智能碾壓技術(shù)在高速公路路基工程中的應(yīng)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(shù)在高速公路路基工程的應(yīng)用進(jìn)行分析。通過智能碾壓技術(shù)將碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、層厚等數(shù)據(jù)以圖表形式直觀地呈現(xiàn)給壓路機(jī)手及管理人員，使其可以及時(shí)掌握路基工程施工質(zhì)量，改變了以往憑感覺及施工經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)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(yè)主、監(jiān)理、施工各方提供最直觀的工程動態(tài)質(zhì)量控制與更全面的路基壓實(shí)信息，降低少壓、漏壓的概率，有效保障路基施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高速公路；路基施工；智能碾壓技術(shù)

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(fù)繁瑣、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，且作業(yè)不夠規(guī)律，監(jiān)管覆蓋率不高，易發(fā)生少壓、漏壓等問題，特別是趕工時(shí)期，人工監(jiān)管難度更大，問題更容易出現(xiàn)，導(dǎo)致運(yùn)營期間出現(xiàn)路基下沉、路面開裂等風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)現(xiàn)路基施工智能碾壓技術(shù)進(jìn)行分析。

1路基工程智能碾壓技術(shù)簡述

路基工程智能碾壓技術(shù)主要是利用寬幅路基碾壓集群協(xié)同壓實(shí)與全域智能檢測技術(shù)，使空間地理技術(shù)與振動反饋算法相結(jié)合，全天候、全過程、大范圍地監(jiān)測振動壓路機(jī)的作業(yè)軌跡，以推算出某填筑區(qū)域壓實(shí)工程的實(shí)際狀況，即時(shí)地將層厚、碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡等數(shù)據(jù)動態(tài)地提供給振動壓路機(jī)手、監(jiān)理員，再結(jié)合必要的技術(shù)，解決以往人工監(jiān)理難以完成的對每個(gè)作業(yè)面、每次填筑情況進(jìn)行監(jiān)控的問題，從而降低少壓、漏壓的風(fēng)險(xiǎn)，有效保證路基填筑質(zhì)量，間接節(jié)約建設(shè)成本。

2施工工藝

在壓路機(jī)上安裝北斗高精度定位天線和壓實(shí)度傳感器，通過北斗定位和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對壓路機(jī)的精確定位和碾壓質(zhì)量的控制。其工藝流程見圖1。

3工藝要點(diǎn)

3.1建立云中心及北斗衛(wèi)星基站

在靠近主線且易于管理的地區(qū)建立云中心及北斗衛(wèi)星基站，如項(xiàng)目部駐地、工區(qū)駐地等，用于接收及分析數(shù)據(jù)（應(yīng)注意不靠近高壓線，以免影響信號）。

3.2安裝壓路機(jī)組件

通過在壓路機(jī)機(jī)身安裝不同類型傳感器，實(shí)現(xiàn)碾壓軌跡高精度定位、振動狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、壓實(shí)效果動態(tài)展示、監(jiān)測結(jié)果分級預(yù)警等。安裝順序?yàn)椋簩⒈倍范ㄎ惶炀€安裝在壓路機(jī)頂部，主要功能是接受北斗衛(wèi)星信號；智能顯示終端安裝在壓路機(jī)駕駛室內(nèi)，主要功能是顯示壓實(shí)軌跡、遍數(shù)、壓實(shí)厚度等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集單元安裝在壓路機(jī)身側(cè)或駕駛室內(nèi)，主要功能是實(shí)時(shí)處理差分?jǐn)?shù)據(jù)；震動傳感器安裝在壓路機(jī)前輪旁，主要功能為采集振動輪加速度，計(jì)算相對壓實(shí)度。詳見下頁圖2。

3.3路基碾壓

3.3.1路基填筑數(shù)據(jù)采集

監(jiān)理單位和施工單位嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）的要求完成含水率、干密度、液限、塑性指數(shù)、CBR值等土工試驗(yàn)，并做好試驗(yàn)路段的報(bào)告與總結(jié)，以確認(rèn)不同路基填料的機(jī)械類型、松鋪強(qiáng)度、碾壓速率、碾壓遍數(shù)。

