公路工程機械數字化施工系統應用研究

摘要 通過在公路工程中合理地運用數字化施工技術，能夠大幅提高工程建設質量和效率。為提升數字化施工技術的運用成效，文章先是對數字化及數字化施工作出了簡要介紹，然后以某公路工程瀝青路面攤鋪施工為例，分別從數字化施工系統構成以及各個子系統的運用等方面，針對數字化施工系統的應用展開了深入探討，從而助推公路工程數字化建設不斷向好發展。

關鍵詞 公路工程；機械設備；數字化施工系統；科學運用

中圖分類號 U415.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0150-03

0 引言

數字化施工是現代公路工程建設活動的一個主要發展方向，通過對數字化施工技術的合理運用，能夠提高公路工程的建設成效，顯著提升工程建設安全性，對公路工程的長遠發展有著十分積極的意義。因此，有必要對公路工程機械數字化施工系統的應用做出深入研究，確保數字化施工技術能夠在公路工程中充分發揮應有效用。

1 數字化及數字化施工概述

1.1 數字化

數字化指的是借助信息轉換技術將復雜多變的信息轉變為容易被人們理解和認識的數字的過程。目前來看，數字化屬于信息技術發展進步的一個高級階段，同時也是數字經濟的關鍵推動力，其實現過程主要包括以下幾個環節（如圖1所示）。

（1）信息采集。可以轉化為一系列數字信號的設備，通常為信息采集器。

（2）信息處理。主要借助計算機系統及各類軟硬件對采集的信息開展處理活動。

（3）信息傳輸。借助網絡開展信息傳輸活動。

（4）執行。主要指的是信息表現以及實現。

1.2 數字化施工

數字化施工指的是借助多種先進的技術手段（常見數字化施工技術如表1所示），將公路工程整個施工過程實施數字化、信息化以及智能化轉變，達到持續提高工程建設效率、質量、安全性及經濟效益的目的。目前來看，開展數字化施工的價值和意義主要體現在以下幾個方面。

（1）數字化施工可以做到24 h不間斷開展建設活動，能夠縮短工程建設時間，顯著提高施工效率，也有助于進一步提高工程造價控制成效。

（2）數字化施工能夠極大減少人工作業，并且可以對設備及施工作業開展實時動態監控，有助于提升工程建設活動的安全性，大幅降低安全事故出現的概率。

（3）數字化施工能夠提高工程建設的精度，避免出現材料浪費或質量隱患等問題，同時也能精簡作業環節，如可以省去人工打樁放樣或人工測量等工作，有助于降低施工成本，提高工程建設經濟效益。

（4）數字化施工使整個施工過程變得更加透明化，可幫助相關工作人員更好地了解和掌握工程進度、安全性以及質量[1]。

2 案例介紹

案例工程為國內某市高速公路工程建設項目，建設長度為73.6 km，案例段為32.8 km，路基寬度為39 m，路面寬度設計為33.75 m，結構設計如表2所示，該工程為雙向6車道，時速設定為120 km/h。案例工程主要工程量：設計橋梁10座，長度共計4 781.6 m；涵洞建設項目6座，全長共計197.3 m；路基方面土石挖方工程量約為476.5萬立方米，填方接近356.8萬立方米。在開展瀝青路面攤鋪作業期間，為了提高攤鋪效率和質量，案例工程運用了數字化機械控制系統，取得了理想建設成效，為此以該工程為例針對公路工程機械數字化施工系統的應用做出深入分析和探討。

3 公路工程機械數字化施工系統應用研究

3.1 系統構成

案例工程所用數字化機械控制系統依照具體的操作流程主要包括4個部分，分別為數據獲取傳輸、接收、分析、呈現。若是依照整體結構來看，則分為攤鋪監控以及壓實監控等系統，每個系統獨立運行，也能夠借助共享數據庫開展實時聯動，攤鋪監控及壓實監控系統屬于整個數字化機械控制系統中的核心內容。具體建設情況如下。

3.1.1 攤鋪監控系統

案例工程的攤鋪監控系統構成部分眾多（如表3所示），其功能的實現如下：

首先，紅外溫度傳感器，主要借助橫向分布的形式陣列，間距設定為1.2～1.5 m之間，用于定頻開展攤鋪面溫度的獲取工作，掃描頻率為1次/m。由于溫度測點在攤鋪面中可以實現均勻分布，因此，將單點溫度數據充分整合，從而構建出溫度分布云圖，這樣能夠針對路面攤鋪溫度做出全面的監管。但在實際安裝期間，需要保證所有紅外溫度傳感器應合理地安裝在攤鋪機后方，并且均勻陣列。

