智能碾压技术在高速公路路基工程中的应用分析

周杨 吴尚骏 梁健健 杜青旺

摘要：文章以南宁沙井至吴圩高速公路为依托工程，对智能碾压技术在高速公路路基工程的应用进行分析。通过智能碾压技术将碾压遍数、碾压轨迹、层厚等数据以图表形式直观地呈现给压路机手及管理人员，使其可以及时掌握路基工程施工质量，改变了以往凭感觉及施工经验的质量把控方法，有效降低了人为因素的影响，全过程、全面域、全方位为业主、监理、施工各方提供最直观的工程动态质量控制与更全面的路基压实信息，降低少压、漏压的概率，有效保障路基施工质量。

关键词：高速公路；路基施工；智能碾压技术

中图分类号：U416.1A030094

0引言

高速公路路基填筑施工具有工程量大、工序重复繁琐、隐蔽性强等特点，且作业不够规律，监管覆盖率不高，易发生少压、漏压等问题，特别是赶工时期，人工监管难度更大，问题更容易出现，导致运营期间出现路基下沉、路面开裂等风险。本文就南宁沙井至吴圩公路（以下简称沙吴路）利用信息化手段实现路基施工智能碾压技术进行分析。

1路基工程智能碾压技术简述

路基工程智能碾压技术主要是利用宽幅路基碾压集群协同压实与全域智能检测技术，使空间地理技术与振动反馈算法相结合，全天候、全过程、大范围地监测振动压路机的作业轨迹，以推算出某填筑区域压实工程的实际状况，即时地将层厚、碾压遍数、碾压轨迹等数据动态地提供给振动压路机手、监理员，再结合必要的技术，解决以往人工监理难以完成的对每个作业面、每次填筑情况进行监控的问题，从而降低少压、漏压的风险，有效保证路基填筑质量，间接节约建设成本。

2施工工艺

在压路机上安装北斗高精度定位天线和压实度传感器，通过北斗定位和软件系统实现对压路机的精确定位和碾压质量的控制。其工艺流程见图1。

3工艺要点

3.1建立云中心及北斗卫星基站

在靠近主线且易于管理的地区建立云中心及北斗卫星基站，如项目部驻地、工区驻地等，用于接收及分析数据（应注意不靠近高压线，以免影响信号）。

3.2安装压路机组件

通过在压路机机身安装不同类型传感器，实现碾压轨迹高精度定位、振动状态实时感知、压实效果动态展示、监测结果分级预警等。安装顺序为：将北斗定位天线安装在压路机顶部，主要功能是接受北斗卫星信号；智能显示终端安装在压路机驾驶室内，主要功能是显示压实轨迹、遍数、压实厚度等参数；数据采集单元安装在压路机身侧或驾驶室内，主要功能是实时处理差分数据；震动传感器安装在压路机前轮旁，主要功能为采集振动轮加速度，计算相对压实度。详见下页图2。

3.3路基碾压

3.3.1路基填筑数据采集

监理单位和施工单位严格按照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）的要求完成含水率、干密度、液限、塑性指数、CBR值等土工试验，并做好试验路段的报告与总结，以确认不同路基填料的机械类型、松铺强度、碾压速率、碾压遍数。

在路基填筑作业中，针对不同土质的填料，在软件系统中需输入对应的碾压遍数、松铺厚度区间、压实厚度区间等参数。

3.3.2智能碾压技术应用

智能碾压技术是通过智能压实控制系统软件与加速传感器实现的，需要在压路机上安装相关设备，可以在路基碾压时做到实时监控。其主要是收集振动轮自身产生的作用力与路基反作用力而共同形成的反馈信息，通过智能压实控制软件实时处理，形成相应的质量评定和管理，对碾压过程中的压实效果进行质量控制和反馈管理。

路基碾压按照常规工艺进行，碾压开始前打开压路机组件电源，并确认信号是否良好，确保北斗定位天线正常工作。若施工地点信号较弱，可在现场布置信号增强器，避免信息无法实时传送。

系统根据需求场景不同，可分为施工模式和验收模式。

（1）施工模式：在软件系统中完整并正确输入经过监理验收认可的路基填筑试验路填料的相关数据，然后按正常的路基填筑进行施工。在填方路基施工过程中，在压路机显示屏幕和后台网站上，压路機机手和相关管理人员可以看到当前的碾压遍数、行驶速度等实时数据，并以红、黄、绿（颜色可根据需求调整）显示其相应的工作情况（如碾压遍数、压路机轨迹等）。施工单位现场管理人员和压路机机手根据碾压情况对少压、漏压现象进行整改，避免后期检测发现带来的费时费工的影响，降低整改成本。详见图3。

（2）验收模式：根据试验路得出的路基填筑相关参数，软件系统可以显示、记录和保存施工路段的路基填方的施工情况，并可以打印格式进行签认验收，作为该段施工真实有效的验收记录。

