高速公路工程施工機(jī)械自動化與無人化技術(shù)

唐小乂

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路三分公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和交通需求的增加，高速公路建設(shè)和維護(hù)工作變得越來越重要。在傳統(tǒng)的施工過程中，人工操作機(jī)械設(shè)備需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源，同時(shí)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究高速公路工程施工機(jī)械的自動化與無人化技術(shù)具有重要的意義。通過引入自動化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自主操作和監(jiān)測，提高施工效率和質(zhì)量，減少人為因素帶來的錯誤和事故，實(shí)現(xiàn)施工過程的自動化、智能化和高效化，不僅為高速公路建設(shè)提供了新的解決方案，而且為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾出行提供更好的道路條件。

1 機(jī)械自動化與無人化技術(shù)概述

機(jī)械自動化技術(shù)是指利用機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化。它可以通過傳感器、執(zhí)行器和控制器等組件，實(shí)現(xiàn)對材料的運(yùn)輸、加工、裝配等工序的自動化操作。機(jī)械自動化技術(shù)提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了勞動強(qiáng)度和人為錯誤，促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化。無人化技術(shù)是指在特定的環(huán)境和任務(wù)下，通過無人系統(tǒng)和無人設(shè)備實(shí)現(xiàn)工作的自主完成。例如，無人駕駛技術(shù)可以使車輛在沒有人員操控的情況下進(jìn)行自主導(dǎo)航和行駛。無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、勘察、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。無人化技術(shù)不僅提高了工作效率和安全性，還拓展了人類活動的范圍和可能性[1]。機(jī)械自動化與無人化技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，它們以機(jī)器和電子技術(shù)為基礎(chǔ)，通過自動化設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對工作過程和任務(wù)的自主完成，減少對人力的需求。

2 機(jī)械自動化技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用

2.1 自動化挖掘機(jī)的應(yīng)用

自動化挖掘機(jī)是高速公路工程中常見的施工機(jī)械之一，其應(yīng)用可以大大提高挖掘作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的挖掘機(jī)需要由操作員手動控制，操作過程中容易受到人為因素的影響，導(dǎo)致作業(yè)不穩(wěn)定和效率低下。而自動化挖掘機(jī)則可以通過激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器感知周圍環(huán)境，通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)自主地進(jìn)行挖掘作業(yè)。它能夠準(zhǔn)確地識別地面的高度和坡度，自動調(diào)整挖掘深度和角度，避免因人為操作而引起的誤差。此外，自動化挖掘機(jī)還能夠通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的作業(yè)規(guī)劃和路徑選擇，從而提高施工效率和質(zhì)量。

2.2 自動化鋪設(shè)機(jī)的應(yīng)用

自動化鋪設(shè)機(jī)是高速公路施工中一種重要的機(jī)械設(shè)備，它主要用于瀝青、水泥等材料的鋪設(shè)和壓實(shí)。傳統(tǒng)的鋪設(shè)機(jī)需要由操作員手動控制，工作過程中容易受到施工人員技術(shù)水平和操作疲勞等因素的影響，導(dǎo)致鋪設(shè)質(zhì)量不穩(wěn)定。而自動化鋪設(shè)機(jī)則可以通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)和傳感器，實(shí)現(xiàn)自動化的施工過程。它能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求自動調(diào)整鋪設(shè)速度和壓實(shí)力度，保證施工質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。此外，自動化鋪設(shè)機(jī)還能夠通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，避免材料浪費(fèi)和施工缺陷，提高施工效率和質(zhì)量。