其次，案例工程將數據處理終端安裝在攤鋪機操作平臺的合適位置，然后需要將其與各類傳感器進行連接，包括距離、溫度和測距傳感器等。

最后，案例工程將數據終端以及攤鋪機電容連接，然后通過溫度自動化監測系統合理地設置監測參數，包括起始狀況、具體標段信息、采集頻率等，對整個攤鋪過程開展全面監控[2]。

3.1.2 壓實監控系統

壓實監控系統主要由溫度傳感器、中心控制、電源、GPS、自組網、顯示終端多個模塊構成。中心控制模塊屬于該系統的核心內容，主要用來接收、存儲壓路機的數據信息，包括位置及路面寬度等，將這些數據信息加工處理，使其轉變為可以利用顯示終端模塊進行顯示的數字化信息，然后操作人員便能夠借助顯示屏動態實時地了解現階段路面攤鋪、壓實情況。除此之外，在壓路機車身兩側，案例工程還設立了紅外溫度傳感器，并在壓路機中安裝了局域網，讓多臺壓路機開展協同作業，實時共享所有的碾壓數據信息。另外，案例工程設計和運用的數字化機械控制系統中基站是關鍵內容，采用的是現階段廣泛運用的智能全站儀基站，具體安裝需要根據施工需求確定，以保證能夠獲取攤鋪儀器的有關數據信息。

3.2 攤鋪控制系統的運用

案例工程的攤鋪控制系統具體構成涉及全站儀基站和上述提到的智能化監控系統，在實際運行期間能夠智能化地對攤鋪坡度、高程、厚度等開展全面管控，具體如下。

3.2.1 坡度以及高程管控

案例工程攤鋪控制系統在實際運行期間，對于設置在控制點的全站儀基站能夠準確地獲取攤鋪機中設置的棱鏡三維坐標信息，實現±3 mm范圍內的定位，數據傳輸系統能夠為中心控制系統不斷提供數據信息，此時數據控制箱則可以實時動態地對這些坐標信息開展處理工作，將這些信息和提前設定好的三維坐標數據信息開展對比分析活動，從而生成高程信息和比例驅動信號。再借助液壓驅動裝置使牽引臂液壓油缸發生對應的變化，最終達到調整熨平板工作方向的目的，這樣便可以對攤鋪道路的高程和坡度進行調控，從而更好地符合路面波動要求，進一步增強路面高程及坡度的可靠性、準確性[3]。

3.2.2 平整度及厚度的管控

傳統瀝青路面攤鋪作業一般會運用10 m方樁，然后安裝鋼絲繩，借助2D監控系統開展攤鋪作業，此種方式有可能對最終攤鋪水平產生不利影響。由于瀝青路面每2個結構層之間的部分通常受到下層表面的影響和限制，如果下層表面出現了高低起伏問題，那么完成攤鋪作業后的表面必然也會存在同樣的起伏問題。而數字化機械控制系統主要為智能化及自動化管控技術，能夠在維護攤鋪厚度的前提下，借助熨平板內部設置的坡度傳感器，高效地獲取具體的攤鋪位置信息，然后控制牽引臂的液壓油缸，對熨平板的工作方向做出調整，從而確保攤鋪厚度符合相關標準和要求，為接下來的碾壓作業打下基礎，提高數字化施工建設成效[4]。

3.3 壓實控制系統的應用

壓實控制系統發揮的關鍵作用是對整個碾壓過程做出全面監管，核心管理對象包括路跡和壓實狀況等，案例工程壓實控制系統實際運行期間主要涉及以下兩大內容。

（1）數據采集模塊。在開展數字化壓實活動期間，壓實監控系統極為關鍵，為提高監控成效，案例工程強調對全站儀基站做出科學運用，同時在施工現場組建一系列網絡設備，從而可以實時獲取壓路機的運行信息及數據。在壓實控制系統運行過程中，操作人員借助移動終端設備顯示收集到的相關數據信息，進而了解壓路機運行方向和軌跡，并分析出壓路機是否依照設定的方向運行，然后做出適當的指示和調控。

