智能碾壓技術在高速公路路基工程中的應用分析

周楊 吳尚駿 梁健健 杜青旺

摘要：文章以南寧沙井至吳圩高速公路為依托工程，對智能碾壓技術在高速公路路基工程的應用進行分析。通過智能碾壓技術將碾壓遍數、碾壓軌跡、層厚等數據以圖表形式直觀地呈現給壓路機手及管理人員，使其可以及時掌握路基工程施工質量，改變了以往憑感覺及施工經驗的質量把控方法，有效降低了人為因素的影響，全過程、全面域、全方位為業主、監理、施工各方提供最直觀的工程動態質量控制與更全面的路基壓實信息，降低少壓、漏壓的概率，有效保障路基施工質量。

關鍵詞：高速公路；路基施工；智能碾壓技術

中圖分類號：U416.1A030094

0引言

高速公路路基填筑施工具有工程量大、工序重復繁瑣、隱蔽性強等特點，且作業不夠規律，監管覆蓋率不高，易發生少壓、漏壓等問題，特別是趕工時期，人工監管難度更大，問題更容易出現，導致運營期間出現路基下沉、路面開裂等風險。本文就南寧沙井至吳圩公路（以下簡稱沙吳路）利用信息化手段實現路基施工智能碾壓技術進行分析。

1路基工程智能碾壓技術簡述

路基工程智能碾壓技術主要是利用寬幅路基碾壓集群協同壓實與全域智能檢測技術，使空間地理技術與振動反饋算法相結合，全天候、全過程、大范圍地監測振動壓路機的作業軌跡，以推算出某填筑區域壓實工程的實際狀況，即時地將層厚、碾壓遍數、碾壓軌跡等數據動態地提供給振動壓路機手、監理員，再結合必要的技術，解決以往人工監理難以完成的對每個作業面、每次填筑情況進行監控的問題，從而降低少壓、漏壓的風險，有效保證路基填筑質量，間接節約建設成本。

2施工工藝

在壓路機上安裝北斗高精度定位天線和壓實度傳感器，通過北斗定位和軟件系統實現對壓路機的精確定位和碾壓質量的控制。其工藝流程見圖1。

3工藝要點

3.1建立云中心及北斗衛星基站

在靠近主線且易于管理的地區建立云中心及北斗衛星基站，如項目部駐地、工區駐地等，用于接收及分析數據（應注意不靠近高壓線，以免影響信號）。

3.2安裝壓路機組件

通過在壓路機機身安裝不同類型傳感器，實現碾壓軌跡高精度定位、振動狀態實時感知、壓實效果動態展示、監測結果分級預警等。安裝順序為：將北斗定位天線安裝在壓路機頂部，主要功能是接受北斗衛星信號；智能顯示終端安裝在壓路機駕駛室內，主要功能是顯示壓實軌跡、遍數、壓實厚度等參數；數據采集單元安裝在壓路機身側或駕駛室內，主要功能是實時處理差分數據；震動傳感器安裝在壓路機前輪旁，主要功能為采集振動輪加速度，計算相對壓實度。詳見下頁圖2。

3.3路基碾壓

3.3.1路基填筑數據采集

監理單位和施工單位嚴格按照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）的要求完成含水率、干密度、液限、塑性指數、CBR值等土工試驗，并做好試驗路段的報告與總結，以確認不同路基填料的機械類型、松鋪強度、碾壓速率、碾壓遍數。

在路基填筑作業中，針對不同土質的填料，在軟件系統中需輸入對應的碾壓遍數、松鋪厚度區間、壓實厚度區間等參數。

3.3.2智能碾壓技術應用

智能碾壓技術是通過智能壓實控制系統軟件與加速傳感器實現的，需要在壓路機上安裝相關設備，可以在路基碾壓時做到實時監控。其主要是收集振動輪自身產生的作用力與路基反作用力而共同形成的反饋信息，通過智能壓實控制軟件實時處理，形成相應的質量評定和管理，對碾壓過程中的壓實效果進行質量控制和反饋管理。