2.3 自動化壓實(shí)機(jī)的應(yīng)用

自動化壓實(shí)機(jī)在高速公路的路面壓實(shí)工作中起到重要的作用。傳統(tǒng)的路面壓實(shí)通常需要大型的壓路機(jī)和熟練的操作人員，而自動化壓實(shí)機(jī)的應(yīng)用可以減少對人力的需求，并提高施工的效率和質(zhì)量。首先，自動化壓實(shí)機(jī)利用激光測距儀和振動傳感器等高精度傳感器，實(shí)時(shí)測量路面的坡度和密實(shí)度。這些傳感器可以準(zhǔn)確地獲取路面的形態(tài)信息和振動情況。通過與預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行比對，自動化壓實(shí)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況自動調(diào)整振動頻率和行進(jìn)速度等參數(shù)，以達(dá)到最佳的壓實(shí)效果。相比傳統(tǒng)的手動調(diào)整方式，自動化壓實(shí)機(jī)可以更加精確地控制壓實(shí)過程，提高施工的穩(wěn)定性和一致性。其次，自動化壓實(shí)機(jī)具備自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的能力。通過激光掃描儀等傳感器，自動化壓實(shí)機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境的信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的施工圖紙和地形條件自動規(guī)劃行進(jìn)路徑。這使得自動化壓實(shí)機(jī)能夠避免重復(fù)壓實(shí)和漏壓的情況，提高施工效率和壓實(shí)質(zhì)量。同時(shí)，自動化壓實(shí)機(jī)還能夠根據(jù)地形的變化實(shí)時(shí)調(diào)整行進(jìn)速度和振動頻率，確保不同部位的路面均勻受力，減少壓實(shí)過程中的不均勻性。最后，自動化壓實(shí)機(jī)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作的功能。通過與中心控制系統(tǒng)的連接，施工人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作多臺自動化壓實(shí)機(jī)。這種遠(yuǎn)程操作方式不僅提高了施工人員的安全性，還大大節(jié)約了人力資源和運(yùn)營成本。同時(shí)，中心控制系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)收集和記錄壓實(shí)過程的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的施工質(zhì)量評估和維護(hù)提供參考依據(jù)。

2.4 自動化混凝土攪拌車的應(yīng)用

自動化混凝土攪拌車在高速公路施工中扮演著重要角色。傳統(tǒng)的混凝土攪拌需要大量的人力投入和操作，而自動化混凝土攪拌車的應(yīng)用可以極大地提高施工效率和質(zhì)量。自動化混凝土攪拌車具備自動計(jì)量、自動攪拌和自動卸料的功能，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的配比和攪拌時(shí)間自動完成混凝土的制備過程。同時(shí)，自動化混凝土攪拌車還可以通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土的流動性和均勻度，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和控制，以確保混凝土的質(zhì)量和一致性。自動化混凝土攪拌車不僅提高了施工效率，還減少了人為操作的誤差和浪費(fèi)，同時(shí)降低了勞動強(qiáng)度和施工風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3 無人化技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用

3.1 無人駕駛車輛在物料運(yùn)輸和清理工作中的應(yīng)用

物料運(yùn)輸和清理是高速公路施工過程中必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的物料運(yùn)輸和清理通常需要大量的人力投入和時(shí)間成本，并且存在人為操作的誤差和安全風(fēng)險(xiǎn)。而無人駕駛車輛的應(yīng)用可以提高物料運(yùn)輸和清理的效率，減少人力投入和施工時(shí)間。一方面，無人駕駛車輛能夠?qū)崿F(xiàn)自主的物料運(yùn)輸。通過先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器，無人駕駛車輛可以準(zhǔn)確地識別道路和周圍環(huán)境，避開障礙物，并按照預(yù)定的路徑進(jìn)行物料運(yùn)輸。相比傳統(tǒng)的人工運(yùn)輸，無人駕駛車輛能夠提高運(yùn)輸速度和準(zhǔn)確性，減少人力投入和運(yùn)輸時(shí)間。另一方面，無人駕駛車輛能夠自動清理工地。在高速公路施工中，清理工地是一項(xiàng)重要且煩瑣的任務(wù)。無人駕駛車輛通過搭載清掃設(shè)備和傳感器，能夠自主地清理工地上的垃圾和雜物。這不僅能夠提高清理效率，還能夠減少人力投入和降低清理工作對環(huán)境的影響。此外，無人駕駛車輛的應(yīng)用還能夠提高施工安全性。傳統(tǒng)的物料運(yùn)輸和清理工作涉及人員在高速公路上行走，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而無人駕駛車輛的應(yīng)用則可以避免這些風(fēng)險(xiǎn)，減少人員在施工區(qū)域的活動，提供更安全的工作環(huán)境。

