張揚

（黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司）

1 引言

隨著“新基建”的逐步落實，高速公路施工的各個階段逐漸向信息化、智能化[1-2]發(fā)展。將通訊[3-4]、定位[5-7]、自動控制[8-9]等多種技術(shù)結(jié)合起來，采集施工過程中的數(shù)據(jù)，并運用大數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)，從而監(jiān)管施工質(zhì)量。

目前，高速公路路基壓實施工的壓實路徑難以通過人工精準(zhǔn)控制，壓實后的路基依然存在質(zhì)量問題。國內(nèi)外學(xué)者已通過建立路基壓實質(zhì)量模型[10]及壓實反饋方法[11]進行分析，研究了智能壓實監(jiān)控技術(shù)[12]。因此，需要結(jié)合先進技術(shù)手段，使壓路機能夠做到無人駕駛壓實，提高路基施工質(zhì)量，保障施工安全。

本文通過對5G通信技術(shù)、定位技術(shù)、無人駕駛控制技術(shù)在公路施工方面現(xiàn)狀及原理的分析，研究融合多種技術(shù)的高速公路智能壓實技術(shù)的整體架構(gòu)，并在黑龍江省哈肇高速公路施工中進行應(yīng)用，為提高現(xiàn)有公路施工速度及管理效率提供技術(shù)支持。

2 智能壓實關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 5G通信技術(shù)及北斗定位技術(shù)研究

2.1.1 5G通信技術(shù)研究

現(xiàn)有研究表明，5G通信技術(shù)可在自動輔助駕駛、路況安全反饋等方面應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、低延時特點保障了工程機械設(shè)備信息實時反饋，減小了安全制動的反應(yīng)時間及距離。5G通信技術(shù)應(yīng)用于公路施工，既要實現(xiàn)通信系統(tǒng)的多節(jié)點接入和長距離傳輸，還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和安全性。

根據(jù)目前高速公路5G基站的覆蓋現(xiàn)狀和規(guī)劃分析得到公路高速公路5G覆蓋存在車體穿透損耗大、業(yè)務(wù)切換繁忙等特點，為擴展5G宏站網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，應(yīng)加強對5G微站的建設(shè)，經(jīng)研究采用3.5GHz和2.1GHz頻段分場景混合組網(wǎng)覆蓋于高速公路施工現(xiàn)場的方案。

2.1.2 北斗高精度定位技術(shù)研究

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，在公路工程方面，已應(yīng)用RTK定位技術(shù)、集成地理信息系統(tǒng)和計算機技術(shù)。公路工程無人駕駛機械施工的精準(zhǔn)定位服務(wù)都是采用網(wǎng)絡(luò)輔助信息+差分BDS等技術(shù)手段。而千尋定位自建地基增強系統(tǒng)，聯(lián)合運營商提供服務(wù)，降低設(shè)備成本，還能結(jié)合高精度地圖，幫助無人駕駛設(shè)備對環(huán)境進行感知，獲取環(huán)境信息并計算，從而進行自主決策。

目前在公路工程的施工現(xiàn)場，主要應(yīng)用的定位方式分別為北斗輔助定位技術(shù)的差分基準(zhǔn)站定位或北斗地基增強系統(tǒng)的千尋定位，兩種差分基站布設(shè)路徑及其他主要參數(shù)比對如表1所示，應(yīng)根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)基站布設(shè)情況及預(yù)算要求選擇差分基準(zhǔn)站定位或千尋定位。

表1 差分基站布設(shè)路徑分析表

2.2 無人駕駛自動控制系統(tǒng)研究

無人駕駛壓路機自動控制系統(tǒng)是以計算機為中心，通過軟件及硬件設(shè)計進行環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動控制的智能系統(tǒng)。無人駕駛壓路機自動控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人駕駛壓路機系統(tǒng)架構(gòu)

