、熨燙平板的振幅和傾斜角度等信息，以及通過基準站、激光發射器和高精度GPS定位終端協同工作測算到的攤鋪機行進速度等信息。

2.2智能碾壓技術原理

智能碾壓技術原理與前述智能攤鋪技術原理相似，通過相關車載設備采集碾壓溫度、速度、位置等信息，由無線傳輸模塊傳輸至云計算中心進行計算分析，具備超標報警等功能。與智能攤鋪的主要區別在于：壓路機振動頻率采集、碾壓遍數的分析及碾壓遍數的可視化實現途徑。

（1）振動頻率分析。瀝青路面壓路機分為雙鋼輪壓路機與膠輪壓路機，其中雙鋼輪壓路機帶振動功能，施工工藝規定不同碾壓遍數時，雙鋼輪壓路機需開振，同時我國現行標準對振動頻率（強振、弱振）有具體規定。系統通過在雙鋼輪壓路機上安裝振動傳感器，采集振動壓路機的振動頻率和加速度。

（2）碾壓遍數分析。碾壓遍數即所有壓路機經過某一點位的次數。智能壓實系統，將路面范圍分成n個細小的點位，將每臺壓路機的輪廓作為移動網格，計算所有移動網格覆蓋路面范圍內各細小點位的次數，作為各點位的碾壓遍數。因此，實現碾壓遍數計算，需要通過高精度GPS定位終端，對壓路機進行“厘米級”定位，采集分析各點位與移動網格的重疊次數等數據[5]。

由于碾壓作業為多臺壓路機同時作業，需要通過在施工現場建立局域網，保證機群協同工作，實現施工數據共享。云計算中心實時統計分析路面碾壓情況，及時發現碾壓不足區域以及碾壓不均勻區域，并對碾壓效果進行整體評價。同時，可以通過選取不同的壓路機，查看任意壓路機組合的碾壓遍數，以分析各臺壓路機碾壓工藝是否滿足要求、壓路機手操作是否熟練或者是否存在偷懶現象。

（3）碾壓遍數的可視化實現途徑。系統分析得到碾壓遍數數據后，需以特定方式傳達給系統用戶，以加強壓實質量管理。針對碾壓位置描述的復雜性，系統通過3D仿真圖形、以不同顏色區分各點位碾壓遍數展示給用戶。展示途徑包括網頁、手機及平板電腦，其中：

①壓路機操作室安裝有平板電腦，便于壓路機操作手根據平板彩圖信息掌握壓路機當前位置、碾壓遍數、碾壓速度，發現漏壓位置后進行及時補壓。同時引導系統具備超限語音提醒功能，能更好地引導操作手進行碾壓作業;

②現場管理人員通過電腦與手機，指揮現場碾壓作業;

③其他管理人員可通過手機與網頁，遠程掌握現場壓實動態和以往壓實數據[6]。

3.智能攤鋪、壓實系統功能特點

瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統可以通過移動端和電腦端對攤鋪過程數據進行實時統計與分析，對所發現問題進行及時處理，主要功能包括以下幾點：

（1）實時采集并分析攤鋪全斷面和碾壓實時的溫度數據，繪制溫度云圖、分析攤鋪溫度離析和碾壓溫度散失狀況，掌握各時間點、各環節的溫度分布均勻度。

（2）GPS高精度定位，實時掌握攤鋪機、壓路機的行進速度數據并繪制運動軌跡，真實還原現場攤鋪與碾壓全過程。

（3）具備攤鋪、碾壓數據現場實時顯示和蜂鳴報警功能，及時反饋給現場操作手，指導操作手施工，對異常操作做到實時反饋、及時糾偏。

（4）攤鋪、碾壓數據實時發送至遠程云計算中心進行存儲和分析。施工管理人員可以遠程實時監控現場施工情況查詢，施工進度，可進行相關的統計分析工作、質量問題追溯。

4.智能攤鋪、壓實系統使用要點

瀝青混合料智能攤鋪、碾壓系統在使用時，需注意以下幾點：

（1）創建攤鋪路段樁號基準點

在瀝青混合料攤鋪前進行充分準備工作，為后續攤鋪作業的順利進行創造良好的條件。除認真清理下承層、均勻撒布透層瀝青或粘層瀝青、對噴灑路段實行封閉管理等基本工作外，智能攤鋪、壓實系統需要進行前進路線的繪制，即在路線基準點、控制點的基礎上，進行路線放點，并設置偏移寬度等參數，進行攤鋪樁號的精確定位。攤鋪樁號須在基站信號有效的覆蓋范圍內。

（2）攤鋪層位數據的維護

路面是層狀結構，瀝青混合料攤鋪時，在同一斷面不同的豎向空間內，存在多個路面結構層，而智能攤鋪系統無法自動區分不同結構層，因此需要技術人員進行層位數據的維護。

（3）溫度修正傳感器初始值

由于瀝青混合料的表面溫度與內部溫度存在一定差值，需要對溫度傳感器采集的數據進行修正。修正值可由攤鋪路段現場實測的溫度值經理論公式計算得到，也可以通過經驗判斷，經驗修正值一般取+8℃。

（4）加強管理人員技術交底

瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統是用以輔助管理人員對現場攤鋪質量的管理，系統使用前需對管理人員進行詳細技術交底，包括系統的技術原理、操作流程、各類終端（LED顯示屏、手機APP、平板電腦、系統平臺）使用方法以及一般故障排除等內容。只有管理人員熟練系統操作，方能真正實現智能攤鋪、壓實系統的應用價值。

5.結語

綜上所述，瀝青混合料智能攤鋪、壓實系統的實現得益于GPS技術、高精度傳感器、移動互聯網、無線通信、大數據、云計算、區塊鏈等現代科技的發展。瀝青路面施工中采用智能攤鋪、壓實系統，可有效提高攤鋪作業效率和碾壓質量，減少人為因素造成的施工質量問題，提升路面整體施工質量。相信隨著人工智能和無人駕駛（操作）技術的發展，道路施工機械的智能化水平會得到有效提升，新一代瀝青混合料攤鋪、壓實系統會繼續朝著安全、效率、環保、可持續發展目標而努力。

基金資助項目：住房和城鄉建設部科技計劃項目（2019-K-140），南京林業大學青年科技創新項目（CX2019031）

參考文獻：

[1]張鋒.攤鋪作業質量研究[D]西安：長安大學，2013

[2]高飛，白于潔，胡海東，等.智能監控系統在瀝青路面攤鋪施工中的應用[J]交通世界，2020，557（35）：9-10

[3]李青洋，劉天云，王澄.瀝青路面智能化施工系統研究[J]公路， 2020，11：87-90

[4]王成龍.瀝青路面智能攤鋪控制技術研究[J]交通世界，2021，4/5/6：39-40

[5]張學金.瀝青路面施工質量過程監控信息化技術研究[D]天津：河北工業大學，2015

[6]王永龍.智能壓實衛星數據可視化處理[D]廊坊：北華航天工業學院，2015