公路工程机械数字化施工系统应用研究

摘要 通过在公路工程中合理地运用数字化施工技术，能够大幅提高工程建设质量和效率。为提升数字化施工技术的运用成效，文章先是对数字化及数字化施工作出了简要介绍，然后以某公路工程沥青路面摊铺施工为例，分别从数字化施工系统构成以及各个子系统的运用等方面，针对数字化施工系统的应用展开了深入探讨，从而助推公路工程数字化建设不断向好发展。

关键词 公路工程；机械设备；数字化施工系统；科学运用

中图分类号 U415.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0150-03

0 引言

数字化施工是现代公路工程建设活动的一个主要发展方向，通过对数字化施工技术的合理运用，能够提高公路工程的建设成效，显著提升工程建设安全性，对公路工程的长远发展有着十分积极的意义。因此，有必要对公路工程机械数字化施工系统的应用做出深入研究，确保数字化施工技术能够在公路工程中充分发挥应有效用。

1 数字化及数字化施工概述

1.1 数字化

数字化指的是借助信息转换技术将复杂多变的信息转变为容易被人们理解和认识的数字的过程。目前来看，数字化属于信息技术发展进步的一个高级阶段，同时也是数字经济的关键推动力，其实现过程主要包括以下几个环节（如图1所示）。

（1）信息采集。可以转化为一系列数字信号的设备，通常为信息采集器。

（2）信息处理。主要借助计算机系统及各类软硬件对采集的信息开展处理活动。

（3）信息传输。借助网络开展信息传输活动。

（4）执行。主要指的是信息表现以及实现。

1.2 数字化施工

数字化施工指的是借助多种先进的技术手段（常见数字化施工技术如表1所示），将公路工程整个施工过程实施数字化、信息化以及智能化转变，达到持续提高工程建设效率、质量、安全性及经济效益的目的。目前来看，开展数字化施工的价值和意义主要体现在以下几个方面。

（1）数字化施工可以做到24 h不间断开展建设活动，能够缩短工程建设时间，显著提高施工效率，也有助于进一步提高工程造价控制成效。

（2）数字化施工能够极大减少人工作业，并且可以对设备及施工作业开展实时动态监控，有助于提升工程建设活动的安全性，大幅降低安全事故出现的概率。

（3）数字化施工能够提高工程建设的精度，避免出现材料浪费或质量隐患等问题，同时也能精简作业环节，如可以省去人工打桩放样或人工测量等工作，有助于降低施工成本，提高工程建设经济效益。

（4）数字化施工使整个施工过程变得更加透明化，可帮助相关工作人员更好地了解和掌握工程进度、安全性以及质量[1]。

2 案例介绍

案例工程为国内某市高速公路工程建设项目，建设长度为73.6 km，案例段为32.8 km，路基宽度为39 m，路面宽度设计为33.75 m，结构设计如表2所示，该工程为双向6车道，时速设定为120 km/h。案例工程主要工程量：设计桥梁10座，长度共计4 781.6 m；涵洞建设项目6座，全长共计197.3 m；路基方面土石挖方工程量约为476.5万立方米，填方接近356.8万立方米。在开展沥青路面摊铺作业期间，为了提高摊铺效率和质量，案例工程运用了数字化机械控制系统，取得了理想建设成效，为此以该工程为例针对公路工程机械数字化施工系统的应用做出深入分析和探討。

3 公路工程机械数字化施工系统应用研究

3.1 系统构成

案例工程所用数字化机械控制系统依照具体的操作流程主要包括4个部分，分别为数据获取传输、接收、分析、呈现。若是依照整体结构来看，则分为摊铺监控以及压实监控等系统，每个系统独立运行，也能够借助共享数据库开展实时联动，摊铺监控及压实监控系统属于整个数字化机械控制系统中的核心内容。具体建设情况如下。

3.1.1 摊铺监控系统

案例工程的摊铺监控系统构成部分众多（如表3所示），其功能的实现如下：

首先，红外温度传感器，主要借助横向分布的形式阵列，间距设定为1.2～1.5 m之间，用于定频开展摊铺面温度的获取工作，扫描频率为1次/m。由于温度测点在摊铺面中可以实现均匀分布，因此，将单点温度数据充分整合，从而构建出温度分布云图，这样能够针对路面摊铺温度做出全面的监管。但在实际安装期间，需要保证所有红外温度传感器应合理地安装在摊铺机后方，并且均匀阵列。