（2）數據傳輸模塊。屬于壓路機智能監控系統實現穩定高效運行的關鍵，該模塊能夠將碾壓期間壓路機產生的數據快速地上傳到服務器系統和顯示終端，做到實時監管，提高壓實作業成效。例如，案例工程在每臺壓路機內都安裝了壓實度傳感裝置，能夠實時地將所有壓實數據信息上傳到壓路機顯示終端上，這樣機械操作人員能夠準確掌握路面壓實情況，從而更合理地開展壓實作業，防止產生不必要的多余碾壓以及欠壓情況，既可以提高瀝青路面碾壓作業成效，還能減少資源浪費，提升工程建設經濟效益。除此之外，壓實度信息還能直接打印或共享，使監理人員全面清晰地了解和把握各段碾壓工作質量，從而提高審核確認成效，而且這些數據信息的存儲記錄，可實現碾壓作業追蹤回溯，一旦出現質量等問題，便于追究相關人員的工作責任。

3.4 數據處理系統的應用

數據處理系統屬于整個數字化控制系統的核心部分，其實現穩定高效運行，能夠將各類數據信息高效處理、分析及管控，從而降低攤鋪及碾壓作業的失誤概率，進一步提高數字化施工成效，具體如下。

3.4.1 攤鋪作業數據處理

攤鋪控制系統能夠實時查看攤鋪作業參數，包括溫度、速度等，并且可以根據設定的數據，始終讓攤鋪機作業保持在適合的速度上，如案例工程設定為3 m/min，該系統便可讓攤鋪機的作業速度始終處于3 m/min左右，有助于提升作業的穩定性及可靠性。

3.4.2 碾壓作業數據處理

碾壓控制系統同樣可以對壓路機的作業數據做出有效管控，以案例工程雙鋼輪壓路機的碾壓作業為例，其碾壓速度要求保持在3～4.5 km/h之間，初壓要求達到2遍，復壓達到5遍，終壓達到2遍，在開展壓實作業期間，監控系統及顯示終端能夠將壓路機碾壓作業的數據信息進行處理并顯示在顯示器屏幕上。操作人員結合這些數據信息，可及時開展優化調整工作，從而保證各項數據符合設計要求，提高碾壓效率和質量[5]。

3.5 應用效果分析

案例工程借助對數字化施工機械控制系統的合理運用，大幅提高了瀝青路面的整體施工效率和質量。具體體現在以下幾個方面。

（1）借助該數字化控制系統，能夠提高施工速度，顯著降低施工成本。在開展施工作業期間，相關監管人員以及操作人員可以借助該系統對攤鋪機以及壓路機等開展實時監控，從而可以保證攤鋪作業切實符合設計要求，減少欠壓、漏壓等問題，還能夠減少人工干預，從而在保證攤鋪和碾壓質量的同時，減少各環節的作業時間，提高施工效率。此外，還能持續提高各類機具的使用率，有效降低能耗以及人工費用，獲取良好的降低成本效果。

（2）能夠開展整個施工作業的全過程管控。對于壓實控制系統以及攤鋪控制系統來講，兩者均能實時有效地監控相關機械的作業速度、軌跡還有作業遍數等一系列關鍵數據參數，從而便于現場相關工作人員及時調整和改進，可達到整個作業過程智能化、自動化監督的目的。

（3）能夠提高管理成效。借助監控系統，案例工程管理人員能夠遠程實時查看作業現場的攤鋪以及壓實進程，并且隨時獲取與作業質量有關的各類數據信息，從而能夠隨時開展相關管理活動，達到提高管理效率和質量的目的。此外各類數據信息還可以實現有效存儲、記錄，便于開展工程質量問題的回溯追究工作，還能為返工以及后期養護等活動提供支持和幫助。

4 結語

綜上所述，在互聯網、大數據以及人工智能等多種技術手段高速發展的背景下，公路工程施工建設活動不斷地向著數字化、智能化、自動化方向發展，顯著提高了整體建設成效。此次研究以某公路工程為例，針對公路工程機械數字化施工系統的具體應用策略做出了深入研究，經分析驗證具備良好的可行性，能夠解決數字化施工系統設計不合理、運用不當等引發的施工效果不佳的問題，值得推廣和借鑒。

參考文獻

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[5]朱子翔. 基于信息技術的數字安全管理系統在公路工程中的應用研究[J]. 重慶建筑， 2022（11）： 13-16.

收稿日期：2023-11-17

作者簡介：韓海慶（1984—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程。