路基碾壓按照常規工藝進行，碾壓開始前打開壓路機組件電源，并確認信號是否良好，確保北斗定位天線正常工作。若施工地點信號較弱，可在現場布置信號增強器，避免信息無法實時傳送。

系統根據需求場景不同，可分為施工模式和驗收模式。

（1）施工模式：在軟件系統中完整并正確輸入經過監理驗收認可的路基填筑試驗路填料的相關數據，然后按正常的路基填筑進行施工。在填方路基施工過程中，在壓路機顯示屏幕和后臺網站上，壓路機機手和相關管理人員可以看到當前的碾壓遍數、行駛速度等實時數據，并以紅、黃、綠（顏色可根據需求調整）顯示其相應的工作情況（如碾壓遍數、壓路機軌跡等）。施工單位現場管理人員和壓路機機手根據碾壓情況對少壓、漏壓現象進行整改，避免后期檢測發現帶來的費時費工的影響，降低整改成本。詳見圖3。

（2）驗收模式：根據試驗路得出的路基填筑相關參數，軟件系統可以顯示、記錄和保存施工路段的路基填方的施工情況，并可以打印格式進行簽認驗收，作為該段施工真實有效的驗收記錄。

3.3.3碾壓數據收集分析

碾壓數據通過北斗衛星天線及前置傳感器獲得，通過車載數據終端實現數據采集。路基智能碾壓實技術對路基填筑施工情況進行實時監測和記錄，可以引導施工人員及時發現施工局部區域的不合格現象，從而及時整改，極大地提高路基施工效率，降低整改成本。系統軟件可根據壓路機速度調整監測頻率，避免因壓路機速度不同時造成的監測漏項，如速度為2～4 km/h時，系統軟件為每10～20 cm監測一個斷面。通過智能碾壓技術，可以有效地做到全方位監控整個路基填筑施工情況，再結合實時可視化顯示和數據采集，不僅可以較好地全面掌握路基填筑壓實的均勻性，還可以充分了解施工路段壓實的局部情況，使隨機抽樣的常規監測變成針對性的關鍵（薄弱）區域控制監測，極大地提高常規監測的準確性，有效降低常規監測存在的不確定性，實現路基壓實的全面數字化施工。

3.3.4實時預警

通過微信公眾號或其他在線平臺建立線上預警平臺，主要預警松鋪厚度、壓實厚度、碾壓遍數三個指標，當指標與預設不符時系統將向管理人員發出警報。可根據項目需求建立不同模式的報警級別，如輕微波動、明顯偏差和嚴重偏差三級，向相應的管理人員發出信息，并進行相應的整改和復查銷項。詳見圖4。

4關鍵技術

4.1基于北斗衛星的施工機械高精度定位控制技術

在框定的電子圍欄內，以北斗衛星導航高精度定位技術為基礎，開展路基智能碾壓作業，通過建立高精度北斗衛星地面差分增強站網（CORS站）并對服務范圍內位置信息進行實時差分計算，部署壓路機機載北斗定位終端，實時監測壓路機作業位置，以實現目標壓路機的碾壓軌跡（cm級定位）與指定特征區域的碾壓遍數及壓實厚度。詳見圖5～6。

4.2路基壓實質量全時段智能檢測與軌跡誘導技術

根據壓路機加載設備上收集的相關數據及北斗定位數據，經過系統軟件實現實時處理，并由此形成相應的監管及驗收體系，實現了路基填筑的可視化、數字化施工，可以有助于建設單位和監理單位進行即時和有效的監管，從而降低漏壓、少壓現象，進一步保證路基穩定，為高速公路的安全營運打下堅實的基礎。

4.3路基碾壓工作集群信息交互與協同控制技術

國內外現有相關路基智能壓實技術均為控制單臺施工機械，不適用于寬幅路基施工過程中路基集群組合碾壓的工作模式。基于WebGL的數據輕量化分發與大數據分布式存儲技術，實現了碾壓集群間信息動態交互共享與智能協同控制，減少了同一工作區域內的壓路機重復碾壓的情況，提高了路基壓實效率。