在路基填筑作業(yè)中，針對不同土質(zhì)的填料，在軟件系統(tǒng)中需輸入對應(yīng)的碾壓遍數(shù)、松鋪厚度區(qū)間、壓實(shí)厚度區(qū)間等參數(shù)。

3.3.2智能碾壓技術(shù)應(yīng)用

智能碾壓技術(shù)是通過智能壓實(shí)控制系統(tǒng)軟件與加速傳感器實(shí)現(xiàn)的，需要在壓路機(jī)上安裝相關(guān)設(shè)備，可以在路基碾壓時(shí)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。其主要是收集振動輪自身產(chǎn)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(shí)控制軟件實(shí)時(shí)處理，形成相應(yīng)的質(zhì)量評定和管理，對碾壓過程中的壓實(shí)效果進(jìn)行質(zhì)量控制和反饋管理。

路基碾壓按照常規(guī)工藝進(jìn)行，碾壓開始前打開壓路機(jī)組件電源，并確認(rèn)信號是否良好，確保北斗定位天線正常工作。若施工地點(diǎn)信號較弱，可在現(xiàn)場布置信號增強(qiáng)器，避免信息無法實(shí)時(shí)傳送。

系統(tǒng)根據(jù)需求場景不同，可分為施工模式和驗(yàn)收模式。

（1）施工模式：在軟件系統(tǒng)中完整并正確輸入經(jīng)過監(jiān)理驗(yàn)收認(rèn)可的路基填筑試驗(yàn)路填料的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后按正常的路基填筑進(jìn)行施工。在填方路基施工過程中，在壓路機(jī)顯示屏幕和后臺網(wǎng)站上，壓路機(jī)機(jī)手和相關(guān)管理人員可以看到當(dāng)前的碾壓遍數(shù)、行駛速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以紅、黃、綠（顏色可根據(jù)需求調(diào)整）顯示其相應(yīng)的工作情況（如碾壓遍數(shù)、壓路機(jī)軌跡等）。施工單位現(xiàn)場管理人員和壓路機(jī)機(jī)手根據(jù)碾壓情況對少壓、漏壓現(xiàn)象進(jìn)行整改，避免后期檢測發(fā)現(xiàn)帶來的費(fèi)時(shí)費(fèi)工的影響，降低整改成本。詳見圖3。

（2）驗(yàn)收模式：根據(jù)試驗(yàn)路得出的路基填筑相關(guān)參數(shù)，軟件系統(tǒng)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(jìn)行簽認(rèn)驗(yàn)收，作為該段施工真實(shí)有效的驗(yàn)收記錄。

3.3.3碾壓數(shù)據(jù)收集分析

碾壓數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星天線及前置傳感器獲得，通過車載數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。路基智能碾壓實(shí)技術(shù)對路基填筑施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，可以引導(dǎo)施工人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工局部區(qū)域的不合格現(xiàn)象，從而及時(shí)整改，極大地提高路基施工效率，降低整改成本。系統(tǒng)軟件可根據(jù)壓路機(jī)速度調(diào)整監(jiān)測頻率，避免因壓路機(jī)速度不同時(shí)造成的監(jiān)測漏項(xiàng)，如速度為2～4 km/h時(shí)，系統(tǒng)軟件為每10～20 cm監(jiān)測一個(gè)斷面。通過智能碾壓技術(shù)，可以有效地做到全方位監(jiān)控整個(gè)路基填筑施工情況，再結(jié)合實(shí)時(shí)可視化顯示和數(shù)據(jù)采集，不僅可以較好地全面掌握路基填筑壓實(shí)的均勻性，還可以充分了解施工路段壓實(shí)的局部情況，使隨機(jī)抽樣的常規(guī)監(jiān)測變成針對性的關(guān)鍵（薄弱）區(qū)域控制監(jiān)測，極大地提高常規(guī)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，有效降低常規(guī)監(jiān)測存在的不確定性，實(shí)現(xiàn)路基壓實(shí)的全面數(shù)字化施工。