其次，案例工程将数据处理终端安装在摊铺机操作平台的合适位置，然后需要将其与各类传感器进行连接，包括距离、温度和测距传感器等。

最后，案例工程将数据终端以及摊铺机电容连接，然后通过温度自动化监测系统合理地设置监测参数，包括起始状况、具体标段信息、采集频率等，对整个摊铺过程开展全面监控[2]。

3.1.2 压实监控系统

压实监控系统主要由温度传感器、中心控制、电源、GPS、自组网、显示终端多个模块构成。中心控制模块属于该系统的核心内容，主要用来接收、存储压路机的数据信息，包括位置及路面宽度等，将这些数据信息加工处理，使其转变为可以利用显示终端模块进行显示的数字化信息，然后操作人员便能够借助显示屏动态实时地了解现阶段路面摊铺、压实情况。除此之外，在压路机车身两侧，案例工程还设立了红外温度传感器，并在压路机中安装了局域网，让多台压路机开展协同作业，实时共享所有的碾压数据信息。另外，案例工程设计和运用的数字化机械控制系统中基站是关键内容，采用的是现阶段广泛运用的智能全站仪基站，具体安装需要根据施工需求确定，以保证能够获取摊铺仪器的有关数据信息。

3.2 摊铺控制系统的运用

案例工程的摊铺控制系统具体构成涉及全站仪基站和上述提到的智能化监控系统，在实际运行期间能够智能化地对摊铺坡度、高程、厚度等开展全面管控，具体如下。

3.2.1 坡度以及高程管控

案例工程摊铺控制系统在实际运行期间，对于设置在控制点的全站仪基站能够准确地获取摊铺机中设置的棱镜三维坐标信息，实现±3 mm范围内的定位，数据传输系统能够为中心控制系统不断提供数据信息，此时数据控制箱则可以实时动态地对这些坐标信息开展处理工作，将这些信息和提前设定好的三维坐标数据信息开展对比分析活动，从而生成高程信息和比例驱动信号。再借助液压驱动装置使牵引臂液压油缸发生对应的变化，最终达到调整熨平板工作方向的目的，这样便可以对摊铺道路的高程和坡度进行调控，从而更好地符合路面波动要求，进一步增强路面高程及坡度的可靠性、准确性[3]。

3.2.2 平整度及厚度的管控

传统沥青路面摊铺作业一般会运用10 m方桩，然后安装钢丝绳，借助2D监控系统开展摊铺作业，此种方式有可能对最终摊铺水平产生不利影响。由于沥青路面每2个结构层之间的部分通常受到下层表面的影响和限制，如果下层表面出现了高低起伏问题，那么完成摊铺作业后的表面必然也会存在同样的起伏问题。而数字化机械控制系统主要为智能化及自动化管控技术，能够在维护摊铺厚度的前提下，借助熨平板内部设置的坡度传感器，高效地获取具体的摊铺位置信息，然后控制牵引臂的液压油缸，对熨平板的工作方向做出调整，从而确保摊铺厚度符合相关标准和要求，为接下来的碾压作业打下基础，提高数字化施工建设成效[4]。

3.3 压实控制系统的应用

压实控制系统发挥的关键作用是对整个碾压过程做出全面监管，核心管理对象包括路迹和压实状况等，案例工程压实控制系统实际运行期间主要涉及以下两大内容。

（1）数据采集模块。在开展数字化压实活动期间，压实监控系统极为关键，为提高监控成效，案例工程强调对全站仪基站做出科学运用，同时在施工现场组建一系列网络设备，从而可以实时获取压路机的运行信息及数据。在压实控制系统运行过程中，操作人员借助移动终端设备显示收集到的相关数据信息，进而了解压路机运行方向和轨迹，并分析出压路机是否依照设定的方向运行，然后做出适当的指示和调控。

（2）数据传输模块。属于压路机智能监控系统实现稳定高效运行的关键，该模块能够将碾压期间压路机产生的数据快速地上传到服务器系统和显示终端，做到实时监管，提高压实作业成效。例如，案例工程在每台压路机内都安装了压实度传感装置，能够实时地将所有压实数据信息上传到压路机显示终端上，这样机械操作人员能够准确掌握路面压实情况，从而更合理地开展压实作业，防止产生不必要的多余碾压以及欠压情况，既可以提高沥青路面碾压作业成效，还能减少资源浪费，提升工程建设经济效益。除此之外，压实度信息还能直接打印或共享，使监理人员全面清晰地了解和把握各段碾压工作质量，从而提高审核确认成效，而且这些数据信息的存储记录，可实现碾压作业追踪回溯，一旦出现质量等问题，便于追究相关人员的工作责任。

