智能压实技术的研究进展

吴金海　雒泽华　徐光辉

0 引言

对于铁路、公路、机场和坝体等诸多填筑工程而言，决定其工程质量的关键要素是优良的填料和充分的碾压。在填料一定的情况下，如何进行压实质量控制是该领域关注的重点。自从1976年瑞典提出利用振动压路机碾压过程中动态响应信号的畸变程度进行压实质量检测的压实计方法以来，这类利用振动压路机为工具的检测与控制方法在欧洲得到了很好的发展，并于20世纪90年代出现连续压实控制（CCC）的概念。2000年智能压实（IC）思想被提出，但没有太多实质性进展。近年来，智能压实的概念被许多人曲解，随意将与压实机具结合的、能够采集某些参数的量测设备（实际是信息化或数字化施工设备）统称为智能压实系统，不但误导了建设单位和施工单位等用户，也对智能压实量测系统的研制和开发造成误导，偏离了智能压实的原本发展方向。

本文从填筑工程质量的需求出发，探讨智能压实系统应具备的功能、及其构建难点等问题，希望引起广泛重视和讨论，使智能压实的研发和应用能够回到正确的道路上来。

1 连续压实控制向智能压实的演变

智能压实是根据连续压实控制技术的“智能压路机”而提出的概念，因此连续压实控制是智能压实（控制）的基础。自从20世纪瑞典提出压实计方法以来，北欧其他一些国家也按照这一思路展开了研究。随着研究和应用的深入，连续压实控制技术由开始的单一仿制压实计，到逐渐出现了几种具体方法（控制指标的差异是关键），其中德国BOMAG公司的研究后来居上，成为智能压实概念的早期提出者之一。

1982年，德国BOMAG公司仿瑞典压实计方法提出了自己的压实计产品（指标是压实计值CMV的10倍）。将测量系统引入振动压路机后，于1992年在bauma会议展出了“智能压实机（ICM）”的首个雏形。通过安装的位移传感器，可以根据碾压面压实状态的不同反馈来控制压路机的行走速度（实际是改变单位长度上的作用次数），这使得振动压路机第一次有了一些“智能”的含义；1996年出现了具有自动变幅的双钢轮振动压路机，并在沥青面上进行了碾压尝试；1998年具有自动变幅的单钢轮振动压路机在岩土填料的碾压中进行了尝试。

随着研究和工程应用的深入，连续压实控制指标是否能真实放映填筑体的压实质量已成为关注的焦点，这也是影响智能反馈控制的关键技术之一[1]。BOMAG公司在2000年后提出连续压实控制的振动模量指标，为研究具有自动反馈控制的“智能”压路机提供了基础，随后出现了“宝马智多星”压路机。2004年，美国联邦公路局公布“FHWA智能压实战略计划”，推进了智能压实概念的普及。这一计划主要是利用计算机、模型和革新软件将土和沥青的压实设备智能化，以改善工序，使路面性能更均匀，减少试验人员数量，提供一个长期的压实质量记录。这个计划将建立一套系统的方法，鼓励工业和交通部门发展智能压实技术，更新相关建筑标准等。美国提出的智能压实主要是指连续压实控制与GPS的结合。

国内有关研制“智能”压路机的报道，并非广告语所描绘的那样，也没有见到实际应用的效果。原因可能是多方面的，但量测结果与实际压实效果之间误差过大而造成反馈控制出现问题恐怕是主要原因之一。

连续压实控制是智能压实的初级阶段和技术基础。“智能”一词现在已被各行各业广泛提及，但大部分还都处于初级阶段，距离人们心目中的智能要求还差很远。

2 智能压实的含义

智能压实是从早期智能压路机的概念演变而来的，实际是智能压实控制（ICC）的简称，也是连续压实控制技术的进一步发展。按照最初的含义，智能压实是通过一个带有控制系统的振动压路机来实现的。该控制系统通过采集到的能够反映压实质量的信息来持续调节压路机性能参数，如振动轮的振幅、频率、激振力和压路机的行走速度等，以优化压实并满足所需条件[2]。其中输出参数是与填筑体压实质量直接相关的参数，如模量、刚度及抗力等，并且是根据监测的压路机振动轮振动响应等来识别得到的连续分布的物理力学量。

可以看出，所谓智能压实，其实质就是根据压路机振动响应来连续识别填筑体力学参数，再根据参数大小和分布自动调节压路机工艺参数进行优化压实作业，以便得到更好的压实效果[3]。其含义并不难理解，但遗憾的是，目前大多数所谓的“智能压实”都偏离了这个目标。很多人曲解智能压实的概念，将填筑体（土石方和沥青混合料等）碾压施工的数字化施工记录装置称作智能压实系统。这类装置一般都加装了卫星定位系统，有些还将压实计也整合在内，其主要特征是以采集和记录碾压遍数、碾压速度和振动频率等参数为主，对于沥青混合料还要采集碾压温度。由于压实计指标局限性较大，所以这类装置很少提及识别压实质量本身的问题，而过多地强调高精度卫星定位系统的作用，与真正的智能压实有很大差别，没有体现出真正的“智能”含义。同时，采用高精度卫星定位系统，不管是GPS还是北斗系统，连续采集关键基础设施的高精度地理坐标信息还存在很大的泄密风险，有可能给国家安全带来巨大的隐患。

当然，这里并不是完全否定上述数字化施工方法。实际上，数字化施工方法主要是压实工艺控制法（碾压遍数控制法）的翻版，只是更加注重定量化；同时，但实施起来要求非常严格，其施工碾压段必须与试验段施工情况完全一样，否则控制参数（碾压遍数、行走速度等）的意义不大。这类装置主要是缺少识别填筑体结构参数和进行反馈控制压实工艺参数的关键技术，而这正是智能压实的关键所在。