3.3.4實(shí)時(shí)預(yù)警

通過微信公眾號或其他在線平臺建立線上預(yù)警平臺，主要預(yù)警松鋪厚度、壓實(shí)厚度、碾壓遍數(shù)三個(gè)指標(biāo)，當(dāng)指標(biāo)與預(yù)設(shè)不符時(shí)系統(tǒng)將向管理人員發(fā)出警報(bào)?？筛鶕?jù)項(xiàng)目需求建立不同模式的報(bào)警級別，如輕微波動、明顯偏差和嚴(yán)重偏差三級，向相應(yīng)的管理人員發(fā)出信息，并進(jìn)行相應(yīng)的整改和復(fù)查銷項(xiàng)。詳見圖4。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1基于北斗衛(wèi)星的施工機(jī)械高精度定位控制技術(shù)

在框定的電子圍欄內(nèi)，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)為基礎(chǔ)，開展路基智能碾壓作業(yè)，通過建立高精度北斗衛(wèi)星地面差分增強(qiáng)站網(wǎng)（CORS站）并對服務(wù)范圍內(nèi)位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)差分計(jì)算，部署壓路機(jī)機(jī)載北斗定位終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓路機(jī)作業(yè)位置，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓路機(jī)的碾壓軌跡（cm級定位）與指定特征區(qū)域的碾壓遍數(shù)及壓實(shí)厚度。詳見圖5～6。

4.2路基壓實(shí)質(zhì)量全時(shí)段智能檢測與軌跡誘導(dǎo)技術(shù)

根據(jù)壓路機(jī)加載設(shè)備上收集的相關(guān)數(shù)據(jù)及北斗定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，并由此形成相應(yīng)的監(jiān)管及驗(yàn)收體系，實(shí)現(xiàn)了路基填筑的可視化、數(shù)字化施工，可以有助于建設(shè)單位和監(jiān)理單位進(jìn)行即時(shí)和有效的監(jiān)管，從而降低漏壓、少壓現(xiàn)象，進(jìn)一步保證路基穩(wěn)定，為高速公路的安全營運(yùn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3路基碾壓工作集群信息交互與協(xié)同控制技術(shù)

國內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)路基智能壓實(shí)技術(shù)均為控制單臺施工機(jī)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?；赪ebGL的數(shù)據(jù)輕量化分發(fā)與大數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓集群間信息動態(tài)交互共享與智能協(xié)同控制，減少了同一工作區(qū)域內(nèi)的壓路機(jī)重復(fù)碾壓的情況，提高了路基壓實(shí)效率。

5智能碾壓在沙吳路的應(yīng)用情況

為能有效監(jiān)控路基填筑的碾壓質(zhì)量，降低返工帶來的時(shí)間和資源浪費(fèi)，把控路基工程質(zhì)量，沙吳路項(xiàng)目大力推廣應(yīng)用路基施工智能碾壓技術(shù)，再輔以電子圍欄、數(shù)據(jù)采集、指標(biāo)展示、動態(tài)預(yù)警及報(bào)表輸出等功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)與數(shù)字化監(jiān)控，保證了路基填筑質(zhì)量。

5.1前期硬件調(diào)試安裝

在設(shè)備安裝調(diào)試前，項(xiàng)目對北斗高精度定位板卡的定位精度進(jìn)行測試，分為靜態(tài)小范圍和靜態(tài)大范圍實(shí)驗(yàn)。

5.1.1靜態(tài)小范圍實(shí)驗(yàn)

在建設(shè)單位附近隨機(jī)選擇25 m2范圍內(nèi)10個(gè)互不重合的點(diǎn)位，用鋼尺測量出任意兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離L1，再將北斗定位天線分別放置在每個(gè)點(diǎn)位上，通過后臺結(jié)算軟件，計(jì)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(jīng)過L1和L2的數(shù)據(jù)比對，其部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析見圖7。

由圖7可知，測試距離和實(shí)際距離在靜態(tài)小范圍標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)用要求。