3.4 数据处理系统的應用

数据处理系统属于整个数字化控制系统的核心部分，其实现稳定高效运行，能够将各类数据信息高效处理、分析及管控，从而降低摊铺及碾压作业的失误概率，进一步提高数字化施工成效，具体如下。

3.4.1 摊铺作业数据处理

摊铺控制系统能够实时查看摊铺作业参数，包括温度、速度等，并且可以根据设定的数据，始终让摊铺机作业保持在适合的速度上，如案例工程设定为3 m/min，该系统便可让摊铺机的作业速度始终处于3 m/min左右，有助于提升作业的稳定性及可靠性。

3.4.2 碾压作业数据处理

碾压控制系统同样可以对压路机的作业数据做出有效管控，以案例工程双钢轮压路机的碾压作业为例，其碾压速度要求保持在3～4.5 km/h之间，初压要求达到2遍，复压达到5遍，终压达到2遍，在开展压实作业期间，监控系统及显示终端能够将压路机碾压作业的数据信息进行处理并显示在显示器屏幕上。操作人员结合这些数据信息，可及时开展优化调整工作，从而保证各项数据符合设计要求，提高碾压效率和质量[5]。

3.5 应用效果分析

案例工程借助对数字化施工机械控制系统的合理运用，大幅提高了沥青路面的整体施工效率和质量。具体体现在以下几个方面。

（1）借助该数字化控制系统，能够提高施工速度，显著降低施工成本。在开展施工作业期间，相关监管人员以及操作人员可以借助该系统对摊铺机以及压路机等开展实时监控，从而可以保证摊铺作业切实符合设计要求，减少欠压、漏压等问题，还能够减少人工干预，从而在保证摊铺和碾压质量的同时，减少各环节的作业时间，提高施工效率。此外，还能持续提高各类机具的使用率，有效降低能耗以及人工费用，获取良好的降低成本效果。

（2）能够开展整个施工作业的全过程管控。对于压实控制系统以及摊铺控制系统来讲，两者均能实时有效地监控相关机械的作业速度、轨迹还有作业遍数等一系列关键数据参数，从而便于现场相关工作人员及时调整和改进，可达到整个作业过程智能化、自动化监督的目的。

（3）能够提高管理成效。借助监控系统，案例工程管理人员能够远程实时查看作业现场的摊铺以及压实进程，并且随时获取与作业质量有关的各类数据信息，从而能够随时开展相关管理活动，达到提高管理效率和质量的目的。此外各类数据信息还可以实现有效存储、记录，便于开展工程质量问题的回溯追究工作，还能为返工以及后期养护等活动提供支持和帮助。

4 结语

综上所述，在互联网、大数据以及人工智能等多种技术手段高速发展的背景下，公路工程施工建设活动不断地向着数字化、智能化、自动化方向发展，显著提高了整体建设成效。此次研究以某公路工程为例，针对公路工程机械数字化施工系统的具体应用策略做出了深入研究，经分析验证具备良好的可行性，能够解决数字化施工系统设计不合理、运用不当等引发的施工效果不佳的问题，值得推广和借鉴。

参考文献

[1]王泽能， 刘家庆， 韦港荣， 等. 基于BIM与互联网技术相融合的施工管理模式运用研究[J]. 公路， 2022（9）： 336-341.

[2]王思源. 基于RFID技术的数字化高速公路与无人驾驶系统的配合设计[J]. 电子元器件与信息技术， 2021（5）： 244-245+248.

[3]陈宝光， 王茂文， 黄学源， 等. 数字化建造下公路工程建设项目管理平台架构的研究[J]. 项目管理技术， 2021（2）： 58-63.

[4]赵旭. 路面病害数字化检测技术在京台高速公路改扩建工程中的应用[J]. 工程技术研究， 2022（19）： 28-30.

[5]朱子翔. 基于信息技术的数字安全管理系统在公路工程中的应用研究[J]. 重庆建筑， 2022（11）： 13-16.

收稿日期：2023-11-17

作者简介：韩海庆（1984—），男，本科，工程师，研究方向：土木工程。