3.2 無人機(jī)和遙感技術(shù)在勘察和監(jiān)測中的應(yīng)用

勘察和監(jiān)測是高速公路施工前期和施工過程中非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的勘察和監(jiān)測通常需要大量的人力投入和復(fù)雜的操作程序，而無人機(jī)和遙感技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)快速、精確和全面的勘察和監(jiān)測。首先，無人機(jī)在高速公路施工前期的勘察中起到了關(guān)鍵作用。無人機(jī)可以搭載高分辨率的攝像頭和激光雷達(dá)等設(shè)備，通過空中拍攝和掃描，可以獲取大范圍、高精度的地形數(shù)據(jù)和圖像。這些數(shù)據(jù)可以用于路線規(guī)劃、地質(zhì)勘察和環(huán)境評估等工作，為后續(xù)的施工設(shè)計(jì)提供重要參考。無人機(jī)還可以實(shí)時(shí)傳輸勘察數(shù)據(jù)，提高勘察效率和準(zhǔn)確性。其次，遙感技術(shù)在高速公路施工過程中的監(jiān)測中具有重要意義。通過搭載各種傳感器和攝像頭，遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取高速公路施工現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，如地形變化、土壤濕度、施工設(shè)備狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，為施工管理者提供及時(shí)的決策依據(jù)。遙感技術(shù)還可以自動識別和報(bào)警施工現(xiàn)場的安全隱患，提高施工安全性。此外，無人機(jī)和遙感技術(shù)還可以在施工過程中進(jìn)行質(zhì)量檢測和維護(hù)。無人機(jī)可以飛越施工現(xiàn)場進(jìn)行巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工缺陷和質(zhì)量問題，并通過攝像頭拍攝和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，為施工管理者提供及時(shí)的處理建議。遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測施工材料和結(jié)構(gòu)的物理性能，如溫度、壓力、應(yīng)變等，并進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，保證施工質(zhì)量和安全[3]。

3.3 機(jī)器人技術(shù)在施工作業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)器人可以在施工現(xiàn)場執(zhí)行各種任務(wù)，提高施工效率和質(zhì)量。首先，機(jī)器人可以用于環(huán)境監(jiān)測和測量。在施工過程中，機(jī)器人可以通過傳感器和攝像頭等裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測施工現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度和空氣質(zhì)量等，幫助工作人員了解施工環(huán)境的情況，機(jī)器人還可以進(jìn)行精確的測量，如土壤、地下管線和道路等，以確保施工的準(zhǔn)確性和安全性。其次，機(jī)器人技術(shù)還可以應(yīng)用于建筑和維護(hù)工作。在高速公路的施工過程中，機(jī)器人可以承擔(dān)一些繁重和危險(xiǎn)的任務(wù)，如搬運(yùn)重物、挖掘和填充土壤等。機(jī)器人具備穩(wěn)定性和精確性，可以減少人力勞動的參與，提高施工效率和安全性。此外，機(jī)器人還可以用于維護(hù)工作，如維修和更換道路標(biāo)志、路燈和護(hù)欄等。機(jī)器人可以以更快的速度和更高的準(zhǔn)確性進(jìn)行維修，減少對交通的影響和工作人員的風(fēng)險(xiǎn)。最后，機(jī)器人技術(shù)可以在施工垃圾處理方面發(fā)揮重要作用。在高速公路施工過程中，產(chǎn)生大量的垃圾和廢棄物需要處理。機(jī)器人可以通過自動分揀和分類的方式，將垃圾進(jìn)行有效的處理和回收。這不僅可以減少環(huán)境污染，還可以提高資源利用率。機(jī)器人的應(yīng)用可以提高施工垃圾處理的效率和質(zhì)量，減少對人力的依賴和風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 自主導(dǎo)航系統(tǒng)在施工機(jī)械中的應(yīng)用