5.1.2靜態(tài)大范圍實(shí)驗(yàn)

在沙吳路工地現(xiàn)場400 m長度范圍內(nèi)隨機(jī)確定50個(gè)互不重合的點(diǎn)位，用全站儀測量出任意兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離L1，再將北斗定位天線分別放置在每個(gè)點(diǎn)位上，通過后臺結(jié)算軟件，計(jì)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(jīng)過數(shù)據(jù)測試對比，其部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析見圖8。

由圖8可知，測試距離和實(shí)際距離在靜態(tài)大范圍標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)用要求。

通過靜態(tài)小范圍、大范圍實(shí)驗(yàn)測試，北斗高精度定位板卡的定位精度滿足項(xiàng)目工程要求，其數(shù)據(jù)有效可用。

為了確保能對位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)差分計(jì)算，實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)碾壓軌跡厘米級定位與項(xiàng)目信號全覆蓋，項(xiàng)目分別在建設(shè)單位和兩個(gè)土建施工合同段駐地建立北斗衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）（共3個(gè)），并對其進(jìn)行調(diào)試。

5.2設(shè)備安裝及調(diào)試

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度開展情況，前期選取在SWK+335～SWK1+510工作區(qū)域的2臺壓路機(jī)安裝智能碾壓軟硬件設(shè)備，并改造其電路以實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)儀表盤翹板開關(guān)一鍵啟動。在設(shè)備安裝調(diào)試完成后，開始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集及分析工作。

在前期調(diào)試階段，2臺壓路機(jī)合計(jì)采集了8 536條壓實(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)在碾壓過程中對現(xiàn)場各層每遍壓實(shí)后進(jìn)行灌砂法壓實(shí)度檢測以比對分析。

5.3存在的問題

（1）路基智能壓實(shí)值（CMV）會受到填料材質(zhì)、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(zhì)內(nèi)摩擦力不同、其他條件相同時(shí)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(shí)現(xiàn)場指標(biāo)變異性大，如現(xiàn)場土質(zhì)條件、含水量變化大等，需要更多的現(xiàn)場壓實(shí)度、含水量、厚度檢測試驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)據(jù)擬合基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高壓實(shí)度與振動加速度的映射關(guān)系精度，使之更能進(jìn)一步表征壓實(shí)度。

（2）為達(dá)到高精度數(shù)據(jù)采集，需到現(xiàn)場設(shè)置，數(shù)據(jù)采集頻率為每臺設(shè)備每秒鐘采集一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由下位機(jī)通過串口到上位機(jī)，再通過4G模塊傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫中。由于數(shù)據(jù)量巨大，特別是高精度數(shù)據(jù)計(jì)算量大，現(xiàn)有算法和硬件配置需進(jìn)行優(yōu)化。

（3）小范圍電子圍欄功能的實(shí)現(xiàn)需要配置便攜式北斗定位設(shè)備，并且進(jìn)行相應(yīng)軟件開發(fā)，保證數(shù)據(jù)能通過4G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，同時(shí)新增手持定位裝置需二次開發(fā)。

（4）現(xiàn)場部分區(qū)域信號不穩(wěn)定，使北斗差分信號定位偏差，差分?jǐn)?shù)據(jù)不能及時(shí)下發(fā)至定位終端，進(jìn)而造成采集端出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移過大的情況。

5.4應(yīng)對措施

根據(jù)前期開展的數(shù)據(jù)采集及分析工作，經(jīng)過研究討論，采取以下措施進(jìn)一步提高智能碾壓技術(shù)的可靠性：

（1）收集不同填筑材料的土質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告，增加土體條件自動篩選匹配功能，提高相對壓實(shí)度計(jì)算精度和準(zhǔn)確性；對陸續(xù)進(jìn)場的壓路機(jī)安裝設(shè)備，在下路堤填筑中進(jìn)行大范圍現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)，通過大數(shù)據(jù)采集及分析尋找適應(yīng)于沙吳路土體條件的壓實(shí)度與加速度的函數(shù)關(guān)系；同時(shí)建立了灌砂法壓實(shí)度檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，以便后期與智能碾壓CMV數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推算出CMV與壓實(shí)度的關(guān)系。

