摘要 文章針對國內(nèi)外智能壓實(shí)與智能攤鋪技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了智能壓實(shí)與智能攤鋪技術(shù)的不同方法以及對智能路面技術(shù)的未來展望，與傳統(tǒng)瀝青路面的控制方法相比，3D智能攤鋪技術(shù)依托Topcon-mmGPS數(shù)字化攤鋪?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，主要包括測量系統(tǒng)和攤鋪?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)；智能壓實(shí)技術(shù)（IC）是一種可以實(shí)時控制壓實(shí)質(zhì)量（CQ）的有效新技術(shù)，其配備了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、加速度計(jì)測量系統(tǒng)以及可以實(shí)時監(jiān)測和控制壓實(shí)的車載彩色顯示器。

關(guān)鍵詞 智能壓實(shí)（IC）；智能攤鋪；壓實(shí)質(zhì)量（CQ）；智能壓實(shí)指標(biāo)（ICMV）；壓實(shí)參數(shù)

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0186-03

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，我國的交通運(yùn)輸建設(shè)更趨于智能化，正在向交通強(qiáng)國的目標(biāo)大步邁進(jìn)。路面是交通運(yùn)輸中最重要的基礎(chǔ)之一，智能路面系統(tǒng)的提出更好地響應(yīng)了我國當(dāng)前關(guān)于綠色發(fā)展和傳統(tǒng)路面安全的問題[1]，是目前的一個主流研究方向。其中，關(guān)于智能壓實(shí)技術(shù)和智能攤鋪技術(shù)的發(fā)展已見成效，并在實(shí)際工程中得到運(yùn)用和驗(yàn)證，該文將從這兩方面出發(fā)，對比傳統(tǒng)瀝青路面的控制方法，簡述智能壓實(shí)和攤鋪技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對智能路面技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 智能壓實(shí)技術(shù)

壓實(shí)是道路建設(shè)施工中最重要的環(huán)節(jié)之一，壓實(shí)的質(zhì)量直接影響材料的性能發(fā)揮，進(jìn)而影響瀝青路面的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和抗疲勞性。傳統(tǒng)壓實(shí)機(jī)及其質(zhì)量控制程序可能出現(xiàn)壓實(shí)過程中材料密度的不均勻，且壓實(shí)后期進(jìn)行的壓實(shí)質(zhì)量評估只限于手動檢測一定數(shù)量的點(diǎn)，而使用的采樣方法對路面具有破壞性，影響路面的后期使用性能[2]，這是傳統(tǒng)壓實(shí)方法導(dǎo)致路面壽命低的主要原因之一。而智能壓實(shí)技術(shù)（IC）可以通過實(shí)時調(diào)整壓實(shí)過程，識別質(zhì)量不良的點(diǎn)，有效克服傳統(tǒng)壓實(shí)存在的部分不足。

1.1 智能壓實(shí)技術(shù)的歷史

智能壓實(shí)技術(shù)最早由瑞典的Heinz Thumer于1974年開始研究，并將IC技術(shù)概念運(yùn)用于土壤的壓實(shí)特性研究。1975年其提出了智能壓實(shí)指標(biāo)（ICMV），并在Geodynamik研究中首次引入了該指標(biāo)。壓實(shí)指標(biāo)使用諧波比，即振動輪動態(tài)響應(yīng)信號分解得到的一次諧波與基波的比值[3]，并將其作為幾項(xiàng)研究的主要剛度值參數(shù)。1980年后，各個廠商開始基于不同的測試參數(shù)開發(fā)自己的CMVs。2000年，Swanson等人申請了名為“壓實(shí)材料密度測量和壓實(shí)跟蹤系統(tǒng)”的專利，該專利引入了全球定位系統(tǒng)（GPS）以測量熱混合瀝青（HMA）的壓實(shí)密度，為現(xiàn)代智能壓實(shí)技術(shù)提供了基礎(chǔ)概念[4]。隨后，眾多國家加入智能壓實(shí)技術(shù)的研究中，其中美國在該方面的技術(shù)最為成熟，并形成了較為系統(tǒng)的智能壓實(shí)體系[1]。

智能壓實(shí)技術(shù)在路面智能化施工方面有著良好的發(fā)展前景，目前已取得一定的研究成果。

2014年，Leyland等[5]對南非的試驗(yàn)路段使用了不同的智能壓實(shí)方法，推動了南非傳統(tǒng)路面的升級，并分析了在不同環(huán)境下使用智能壓實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)智能壓實(shí)技術(shù)在薄層或硬層上使用時缺乏敏感性。

2016年，Barman等利用美國俄克拉荷馬大學(xué)Beainy等[6]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的瀝青路面壓實(shí)度的質(zhì)量控制方法設(shè)計(jì)了智能瀝青壓實(shí)分析儀（ICA），提出了一種系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測路基壓實(shí)水平過程的方法。該研究發(fā)現(xiàn)，智能壓實(shí)分析儀可以實(shí)時評估路基模量，以適應(yīng)施工過程中質(zhì)量控制測量的精度。盡管該研究結(jié)果的應(yīng)用前景廣闊，但由于目前測試主要集中在穩(wěn)定的水泥路基上，未來仍需針對不同的路基類型和不同環(huán)境進(jìn)行測試，以充分驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。