3.3.3碾压数据收集分析

碾压数据通过北斗卫星天线及前置传感器获得，通过车载数据终端实现数据采集。路基智能碾压实技术对路基填筑施工情况进行实时监测和记录，可以引导施工人员及时发现施工局部区域的不合格现象，从而及时整改，极大地提高路基施工效率，降低整改成本。系统软件可根据压路机速度调整监测频率，避免因压路机速度不同时造成的监测漏项，如速度为2～4 km/h时，系统软件为每10～20 cm监测一个断面。通过智能碾压技术，可以有效地做到全方位监控整个路基填筑施工情况，再结合实时可视化显示和数据采集，不仅可以较好地全面掌握路基填筑压实的均匀性，还可以充分了解施工路段压实的局部情况，使随机抽样的常规监测变成针对性的关键（薄弱）区域控制监测，极大地提高常规监测的准确性，有效降低常规监测存在的不确定性，实现路基压实的全面数字化施工。

3.3.4实时预警

通过微信公众号或其他在线平台建立线上预警平台，主要预警松铺厚度、压实厚度、碾压遍数三个指标，当指标与预设不符时系统将向管理人员发出警报。可根据项目需求建立不同模式的报警级别，如轻微波动、明显偏差和严重偏差三级，向相应的管理人员发出信息，并进行相应的整改和复查销项。详见图4。

4关键技术

4.1基于北斗卫星的施工机械高精度定位控制技术

在框定的电子围栏内，以北斗卫星导航高精度定位技术为基础，开展路基智能碾压作业，通过建立高精度北斗卫星地面差分增强站网（CORS站）并对服务范围内位置信息进行实时差分计算，部署压路机机载北斗定位终端，实时监测压路机作业位置，以实现目标压路机的碾压轨迹（cm级定位）与指定特征区域的碾压遍数及压实厚度。详见图5～6。

4.2路基压实质量全时段智能检测与轨迹诱导技术

根据压路机加载设备上收集的相关数据及北斗定位数据，经过系统软件实现实时处理，并由此形成相应的监管及验收体系，实现了路基填筑的可视化、数字化施工，可以有助于建设单位和监理单位进行即时和有效的监管，从而降低漏压、少压现象，进一步保证路基稳定，为高速公路的安全营运打下坚实的基础。

4.3路基碾压工作集群信息交互与协同控制技术

国内外现有相关路基智能压实技术均为控制单台施工机械，不适用于宽幅路基施工过程中路基集群组合碾压的工作模式。基于WebGL的数据轻量化分发与大数据分布式存储技术，实现了碾压集群间信息动态交互共享与智能协同控制，减少了同一工作区域内的压路机重复碾压的情况，提高了路基压实效率。

5智能碾压在沙吴路的应用情况

为能有效监控路基填筑的碾压质量，降低返工带来的时间和资源浪费，把控路基工程质量，沙吴路项目大力推广应用路基施工智能碾压技术，再辅以电子围栏、数据采集、指标展示、动态预警及报表输出等功能，实现了实时与数字化监控，保证了路基填筑质量。

5.1前期硬件调试安装

在设备安装调试前，项目对北斗高精度定位板卡的定位精度进行测试，分为静态小范围和静态大范围实验。

5.1.1静态小范围实验

在建设单位附近随机选择25 m2范围内10个互不重合的点位，用鋼尺测量出任意两点之间的实际距离L1，再将北斗定位天线分别放置在每个点位上，通过后台结算软件，计算出测量距离L2，通过L1和L2的对比，确定北斗定位板卡的定位精度。

经过L1和L2的数据比对，其部分实验数据误差分析见图7。

由图7可知，测试距离和实际距离在静态小范围标定实验数据对比曲线图中基本重合，测试误差最大为1.8 cm，满足工程应用要求。

5.1.2静态大范围实验

在沙吴路工地现场400 m长度范围内随机确定50个互不重合的点位，用全站仪测量出任意两点之间的实际距离L1，再将北斗定位天线分别放置在每个点位上，通过后台结算软件，计算出测量距离L2，通过L1和L2的对比，确定北斗定位板卡的定位精度。

经过数据测试对比，其部分实验数据误差分析见图8。

由图8可知，测试距离和实际距离在静态大范围标定实验数据对比曲线图中基本重合，测试误差最大为2.3 cm，满足工程应用要求。

通过静态小范围、大范围实验测试，北斗高精度定位板卡的定位精度满足项目工程要求，其数据有效可用。

为了确保能对位置信息进行实时差分计算，实现压路机碾压轨迹厘米级定位与项目信号全覆盖，项目分别在建设单位和两个土建施工合同段驻地建立北斗卫星连续运行参考站（CORS）（共3个），并对其进行调试。

5.2设备安装及调试

根据项目建设的进度开展情况，前期选取在SWK+335～SWK1+510工作区域的2台压路机安装智能碾压软硬件设备，并改造其电路以实现压路机仪表盘翘板开关一键启动。在设备安装调试完成后，开始基础数据采集及分析工作。

