溧寧高速瀝青路面智能攤鋪碾壓技術應用研究

薛 華，孫明祥，陳光林，湯 勤

(1.常州交通建設管理有限公司，江蘇 常州 213024;2.江蘇省交通工程集團有限公司，江蘇 鎮江 212000)

1 引 言

隨著智能控制和5G傳輸技術的推廣，公路施工設備的迭代更新正在加速實現，智能控制系統通過無線傳輸進行工程機械的遠程控制已成為現實，近年來公路工程應用較多的有3D精銑刨控制、三維打印施工技術以及遠程起重安裝控制技術等。

對于高速公路路面智能化施工，在溧寧高速公路全國首次全面推廣應用之前，早在2016年三一重工就已經投入研發用于瀝青路面的智能壓實設備軟件及硬件。

智能攤鋪碾壓工藝之所以得到施工技術人員的青睞，主要是這項工藝解決了如下問題。

(1)由于壓路機駕駛環境的特殊性，駕駛人員容易產生疲勞，特別是在碾壓振動過程中以及高溫情況下，駕駛條件更加艱苦，很多壓路機操作人員轉崗改行，造成人員緊缺。因此,智能施工中的壓路機無人駕駛便成為解決這些問題的有效途徑。

(2)路面壓實遍數的控制是一個難點，非常容易出錯，通常情況下，需要專人負責統計壓實遍數或者駕駛員進行遍數統計，但是由于人工統計容易出錯，實際壓實遍數與設定的壓實遍數嚴重不符。當采用智能碾壓時，統計碾壓遍數由系統自動完成，不會出現錯誤。這樣，既不會因超壓產生額外成本，又能確保壓實度滿足要求。

(3)由于人工控制的壓路機軌跡難度大，造成壓路機相鄰兩遍之間重疊面積控制不準確，可能產生超壓，另外，路面邊緣(中間路緣石以及路肩)部位碾壓效果達不到要求。而智能壓實軌跡由計算機控制，能夠精準地對行進路線進行控制，優化行進路徑，保證壓實效果。

(4)傳統的碾壓施工溫度控制由人工控制，不能時時了解溫度的變化，特別是在較低溫度季節施工，更是存在這樣的問題。智能壓實系統對瀝青混合料的溫度做到了時時監控，有利于碾壓質量。

(5)傳統的碾壓施工以碾壓遍數的唯一方式來判斷路面壓實狀況。智能碾壓引入了智能壓實度的定量指標，可以點點檢測壓實度，實現了碾壓遍數與智能壓實度的雙控。

2 路面智能攤鋪碾壓技術原理

2.1 無人駕駛壓力機

實現無人駕駛所應用的技術是將衛星接收系統、5G技術通信原件、短波連接通訊機和接收天線等設備安設在攤鋪機上，對壓路機進行自動控制系統改造，主要是安設行進和倒車系統控制元件以及油路自動控制元件，其轉向系統則通過自動轉向控制電機以及電磁閥。然后，利用計算機的處理器和預設的控制程序以及信號命令交換系統等環節來控制攤鋪機和壓力機，從而達到無人駕駛的數字智能功能。

2.2 智能數字控制體系

智能數字控制體系的工作原理是，安設在攤鋪機上的施工范圍內數據收集系統對施工區域的施工軌跡進行采集收集[1]，然后，通過短波時時通訊聯絡功能將這些軌跡電信號傳輸到便攜式5G聯絡站體系，這一體系再把這些軌跡情況轉接至便攜電腦，然后便攜電腦根據預設的程序規則自動繪制生成壓力機施工范圍，同時，分別指令機群中的所有壓力機中的短波聯絡系統，使其按指令完成施工區域的碾壓工作，從而實現智能壓實操作。操作系統的基本控制單元見圖1。

圖1 智能施工控制體系

(1)智能數字化壓實的控制體系元件或設施：由手機APP端或電腦監控端、5G數字化高速傳輸網絡和控制與監控程序等組成。

(2)便攜式聯絡通訊站點：是由衛星定位系統及衛星導航系統終端、電源、5G通訊元件、短波無損通訊的接收裝置以及自動方位控制裝置等組成定位系統。

(3)智能數字化攤鋪系統：由控制電腦設備、全球衛星定位與導航終端設備、5G傳輸與聯絡設備、短波無損通訊設施和便攜式5G通訊基準站點體系一同組成了攤鋪機行進軌跡采集體系。

(4)智能壓實實現機群組：在一定數量的壓路機上安裝控制用電腦、衛星信號收集器、5G聯絡元件、短波無損聯絡通訊機以及電臺信號接收設備。

2.3 衛星信號削弱時的自動化控制體系

當衛星信號變化或者進入信號接收盲區的時候，再通過上述方法進行控制會造成機群控制失控現象，因此，在智能施工體系，必須做備用方案。比如，當信號全無時，可以利用攤鋪機或者壓力機在行進中遇到的障礙物(側方障礙物)之間的靜矩來規劃壓力機輪跡帶的行進方向，并通過短波無損體系來辨別前方障礙物或智能攤鋪機的遠近，從而來確定壓力機的行駛距離，并通過這些距離數據分布情況，來確定每個壓力機的行進速度，這樣，就可以在沒有任何信號的情況下對壓力機和攤鋪機進行數字控制了。