2018年，Yoon等[7]研究了智能壓實(shí)技術(shù)在熱混合瀝青路面質(zhì)量控制（QC）和質(zhì)量保證（QA）中的適用性，并在美國印第安納州進(jìn)行了問卷調(diào)查和電話訪談。他們提出了用智能壓實(shí)指標(biāo)替代原位密度測量的可能性，對提高路面使用性能和延長路面使用壽命具有積極意義。但目前仍缺乏可靠證據(jù)證明用ICMV代替原位密度測量的可能性，因此尚無法證明智能壓實(shí)指標(biāo)在熱混合瀝青路面的應(yīng)用中的合理性，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究ICMV與HMA的相關(guān)性，以推動智能壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

Chang等[8]提出了結(jié)合智能壓實(shí)和攤鋪機(jī)安裝的熱分析技術(shù)（PMTP），以改善瀝青路面的施工質(zhì)量。該技術(shù)利用PMTP實(shí)時監(jiān)測施工過程中瀝青路面的表面溫度、攤鋪機(jī)速度、攤鋪機(jī)停止時間和停止持續(xù)時間，再利用IC技術(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，從而監(jiān)控整個攤鋪的壓實(shí)過程。

2021年，Chen等人提出了采用軋制均勻性指數(shù)（RUI）和軋制標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)（RSI）控制壓實(shí)質(zhì)量，并通過原位測量的壓實(shí)度和平整度評估該指標(biāo)的適用性。此外，還提出了一種繪制軋制彩色地圖（RCM）的方法，用于降低智能壓實(shí)的數(shù)據(jù)處理量。該研究探索的RCM方法在實(shí)際工程施工中促進(jìn)了智能壓實(shí)的發(fā)展，提出的兩個IC指標(biāo)使IC技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測方法成為可能。

Fathi等人提出了一種新方法，利用智能壓實(shí)技術(shù)提取土壤和未結(jié)合骨料基礎(chǔ)材料的模量進(jìn)行質(zhì)量管理，該方法利用機(jī)械學(xué)習(xí)、IC技術(shù)以及基于模量的現(xiàn)場測試作為校準(zhǔn)過程，以評估壓實(shí)材料的力學(xué)性質(zhì)。該研究將人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)械方法結(jié)合，將IC定位為一種適合壓實(shí)材料質(zhì)量管理的技術(shù)。

Fang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)是智能壓實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)，但由于當(dāng)前的研究尚未發(fā)現(xiàn)其變化模式和機(jī)制，利用有限元模型分析了其發(fā)展機(jī)制以及對壓實(shí)指標(biāo)的影響。

1.2 前智能壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及問題

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

通過智能壓實(shí)技術(shù)，駕駛員可以在駕駛室直接觀測作業(yè)中的路面壓實(shí)情況，實(shí)現(xiàn)操作可視化，從而降低駕駛過程中人為操作產(chǎn)生的過壓或漏壓風(fēng)險(xiǎn)[10]。智能壓實(shí)技術(shù)能夠?qū)崟r記錄壓實(shí)數(shù)據(jù)，并在壓實(shí)過程中對薄弱地區(qū)實(shí)施檢驗(yàn)，使監(jiān)測結(jié)果更具針對性，能夠更全面地反映路面的壓實(shí)情況。

智能壓實(shí)可以實(shí)時監(jiān)控整個壓實(shí)過程，記錄整個施工過程的數(shù)據(jù)和時間[11]，便于后期的養(yǎng)護(hù)維修工作，更快速準(zhǔn)確地找到薄弱位置，降低養(yǎng)護(hù)成本。此外，由于數(shù)據(jù)的公開透明性，減少了人為造假或操作不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 問題

然而，智能壓實(shí)技術(shù)引入了GPS定位技術(shù)用于收集壓實(shí)過程的位移變化，這將涉及GPS定位基站的部署，大大增加了智能壓實(shí)技術(shù)的普及成本。由于IC技術(shù)對定位精度有較高要求，當(dāng)在GPS信號弱的山區(qū)或其他區(qū)域時，IC技術(shù)的使用將受到限制[12]，需進(jìn)一步研究以尋求突破。

目前用于IC技術(shù)的壓路機(jī)尚未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共享，導(dǎo)致其應(yīng)用受限，無法實(shí)現(xiàn)隨意調(diào)配，從而降低了壓實(shí)設(shè)備的綜合利用率，同時增加了數(shù)據(jù)集中處理的復(fù)雜性。未來可著手開發(fā)基于存儲IC技術(shù)數(shù)據(jù)的云端解決方案，將實(shí)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到云端，提升調(diào)配效率，減少數(shù)據(jù)整合的工作量。