壓路機采用“IF-THEN”決策系統(tǒng)，依據(jù)具體規(guī)則編程。感知層通過定位接收機、角位移傳感器、超聲波雷達(dá)感知施工環(huán)境和壓路機自身狀態(tài)。規(guī)劃層采用工控機、自主研發(fā)平臺或第三方研發(fā)平臺以滿足計算機各類控制單元需求，結(jié)合施工區(qū)域信息、碾壓施工工藝信息自動規(guī)劃施工軌跡和糾偏、避障措施?？刂茖油ㄟ^電控硬件，應(yīng)用自動控制算法控制壓路機行駛、轉(zhuǎn)向、碾壓、避障等，使壓路機完成限定區(qū)域及條件下的無人駕駛。

3 無人駕駛智能壓實的系統(tǒng)設(shè)計

無人駕駛壓實除應(yīng)用以上幾種技術(shù)外，還要綜合運用自動駕駛技術(shù)、動態(tài)避障技術(shù)等，同時還與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行有機融合。

3.1 無人駕駛智能壓實系統(tǒng)框架設(shè)計

根據(jù)以上對5G通信技術(shù)、北斗定位技術(shù)、自動控制技術(shù)的技術(shù)原理，以及多種技術(shù)應(yīng)用于無人駕駛壓路機的研究，得出無人駕駛智能壓實系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 無人駕駛智能壓實系統(tǒng)框架

無人駕駛壓路機嚴(yán)格按照道路設(shè)計數(shù)據(jù)進行施工，在保證施工工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合路基壓實度檢測系統(tǒng)，通過RTK定位模塊、加速度傳感器、紅外溫度傳感器對位置、壓實遍數(shù)、壓實溫度進行實時動態(tài)監(jiān)測，并通過5G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸和機器間的信息交互。

3.2 無人駕駛壓路機應(yīng)用分析

目前黑龍江省高速公路哈肇段的建設(shè)為本研究的主要測試路段，全線采用瀝青混凝土路面。試驗段全長500m，樁號為K83+000～K83+500，上基層材料為ATB-25粗粒式瀝青碎石，路面設(shè)計寬度為23.5m，為雙向4車道。

本研究無人駕駛壓實試驗段在無人駕駛智能施工控制管理平臺中得到的壓實軌跡云圖，如圖3所示。

圖3 無人駕駛壓實軌跡云圖

通過使用image Pro plus軟件對圖3進行處理，捕捉不同顏色所占路面的比例，得到不同壓實遍數(shù)占試驗段施工區(qū)域的比例，如表2所示。

表2 無人駕駛壓實遍數(shù)比例表

由圖3和表1可知，無人駕駛壓路機壓實過程中，壓實軌跡均勻整齊，能夠清晰地看出壓實重疊區(qū)域的壓實情況，且壓實施工達(dá)到要求的壓實遍數(shù)面積占比能夠達(dá)到97.91%。由于5G網(wǎng)絡(luò)和北斗高精度定位技術(shù)的共同應(yīng)用，結(jié)合自動駕駛控制器準(zhǔn)確定位壓路機，精準(zhǔn)控制無人駕駛壓路機壓實路徑及轉(zhuǎn)向角度，同時通過壓路機之間信息的交互，智能控制各壓路機交叉作業(yè)，從而使無人駕駛壓路機壓實的軌跡均勻。

4 結(jié)語

通過對智能壓實施工多種技術(shù)原理及應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，采用5G混合組網(wǎng)的方式對高速公路施工現(xiàn)場進行通信全覆蓋，能夠加快無人駕駛施工機械與管理平臺間的信息反饋速度，大幅度降低反應(yīng)延時。而5G通信及北斗高精度定位技術(shù)的融合，則更精準(zhǔn)地控制了無人駕駛壓路機的碾壓軌跡、碾壓質(zhì)量。通過多種技術(shù)與車載傳感器和智能壓實檢測系統(tǒng)對無人駕駛壓路機施工的綜合控制，可保證壓路機運行的安全。

經(jīng)工程實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，無人駕駛壓路機的作業(yè)軌跡更加均勻，避免了傳統(tǒng)人工駕駛壓實導(dǎo)致壓實效果不均勻的問題，還能夠達(dá)到省時、省人、節(jié)約成本的目的，提升高速公路路基壓實的施工效率，是公路工程施工領(lǐng)域技術(shù)革新的重要發(fā)展方向。