5智能碾壓在沙吳路的應用情況

為能有效監控路基填筑的碾壓質量，降低返工帶來的時間和資源浪費，把控路基工程質量，沙吳路項目大力推廣應用路基施工智能碾壓技術，再輔以電子圍欄、數據采集、指標展示、動態預警及報表輸出等功能，實現了實時與數字化監控，保證了路基填筑質量。

5.1前期硬件調試安裝

在設備安裝調試前，項目對北斗高精度定位板卡的定位精度進行測試，分為靜態小范圍和靜態大范圍實驗。

5.1.1靜態小范圍實驗

在建設單位附近隨機選擇25 m2范圍內10個互不重合的點位，用鋼尺測量出任意兩點之間的實際距離L1，再將北斗定位天線分別放置在每個點位上，通過后臺結算軟件，計算出測量距離L2，通過L1和L2的對比，確定北斗定位板卡的定位精度。

經過L1和L2的數據比對，其部分實驗數據誤差分析見圖7。

由圖7可知，測試距離和實際距離在靜態小范圍標定實驗數據對比曲線圖中基本重合，測試誤差最大為1.8 cm，滿足工程應用要求。

5.1.2靜態大范圍實驗

在沙吳路工地現場400 m長度范圍內隨機確定50個互不重合的點位，用全站儀測量出任意兩點之間的實際距離L1，再將北斗定位天線分別放置在每個點位上，通過后臺結算軟件，計算出測量距離L2，通過L1和L2的對比，確定北斗定位板卡的定位精度。

經過數據測試對比，其部分實驗數據誤差分析見圖8。

由圖8可知，測試距離和實際距離在靜態大范圍標定實驗數據對比曲線圖中基本重合，測試誤差最大為2.3 cm，滿足工程應用要求。

通過靜態小范圍、大范圍實驗測試，北斗高精度定位板卡的定位精度滿足項目工程要求，其數據有效可用。

為了確保能對位置信息進行實時差分計算，實現壓路機碾壓軌跡厘米級定位與項目信號全覆蓋，項目分別在建設單位和兩個土建施工合同段駐地建立北斗衛星連續運行參考站（CORS）（共3個），并對其進行調試。

5.2設備安裝及調試

根據項目建設的進度開展情況，前期選取在SWK+335～SWK1+510工作區域的2臺壓路機安裝智能碾壓軟硬件設備，并改造其電路以實現壓路機儀表盤翹板開關一鍵啟動。在設備安裝調試完成后，開始基礎數據采集及分析工作。

在前期調試階段，2臺壓路機合計采集了8 536條壓實數據，同時在碾壓過程中對現場各層每遍壓實后進行灌砂法壓實度檢測以比對分析。

5.3存在的問題

（1）路基智能壓實值（CMV）會受到填料材質、填筑材料厚度、含水率、碾壓行駛速度以及激振力等多種因素的影響。如不同的填料材質內摩擦力不同、其他條件相同時CMV值會有明顯變化，每層填料攤鋪的厚度會對CMV值有直接影響，填料的含水率變化會對CMV值有直接影響等。同時現場指標變異性大，如現場土質條件、含水量變化大等，需要更多的現場壓實度、含水量、厚度檢測試驗結果作為數據擬合基礎，進一步提高壓實度與振動加速度的映射關系精度，使之更能進一步表征壓實度。

（2）為達到高精度數據采集，需到現場設置，數據采集頻率為每臺設備每秒鐘采集一組數據，數據由下位機通過串口到上位機，再通過4G模塊傳輸到服務器數據庫中。由于數據量巨大，特別是高精度數據計算量大，現有算法和硬件配置需進行優化。

（3）小范圍電子圍欄功能的實現需要配置便攜式北斗定位設備，并且進行相應軟件開發，保證數據能通過4G網絡與現有服務器數據庫中的數據進行對接，同時新增手持定位裝置需二次開發。