自主導(dǎo)航系統(tǒng)是指通過先進(jìn)的傳感器和算法，使機(jī)械設(shè)備能夠自主地進(jìn)行導(dǎo)航和操作。在高速公路施工中，自主導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大提高施工機(jī)械的效率和安全性。一方面，自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械的自動導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。通過激光雷達(dá)、攝像頭和GPS 等傳感器，自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以獲取實(shí)時(shí)的位置和環(huán)境信息，從而確定最佳的行進(jìn)路徑。施工機(jī)械可以根據(jù)預(yù)設(shè)的任務(wù)和地形條件，自主地選擇最優(yōu)的路徑，并避開障礙物和危險(xiǎn)區(qū)域，提高施工效率和安全性。另一方面，自主導(dǎo)航系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械的避障和碰撞預(yù)警功能。通過激光雷達(dá)和超聲波傳感器等裝置，自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境，并預(yù)測可能的碰撞和危險(xiǎn)情況。當(dāng)施工機(jī)械接近障礙物或其他車輛時(shí)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)并自動采取避免碰撞的措施，避免事故的發(fā)生。此外，自主導(dǎo)航系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋。通過傳感器和無線通信技術(shù)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以將施工機(jī)械的工作狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂剖遥瑢?shí)現(xiàn)對施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。這不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，還可以提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，提高施工的效率和質(zhì)量[4]。

4 機(jī)械自動化與無人化技術(shù)在高速公路工程中的協(xié)同應(yīng)用

機(jī)械自動化和無人化技術(shù)的協(xié)同作業(yè)是指將機(jī)械自動化技術(shù)和無人化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備之間的信息共享和任務(wù)協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的協(xié)同作業(yè)。具體來說，機(jī)械自動化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自主感知和控制，從而準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)；而無人化技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備的自主運(yùn)動和作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的快速完成。

在高速公路施工中，機(jī)械自動化和無人化技術(shù)的協(xié)同作業(yè)應(yīng)用廣泛。具體應(yīng)用場景包括有以下幾個方面：①在隧道施工中，可以使用自動化鏟車和無人化運(yùn)輸車進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。鏟車通過自主感知和控制，挖掘隧道土方；而運(yùn)輸車則通過自主運(yùn)動和作業(yè)，將土方運(yùn)離施工現(xiàn)場。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質(zhì)量，減少人力投入和安全風(fēng)險(xiǎn)。②在橋梁施工中，可以使用自動化起重機(jī)和無人化焊接機(jī)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。起重機(jī)通過自主感知和控制，準(zhǔn)確地進(jìn)行吊裝作業(yè)；而焊接機(jī)則通過自主運(yùn)動和作業(yè)，實(shí)現(xiàn)橋梁焊接。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質(zhì)量，降低人力投入和安全風(fēng)險(xiǎn)。③在路面維修中，可以使用自動化修補(bǔ)機(jī)和無人化清掃機(jī)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)[5]。修補(bǔ)機(jī)通過自主感知和控制，進(jìn)行路面修補(bǔ)；而清掃機(jī)則通過自主運(yùn)動和作業(yè)，進(jìn)行路面清掃。這種協(xié)同作業(yè)方式可以提高施工效率和質(zhì)量，減少人力投入和安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

綜上所述，高速公路工程施工機(jī)械自動化與無人化技術(shù)的發(fā)展，為高速公路建設(shè)帶來了巨大的變革和進(jìn)步。這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了施工效率，降低了成本，還減少了人為錯誤的發(fā)生。通過協(xié)同應(yīng)用，我們能夠更好地利用機(jī)械自動化和無人化技術(shù)，推動高速公路建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。隨著科技的不斷進(jìn)步，相信這些技術(shù)將繼續(xù)創(chuàng)新和演進(jìn)，為未來的高速公路建設(shè)提供更加可持續(xù)和智能化的解決方案，助力社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民出行條件的改善。