橋面瀝青混合料高質量智能鋪裝施工技術應用

劉廷杰、張韜、徐衛峰

（昆山市交通工程發展中心，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

傳統的攤鋪機是人工駕駛的，在攤鋪機施工期間，其熨平板由平衡梁或掛線控制。行車軌跡由攤鋪機駕駛員決定，人工操作無法實時監測攤鋪高程、攤鋪軌跡、攤鋪速度和混合料溫度等參數。為此，可將施工管控技術與3D 控制技術引入攤鋪施工中，實時監測調整攤鋪狀態，提高攤鋪質量，提高攤鋪機施工智能化水平[1-3]。近幾年，隨著國內人工智能的不斷發展，施工質量遠程監控技術日趨完善，并投入實際生產中，實現了攤鋪施工過程的監管[4]。3D 控制技術將現代測量技術與攤鋪機結合，實現了攤鋪機熨平板高程的自動控制[5-6]。本文將兩種技術進行結合，研究出一種高精度瀝青攤鋪智能控制方法，為橋面的瀝青混合料智能化攤鋪提供新的發展思路。

1 基于北斗的瀝青橋面攤鋪管控系統

1.1 瀝青橋面攤鋪質量管控關鍵指標

影響攤鋪機攤鋪結果的作業參數有很多，本文結合工程經驗分析各作業參數對鋪層質量的影響，最終選擇出攤鋪管控關鍵參數包括：攤鋪溫度、攤鋪速度、攤鋪里程等。

1.2 攤鋪機攤鋪軌跡實時定位及測速算法

本文采用北斗+GPS 的RTK 高精度定位技術，該技術是在北斗定位技術和普通RTK 定位算法的基礎上，研制開發的動態調整差分實時結算技術。與國內GPS 信號不穩定的缺陷相比，北斗+GPS 定位技術的穩定性更高，并且擁有更優秀的定位能力，通過實地在一個靜止點的RTK 定位實測數據，可知GPS+北斗的定位精度為平面±5mm，高程±1cm。通過將攤鋪起始點左側熨平板位置定義為基準點，以攤鋪縱向為縱軸，與攤鋪縱向垂直的方向為橫軸，建立攤鋪機施工坐標系。根據攤鋪機施工平面坐標，以開始施工時攤鋪機左側熨平板底腳位置為基準點，標記為O，將攤鋪機攤鋪時的橫坐標標記為A，縱坐標標記為S，則任意時刻定位位置的坐標為（Ak，Sk），如圖1 所示。

圖1 攤鋪機施工軌跡坐標系

則攤鋪機的縱向坐標如下：

式（1）～式（2）中：

X0——赤道至該點的子午線弧長；

B——以度為單位的緯度；

l——大地經度與投影帶中央子午線經度差，l=L-L0，其中L為點的經度，L0為點中央子午線的經度。

考慮橋面較寬的情況下多臺攤鋪機同步作業的情況，攤鋪機的橫向坐標可通過下列公式計算：

式（5）中：T為采樣間隔。

2 基于3D 機械控制的高精度攤鋪技術研究

2.1 攤鋪高程3D 自動控制系統研究

攤鋪機熨平板3D 機械控制技術涉及空間信息、傳感器技術、機械設計、液壓、自動控制等多個學科，其工程適用性強、攤鋪效率高、受人為測量誤差影響小，可用于高精度、大規模橋面攤鋪作業的技術。根據攤鋪機自身的特點，結合其作業過程，3D 機械控制系統由攤鋪機、量測設備、機載設備以及軟件系統組成。為保證橋面的攤鋪高程，本文以熨平板作為執行結構，設計時在熨平板兩端設置雙360°棱鏡，使左右兩液壓缸分別獨立控制，實現熨平板高程控制和姿態調整，總體設計如圖2 所示。

圖2 系統總體設計框圖

2.2 熨平板姿態測量與控制原理研究

瀝青混合料攤鋪過程中需要實時監測攤鋪機熨平板的姿態，利用控制算法在攤鋪作業過程中使熨平板按照控制文件調整姿態，提高作業精度。本文選用雙360°棱鏡和傾角傳感器進行熨平板姿態的測量，攤鋪機熨平板的姿態控制原理如圖3 所示。

圖3 數字化施工三維數字建模

3 工程應用與社會經濟效益分析

試驗段按照傳統攤鋪和3D 攤鋪兩種方法平行施工，攤鋪機1 安裝3D 控制系統，攤鋪機2 采用傳統2D攤鋪控制方式。為了對比傳統攤鋪和3D 攤鋪施工技術質量方面的差異，按照每公里為一個單元采集線形、平整度、厚度和壓實度等數據，結果如表1-表4所示。

表1 線形檢測數據

表2 平整度度檢測數據

表3 鉆芯取樣厚度檢測數據

表4 壓實度檢測數據

由表1-表4 可知，橋面智能施工技術可以精確控制橋面高程、平整度，保證壓實質量的均勻性、可靠性，實現橋面施工的精準化、智能化、自動化、標準化等目標。

4 結語

本文結合橋面攤鋪施工質量面臨的問題，圍繞“信息化”和“3D 機械控制”兩個方面，針對攤鋪機開展橋面智能施工技術應用研究，開發了基于北斗+GPS 高精度差分定位技術的攤鋪軌跡和攤鋪速度算法，并結合實際工程應用對比傳統攤鋪方法，可知本文所研究的技術可以明顯提升橋面施工質量，具有良好的社會效益。