（4）現場部分區域信號不穩定，使北斗差分信號定位偏差，差分數據不能及時下發至定位終端，進而造成采集端出現數據漂移過大的情況。

5.4應對措施

根據前期開展的數據采集及分析工作，經過研究討論，采取以下措施進一步提高智能碾壓技術的可靠性：

（1）收集不同填筑材料的土質試驗報告，增加土體條件自動篩選匹配功能，提高相對壓實度計算精度和準確性；對陸續進場的壓路機安裝設備，在下路堤填筑中進行大范圍現場檢測實驗，通過大數據采集及分析尋找適應于沙吳路土體條件的壓實度與加速度的函數關系；同時建立了灌砂法壓實度檢測指標數據庫，以便后期與智能碾壓CMV數據進行回歸分析，推算出CMV與壓實度的關系。

（2）優化現有顯示算法，應對海量數據條件下快速顯示與計算的工程需求。主要針對現有條件下，沙吳路同一工作面3臺或以上壓路機在同一工作面碾壓施工的情況，完善采集軟件的響應速度與展示界面的精度。

（3）積極聯系北斗設備供應商，對手持式北斗定位設備進行選型，并對其軟件系統進行二次開發，實現手持端數據穩定快速上傳，與現有系統自動對接；同時在公路沿線信號較差的范圍增加4G信號增強設備，以保證信號穩定。

（4）對已安裝并開工的設備進行日常巡檢，對發現的技術問題進行及時指導。

（5）總結記錄壓路機機手實際使用中發現的問題，針對存在問題進行及時整改。

基于大數據的采集和比對，以及后續系統優化和完善，智能碾壓系統能準確反映出填筑過程中的碾壓軌跡、填筑厚度、碾壓遍數等關鍵指標，能準確定位碾壓設備的位置（需要在系統輸入項目的填筑范圍，避免壓路機在其他地方工作時發出誤報如碾壓便道或改路等）；同時根據項目需求，陸續開發出施工與驗收場景轉換、數據共享界面展示、手機報警、溯源以及報表輸出等功能。這不僅有助于壓路機手及時了解同一工作面其他壓路機的工作狀態，減少漏壓、少壓的可能性，更有助于管理人員能實時掌握碾壓動態，準確把握每次路基填筑的真實情況，保證路基穩定。

路基智能壓實值（CMV）雖然在一定程度上可以表征路基壓實度，但其影響因素較多。如填料性質、壓路機不一樣等會導致CMV值和壓實度的對應關系也有很大不同，需要進行較多的數據采集、對比及分析，工作量巨大，且某個項目的CMV與壓實度的對應關系在其他項目恐難以適用，故仍需采用灌砂法等傳統檢測方式進行實驗驗證。但可以與傳統檢測方法結合起來，使傳統檢測方法的隨機取樣性變成關鍵點、薄弱點的檢測，有利于提高檢測的效率和準確性。

6結語

智能碾壓技術將碾壓遍數、碾壓軌跡、層厚等數據以圖表形式直觀地呈現給壓路機手及管理人員，使其可及時掌握路基工程施工質量，改變以往憑感覺及施工經驗的質量把控方法，有效降低了人為因素的影響，全過程、全面域、全方位為業主、監理、施工各方提供最直觀的工程動態質量控制與更全面的路基壓實信息，降低少壓、漏壓的概率，有效保障路基施工質量。但目前壓實度只能通過大量試驗及大數據分析，從而建立與壓實度的間接關系，以推算出壓實度，其數值的真實有效性恐難以令所有人信服，因此如何與壓實度建立起直接關系，有效降低檢測技術工作量，進一步降低人工成本，應成為進一步研究的重點。

參考文獻

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基金項目：廣西重點研發計劃“智慧高速車路一體技術研究與示范項目”（編號：桂科AB21196008）

作者簡介：周楊（1985—），工程師，主要從事高速公路建設工作。