（2）優(yōu)化現(xiàn)有顯示算法，應(yīng)對海量數(shù)據(jù)條件下快速顯示與計(jì)算的工程需求。主要針對現(xiàn)有條件下，沙吳路同一工作面3臺或以上壓路機(jī)在同一工作面碾壓施工的情況，完善采集軟件的響應(yīng)速度與展示界面的精度。

（3）積極聯(lián)系北斗設(shè)備供應(yīng)商，對手持式北斗定位設(shè)備進(jìn)行選型，并對其軟件系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)手持端數(shù)據(jù)穩(wěn)定快速上傳，與現(xiàn)有系統(tǒng)自動對接；同時(shí)在公路沿線信號較差的范圍增加4G信號增強(qiáng)設(shè)備，以保證信號穩(wěn)定。

（4）對已安裝并開工的設(shè)備進(jìn)行日常巡檢，對發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)。

（5）總結(jié)記錄壓路機(jī)機(jī)手實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)的問題，針對存在問題進(jìn)行及時(shí)整改。

基于大數(shù)據(jù)的采集和比對，以及后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化和完善，智能碾壓系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映出填筑過程中的碾壓軌跡、填筑厚度、碾壓遍數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)，能準(zhǔn)確定位碾壓設(shè)備的位置（需要在系統(tǒng)輸入項(xiàng)目的填筑范圍，避免壓路機(jī)在其他地方工作時(shí)發(fā)出誤報(bào)如碾壓便道或改路等）；同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目需求，陸續(xù)開發(fā)出施工與驗(yàn)收場景轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)共享界面展示、手機(jī)報(bào)警、溯源以及報(bào)表輸出等功能。這不僅有助于壓路機(jī)手及時(shí)了解同一工作面其他壓路機(jī)的工作狀態(tài)，減少漏壓、少壓的可能性，更有助于管理人員能實(shí)時(shí)掌握碾壓動態(tài)，準(zhǔn)確把握每次路基填筑的真實(shí)情況，保證路基穩(wěn)定。

路基智能壓實(shí)值（CMV）雖然在一定程度上可以表征路基壓實(shí)度，但其影響因素較多。如填料性質(zhì)、壓路機(jī)不一樣等會導(dǎo)致CMV值和壓實(shí)度的對應(yīng)關(guān)系也有很大不同，需要進(jìn)行較多的數(shù)據(jù)采集、對比及分析，工作量巨大，且某個(gè)項(xiàng)目的CMV與壓實(shí)度的對應(yīng)關(guān)系在其他項(xiàng)目恐難以適用，故仍需采用灌砂法等傳統(tǒng)檢測方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但可以與傳統(tǒng)檢測方法結(jié)合起來，使傳統(tǒng)檢測方法的隨機(jī)取樣性變成關(guān)鍵點(diǎn)、薄弱點(diǎn)的檢測，有利于提高檢測的效率和準(zhǔn)確性。

6結(jié)語

智能碾壓技術(shù)將碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、層厚等數(shù)據(jù)以圖表形式直觀地呈現(xiàn)給壓路機(jī)手及管理人員，使其可及時(shí)掌握路基工程施工質(zhì)量，改變以往憑感覺及施工經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)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(yè)主、監(jiān)理、施工各方提供最直觀的工程動態(tài)質(zhì)量控制與更全面的路基壓實(shí)信息，降低少壓、漏壓的概率，有效保障路基施工質(zhì)量。但目前壓實(shí)度只能通過大量試驗(yàn)及大數(shù)據(jù)分析，從而建立與壓實(shí)度的間接關(guān)系，以推算出壓實(shí)度，其數(shù)值的真實(shí)有效性恐難以令所有人信服，因此如何與壓實(shí)度建立起直接關(guān)系，有效降低檢測技術(shù)工作量，進(jìn)一步降低人工成本，應(yīng)成為進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智慧高速車路一體技術(shù)研究與示范項(xiàng)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(shè)工作。