3 溧寧高速公路路面智能壓實施工的實現

溧寧高速公路是江蘇省重點高速公路之一，起點自常州市溧陽南渡鎮，重點為高淳漆橋鎮，全長36 km，雙向四車道設置，全程路面施工采用三一重工的全自動智能數字化攤鋪控制機械組合，通過智能壓實控制，實現了路面質量的整體提升。

3.1 智能數字化體系應用

通過安裝在智能攤鋪機上的施工區域采集系統，把該系統收集的施工壓路機行進軌跡通過短駁聯絡線傳遞給無人駕駛壓路機的監測體系，監測體系根據數據分布情況結合預設的施工計劃需要，再形成實時展現的現場壓實范圍區域，然后再通過基準站點的位置確認定位體系，轉發給遠程控制天線，隨之，機群中的壓路機便可以無損接受到命令信號，按預設參數展開施工作業。

3.2 施工操作要點

(1)為了能夠確保智能攤鋪機施工控制系統穩定，必須首先保證電源供電系統穩定，其次是在設定壓路機壓實操作行進軌跡參數時，應確保攤鋪機上安設的全球衛星定位系統、北斗衛星導航系統以及全球衛星導航系統的終端參數設置準確。

(2)每當一個新的施工區域設置完成便攜式5G通訊傳輸基站以后，都需要檢查電源供電參數、全球衛星定位導航參數、北斗定位參數以及各種連接線設施是否暢通。

(3)智能攤鋪機和壓力機群中的各設備及部件應完好無損，性能優良，設備所需油料、水位等滿足要求，便攜式控制電腦、定位體系、短波通訊體系、遠程傳輸線路、測距感應器、雷達系統、轉向裝置以及紅外測距儀等必須通視。

3.3 壓路機壓實軌跡帶控制

對于碾壓寬度的控制。溧寧高速公路為雙向四車道高速公路，瀝青路面單幅設計寬度為10.5 m，攤鋪時，由2臺壓路機分布負責攤鋪寬度的一半并排進行碾壓施工，并采用3條碾壓施工區域施工，每個碾壓區域帶寬為1.75 m，2臺壓路機重疊寬度為0.25 m，滿足施工技術規范的要求。具體施工布置如圖2所示。

圖2 碾壓軌跡

對于碾壓段的長度設計。根據每天作業計劃安排，合理安排碾壓段長度，碾壓循環設計如下。

在第一次碾壓循環中，其開始點自攤鋪機熨平板后起計2.5 m左右為第一循環的第一個碾壓區域，其總長按25 m計，第一個碾壓循環中緊跟碾壓的第二條壓實段長度，還是按攤鋪機熨平板后起計2.5 m左右開始；第一碾壓循環中的后續壓實段長度都是如此。

在第二次碾壓循環中，其第一條碾壓區域壓實段長度距離第一次碾壓循環的終點1.5 m左右，緊跟第一循環碾壓。第三次碾壓循環則重復以上操作。

在這里，還需要強調的是，在無人駕駛壓路機輪跡軌跡監控時，還會對路面邊緣邊角處的壓實進行輪跡監控。

3.4 碾壓遍數的統計

電腦根據壓路機的行駛軌跡，判斷碾壓遍數并輸出至顯示面板中，同時，存儲記錄。碾壓遍數的統計有助于保證碾壓到位。

3.5 碾壓溫度的監控

通過安裝在壓路機上的溫度傳感器，實時采集瀝青混合料的溫度信息，給技術人員提供碾壓信息，如果出現異常，及時進行處理。

3.6 碾壓速度的控制

安裝在壓路機上的速度傳感器根據壓路機行駛的距離、位置和時間信息來確定壓路機的行進速度，保證路面碾壓的均勻性。

3.7 智能壓實度的監測

智能壓實度[2]的監測是智能壓實中的一項非常重要的創新點。智能壓碎值是指壓路機振動時其激振力與路面反彈力的比值，其大小在一定程度上反映了路面的壓實情況。

以溧寧高速公路路面碾壓8遍的情況計算，因第1遍時，瀝青混凝土松散，無法采集智能壓實值，從第2遍開始至第6遍，智能壓實值逐漸從30～60遞增，經檢測壓實度在95%左右，而第6遍至第8遍，智能壓碎值從60～75遞增，經檢測壓實度在96%左右。

經試驗，如果出現過壓，則智能壓實值會隨遍數的增加而減小，原因是隨著遍數的增加，路面壓實度增加，硬度也增加[3]，反彈力增大，相當于智能壓實值的獲取已經失真，所以，可以根據這個原理來判斷路面是否達到壓實度。

4 結 語

溧寧高速公路采用的智能壓實技術是國內首次將這一前沿技術應用于高速公路，通過應用，得出了這一技術對工程質量的提升確實起到了引領的作用。

(1)這一技術通過衛星定位與導航系統，實現了無人駕駛，使壓路機能夠按照預設的程序自動判斷障礙物及邊緣，自動形式判斷里程樁號，自動停止制動，并且機群中所有設備能互相辨認和避讓。

(2)通過行進路線判斷能夠確保路面邊角的壓實，通過溫度的控制，確保碾壓質量，通過速度控制，可以達到均勻碾壓。

(3)通過激光測距，可以有效避免衛星信號缺乏時壓路機的自動控制。

(4)通過智能壓實值的采集，能夠做到壓路機對路面碾壓效果的點點監控，避免漏壓及不合格情況出現。

總之，智能碾壓技術是未來路面施工質量保證的有利保證，值得推廣應用。