上述智能压实的含义是依据压路机是否能够自动反馈控制而提出的。实际上，现代智能压实的含义应该是广义的，压实机具（各種形式的压路机以及摊铺机等）只是参与者之一，不能自动控制压实参数的压实机具也是可以参与其中的，其核心是控制系统的功能，这个系统既可以向操作者发出反馈控制指令，也可以自动调控压实机具，关键在于这个控制系统的智能化程度。因此，现代智能压实是“填筑体-压实机具-控制系统”三者相互作用的有机结合和综合表现（图1），尚处于初级阶段，还需要与人工智能等技术进一步结合。同时，对于智能压实的研究也应该将这三方面有机结合起来进行。

3 智能压实控制系统的功能

智能压实是通过智能压实控制系统来实现的。完整的智能压实控制系统应该包括压路机、量测与控制装置和控制软件等，但通常的控制系统不包含压实机具。既然智能压实是智能压实控制的简称，那么智能控制应该是关键。所谓智能控制，即一个系统（或控制器）具有学习、抽象、推理和决策等功能，并能根据环境（包括被控对象或被控过程）信息的变化作出适应性反应，从而完成传统由人来完成的操作任务。根据智能控制的含义，一个成熟的控制系统应该具有如下功能。

（1）能够在碾压过程中进行学习、抽象、推理和决策等。这个特征是指控制系统对碾压过程中出现的各种现象能够不断进行学习，经过抽象和推理，使输出的信息能够正确而全面地反映压实状态，并根据反馈信息对压实工艺参数和填料状况做出综合判定，给出决策。这个决策是施加给压路机和填料的，具体实施应视自动化程度而定。

上述特征是智能压实最重要的技术特征。不具备这个特征的，原则上都不是智能压实控制，最多称之为连续压实控制。

（2）根据填料特性调控（人工或自动）压实机具的能力。

传统意义上的智能压实主要是由压路机自动调频调幅实现的，但是调整到什么程度仍然需要深入研究。如何根据填料特性调控压实工艺是一个复杂问题，涉及到智能识别填料的压实性以及确定该填料达到最佳压实效果的工藝参数等，需要一个长期（机械）学习的过程。这个功能目前只有与人工智能结合才有可能提高有效性。

（3）与压实机具结合进行自适应碾压作业的能力。这个功能要求控制系统控制的压实机具能够自动对填筑体进行压实作业，满足预设的目标要求，整个碾压过程中最大程度地减少人的参与，最终实现无人操作下的碾压作业。这应该是高级智能压实控制系统应具有的，是我们追求的长期目标，也应该是一个智慧的专家系统。

未来的智能压实应该是这样的：无人驾驶的压实机具按照设定的碾压作业方案进入施工现场，在碾压过程中，根据实时检测到的填料和填筑体相关信息，自动改变和优化压实工艺参数，以最小的代价完成碾压作业，达到规定的压实质量。

4 智能压实的关键技术

智能压实主要是通过智能压实控制系统实现的，构建控制系统的难点在什么地方呢，这也是大家普遍关心的核心问题。根据多年的研究与应用经验，关键技术主要有以下几方面。

4.1 碾压过程中如何根据压实机具的某种反应来识别填筑体的压实状态

识别填筑体的压实状态，这是连续压实控制的核心问题。对于振动压实来讲，这个问题在理论上可以描述为“一个刚性圆柱体在弹塑性体（对于沥青混合料则是高温粘弹塑性体）上移动和振动状态下的接触动力学问题”，目前力学界尚无理想解答。在应用上的难点是控制指标与常规检测指标的一致性问题。因此，如何建立力学模型、进行信息处理以及开发实用的测试技术是关键所在。

无论是连续压实还是智能压实控制，控制指标能否真实反应填筑体的压实状态是首先要解决的问题。目前总体分为经验指标（如压实计的谐波比指标）和力学指标（如模量、抵抗力），对应着经验法与力学法，其中力学方法比较适合于智能压实控制系统。

4.2 填料的压实性

填筑体的压实质量由填料和碾压过程决定。选择优良的填料是提高压实质量的前提条件，但是受各种因素影响，并非所有填料都能取得好的压实效果。因此，智能压实应该通过学习来有效识别填料的可压实性，以提高效率。但是如何学习？判定（决策）的准则是什么？尚需进一步研究。

4.3 压实机具工艺参数

现代控制技术的发展使压实机具的振动压实工艺参数能够实现自动调节，而如何调控、调控的幅度是多少才是难点。大量的振动压实试验结果表明，不同填料、同一填料不同级配达到最佳压实效果所需的振动压实工艺参数（激振力、振动质量、振动频率、振幅等）组合都是不同的。如何确定各种填料的最佳压实工艺参数需要大量的压实工艺试验探索，不是理论分析能完全解决的，也许人工智能将是解决的一条途径。

5 结语

本文抛砖引玉，对智能压实的一些问题进行分析讨论。截至到目前，智能压实也是一个概念性提法，没有一个完善的定义。现在的智能压实基本上等同于连续压实控制。真正的智能压实应体现在智能输出质量参数、智能识别填料、智能控制振动压实工艺参数以及智能故障诊断等方面，也是研究智能压实的重点和开发相应控制系统的关键所在。限于篇幅，将另文具体讨论研究智能压实所需的理论、实现的途径以及如何开发控制系统等问题。

参考文献：

[1] 徐光辉，雒泽华，田 波.连续压实控制技术发展综述[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（8）：34-38.

[2] 徐光辉，雒泽华.连续压实控制技术中压实计方法的谐波比指标的局限性问题研究[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（8）：39-42.

[3] 徐光辉.路基连续压实控制动力学原理与工程应用[M].北京：科学出版社，2016.