桥面沥青混合料高质量智能铺装施工技术应用

刘廷杰、张韬、徐卫峰

（昆山市交通工程发展中心，江苏 苏州 215300）

0 引言

传统的摊铺机是人工驾驶的，在摊铺机施工期间，其熨平板由平衡梁或挂线控制。行车轨迹由摊铺机驾驶员决定，人工操作无法实时监测摊铺高程、摊铺轨迹、摊铺速度和混合料温度等参数。为此，可将施工管控技术与3D 控制技术引入摊铺施工中，实时监测调整摊铺状态，提高摊铺质量，提高摊铺机施工智能化水平[1-3]。近几年，随着国内人工智能的不断发展，施工质量远程监控技术日趋完善，并投入实际生产中，实现了摊铺施工过程的监管[4]。3D 控制技术将现代测量技术与摊铺机结合，实现了摊铺机熨平板高程的自动控制[5-6]。本文将两种技术进行结合，研究出一种高精度沥青摊铺智能控制方法，为桥面的沥青混合料智能化摊铺提供新的发展思路。

1 基于北斗的沥青桥面摊铺管控系统

1.1 沥青桥面摊铺质量管控关键指标

影响摊铺机摊铺结果的作业参数有很多，本文结合工程经验分析各作业参数对铺层质量的影响，最终选择出摊铺管控关键参数包括：摊铺温度、摊铺速度、摊铺里程等。

1.2 摊铺机摊铺轨迹实时定位及测速算法

本文采用北斗+GPS 的RTK 高精度定位技术，该技术是在北斗定位技术和普通RTK 定位算法的基础上，研制开发的动态调整差分实时结算技术。与国内GPS 信号不稳定的缺陷相比，北斗+GPS 定位技术的稳定性更高，并且拥有更优秀的定位能力，通过实地在一个静止点的RTK 定位实测数据，可知GPS+北斗的定位精度为平面±5mm，高程±1cm。通过将摊铺起始点左侧熨平板位置定义为基准点，以摊铺纵向为纵轴，与摊铺纵向垂直的方向为横轴，建立摊铺机施工坐标系。根据摊铺机施工平面坐标，以开始施工时摊铺机左侧熨平板底脚位置为基准点，标记为O，将摊铺机摊铺时的横坐标标记为A，纵坐标标记为S，则任意时刻定位位置的坐标为（Ak，Sk），如图1 所示。

图1 摊铺机施工轨迹坐标系

则摊铺机的纵向坐标如下：

式（1）～式（2）中：

X0——赤道至该点的子午线弧长；

B——以度为单位的纬度；

l——大地经度与投影带中央子午线经度差，l=L-L0，其中L为点的经度，L0为点中央子午线的经度。

考虑桥面较宽的情况下多台摊铺机同步作业的情况，摊铺机的横向坐标可通过下列公式计算：

式（5）中：T为采样间隔。

2 基于3D 机械控制的高精度摊铺技术研究

2.1 摊铺高程3D 自动控制系统研究

摊铺机熨平板3D 机械控制技术涉及空间信息、传感器技术、机械设计、液压、自动控制等多个学科，其工程适用性强、摊铺效率高、受人为测量误差影响小，可用于高精度、大规模桥面摊铺作业的技术。根据摊铺机自身的特点，结合其作业过程，3D 机械控制系统由摊铺机、量测设备、机载设备以及软件系统组成。为保证桥面的摊铺高程，本文以熨平板作为执行结构，设计时在熨平板两端设置双360°棱镜，使左右两液压缸分别独立控制，实现熨平板高程控制和姿态调整，总体设计如图2 所示。

图2 系统总体设计框图

2.2 熨平板姿态测量与控制原理研究

沥青混合料摊铺过程中需要实时监测摊铺机熨平板的姿态，利用控制算法在摊铺作业过程中使熨平板按照控制文件调整姿态，提高作业精度。本文选用双360°棱镜和倾角传感器进行熨平板姿态的测量，摊铺机熨平板的姿态控制原理如图3 所示。

图3 数字化施工三维数字建模

3 工程应用与社会经济效益分析

试验段按照传统摊铺和3D 摊铺两种方法平行施工，摊铺机1 安装3D 控制系统，摊铺机2 采用传统2D摊铺控制方式。为了对比传统摊铺和3D 摊铺施工技术质量方面的差异，按照每公里为一个单元采集线形、平整度、厚度和压实度等数据，结果如表1-表4所示。

表1 线形检测数据

表2 平整度度检测数据

表3 钻芯取样厚度检测数据

表4 压实度检测数据

由表1-表4 可知，桥面智能施工技术可以精确控制桥面高程、平整度，保证压实质量的均匀性、可靠性，实现桥面施工的精准化、智能化、自动化、标准化等目标。

4 结语

本文结合桥面摊铺施工质量面临的问题，围绕“信息化”和“3D 机械控制”两个方面，针对摊铺机开展桥面智能施工技术应用研究，开发了基于北斗+GPS 高精度差分定位技术的摊铺轨迹和摊铺速度算法，并结合实际工程应用对比传统摊铺方法，可知本文所研究的技术可以明显提升桥面施工质量，具有良好的社会效益。