在前期调试阶段，2台压路机合计采集了8 536条压实数据，同时在碾压过程中对现场各层每遍压实后进行灌砂法压实度检测以比对分析。

5.3存在的问题

（1）路基智能压实值（CMV）会受到填料材质、填筑材料厚度、含水率、碾压行驶速度以及激振力等多种因素的影响。如不同的填料材质内摩擦力不同、其他条件相同时CMV值会有明显变化，每层填料摊铺的厚度会对CMV值有直接影响，填料的含水率变化会对CMV值有直接影响等。同时现场指标变异性大，如现场土质条件、含水量变化大等，需要更多的现场压实度、含水量、厚度检测试验结果作为数据拟合基础，进一步提高压实度与振动加速度的映射关系精度，使之更能进一步表征压实度。

（2）为达到高精度数据采集，需到现场设置，数据采集频率为每台设备每秒钟采集一组数据，数据由下位机通过串口到上位机，再通过4G模块传输到服务器数据库中。由于数据量巨大，特别是高精度数据计算量大，现有算法和硬件配置需进行优化。

（3）小范围电子围栏功能的实现需要配置便携式北斗定位设备，并且进行相应软件开发，保证数据能通过4G网络与现有服务器数据库中的数据进行对接，同时新增手持定位装置需二次开发。

（4）现场部分区域信号不稳定，使北斗差分信号定位偏差，差分数据不能及时下发至定位终端，进而造成采集端出现数据漂移过大的情况。

5.4应对措施

根据前期开展的数据采集及分析工作，经过研究讨论，采取以下措施进一步提高智能碾压技术的可靠性：

（1）收集不同填筑材料的土质试验报告，增加土体条件自动筛选匹配功能，提高相对压实度计算精度和准确性；对陆续进场的压路机安装设备，在下路堤填筑中进行大范围现场检测实验，通过大数据采集及分析寻找适应于沙吴路土体条件的压实度与加速度的函数关系；同时建立了灌砂法压实度检测指标数据库，以便后期与智能碾压CMV数据进行回归分析，推算出CMV与压实度的关系。

（2）优化现有显示算法，应对海量数据条件下快速显示与计算的工程需求。主要针对现有条件下，沙吴路同一工作面3台或以上压路机在同一工作面碾压施工的情况，完善采集软件的响应速度与展示界面的精度。

（3）积极联系北斗设备供应商，对手持式北斗定位设备进行选型，并对其软件系统进行二次开发，实现手持端数据稳定快速上传，与现有系统自动对接；同时在公路沿线信号较差的范围增加4G信号增强设备，以保证信号稳定。

（4）对已安装并开工的设备进行日常巡检，对发现的技术问题进行及时指导。

（5）总结记录压路机机手实际使用中发现的问题，针对存在问题进行及时整改。

基于大数据的采集和比对，以及后续系统优化和完善，智能碾压系统能准确反映出填筑过程中的碾压轨迹、填筑厚度、碾压遍数等关键指标，能准确定位碾压设备的位置（需要在系统输入项目的填筑范围，避免压路机在其他地方工作时发出误报如碾压便道或改路等）；同时根据项目需求，陆续开发出施工与验收场景转换、数据共享界面展示、手机报警、溯源以及报表输出等功能。这不仅有助于压路机手及时了解同一工作面其他压路机的工作状态，减少漏压、少压的可能性，更有助于管理人员能实时掌握碾压动态，准确把握每次路基填筑的真实情况，保证路基稳定。

路基智能壓实值（CMV）虽然在一定程度上可以表征路基压实度，但其影响因素较多。如填料性质、压路机不一样等会导致CMV值和压实度的对应关系也有很大不同，需要进行较多的数据采集、对比及分析，工作量巨大，且某个项目的CMV与压实度的对应关系在其他项目恐难以适用，故仍需采用灌砂法等传统检测方式进行实验验证。但可以与传统检测方法结合起来，使传统检测方法的随机取样性变成关键点、薄弱点的检测，有利于提高检测的效率和准确性。

6结语

智能碾压技术将碾压遍数、碾压轨迹、层厚等数据以图表形式直观地呈现给压路机手及管理人员，使其可及时掌握路基工程施工质量，改变以往凭感觉及施工经验的质量把控方法，有效降低了人为因素的影响，全过程、全面域、全方位为业主、监理、施工各方提供最直观的工程动态质量控制与更全面的路基压实信息，降低少压、漏压的概率，有效保障路基施工质量。但目前压实度只能通过大量试验及大数据分析，从而建立与压实度的间接关系，以推算出压实度，其数值的真实有效性恐难以令所有人信服，因此如何与压实度建立起直接关系，有效降低检测技术工作量，进一步降低人工成本，应成为进一步研究的重点。

参考文献

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基金项目：广西重点研发计划“智慧高速车路一体技术研究与示范项目”（编号：桂科AB21196008）

作者简介：周杨（1985—），工程师，主要从事高速公路建设工作。