2 3D智能攤鋪技術(shù)

瀝青攤鋪技術(shù)是道路施工中的核心技術(shù)之一，目前通常使用攤鋪機(jī)進(jìn)行施工[13-14]。傳統(tǒng)的公路工程攤鋪控制工作主要采用聲吶追蹤器或滑雪傳感器，通過應(yīng)用此類裝置，以達(dá)到引導(dǎo)攤鋪施工的效果。然而，傳統(tǒng)的攤鋪工藝存在一定的局限性：（1）施工前準(zhǔn)備工作煩瑣，綜合效益較低。（2）施工精度受人工技術(shù)和施工機(jī)械影響較大。（3）施工環(huán)境惡劣，攤鋪施工現(xiàn)場的瀝青煙氣對人體有害，年輕人不愿意駕駛這些設(shè)備，導(dǎo)致人工成本越來越高[15]。（4）需要施工人員全天候監(jiān)控，浪費(fèi)人力資源。

2.1 3D智能攤鋪技術(shù)原理

3D 智能攤鋪技術(shù)依托于Topcon-mmGPS數(shù)字化攤鋪?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，主要包括測量系統(tǒng)和攤鋪?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）基站、激光發(fā)射器和mmGPS流動站等三部分組成。攤鋪?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)主要包括機(jī)載GNSS/激光接收器、GNSS接收機(jī)和控制器。

測量系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和作業(yè)精度將顯著影響攤鋪質(zhì)量，這一系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)得益于GNSS基準(zhǔn)站、激光發(fā)射器和mmGPS流動站的共同配合。各部分裝置形成協(xié)同工作機(jī)制，保證信息的有序流暢[16]。

2.2 3D智能攤鋪技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用優(yōu)勢

針對3D智能攤鋪系統(tǒng)進(jìn)行原理分析及工程應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)3D智能攤鋪無需放樁及架設(shè)基準(zhǔn)線，施工靈活、高效，可實(shí)現(xiàn)自動變坡度施工。通過實(shí)際工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)對平整度、厚度及線形的控制均達(dá)到了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)且精度較高。盡管在起步階段和邊坡區(qū)域，系統(tǒng)的平整度和厚度波動相對較大，但仍在規(guī)范限值內(nèi)。

黃立明[17]結(jié)合調(diào)研資料、現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析，建立了一種基于公路工程3D數(shù)字化自動攤鋪控制技術(shù)的新質(zhì)量評價(jià)模式（包括路面高差等值線及基層面色標(biāo)評價(jià)法），為現(xiàn)場施工人員實(shí)時掌握和改善施工質(zhì)量提供了新方法。其提出的3D攤鋪數(shù)字化自動攤鋪施工工藝流程，為使用3D攤鋪數(shù)字化自動攤鋪提供了參考依據(jù)。

徐志勇等[18]運(yùn)用3D智能攤鋪系統(tǒng)在底基層和基層施工中發(fā)現(xiàn)，在高程精度控制方面，3D智能攤鋪工藝在底基層路基的高程偏差為-0.02～0.02 m，修復(fù)比例提高了51%，而使用傳統(tǒng)工藝僅提高13%和41%，因此，3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝而言，高程的精度控制更佳，并在提升平整度上也表現(xiàn)得更為明顯和穩(wěn)定。

結(jié)合各專家分析實(shí)踐，3D智能攤鋪技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢可總結(jié)為：（1）提高數(shù)字化施工水平。（2）工作流程精簡。（3）全過程控制。（4）對人員需求量少。同時，從工程實(shí)踐來看，3D智能攤鋪系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，施工效果滿足要求，在確保施工安全和質(zhì)量的前提下，有效減少了成本投入，提高了經(jīng)濟(jì)效益[19]。

3 我國智能壓實(shí)與智能攤鋪技術(shù)的發(fā)展與展望

為推動美國IC技術(shù)發(fā)展，美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）交通聯(lián)合基金于2007年發(fā)布了一項(xiàng)名為“路堤路基土壤、骨料基層和瀝青路面材料智能壓實(shí)技術(shù)的實(shí)施”的戰(zhàn)略計(jì)劃，該計(jì)劃有12個州積極參與，并發(fā)布了IC技術(shù)應(yīng)用規(guī)范，隨后歐洲和日本也陸續(xù)制定了詳細(xì)的IC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施顯著提升了公路、鐵路等民生工程的建設(shè)質(zhì)量。然而，我國智能壓實(shí)技術(shù)同國外同行業(yè)之間存在較大差距，且至今尚未建立智能壓實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為促進(jìn)國內(nèi)IC技術(shù)的發(fā)展并縮小與國際的差距，開展國內(nèi)瀝青路面智能壓實(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究顯得尤為迫切。

智能壓實(shí)和智能攤鋪技術(shù)僅是智能路面技術(shù)的一部分，除了發(fā)展智能壓實(shí)技術(shù)并解決其存在的缺陷外，還需與其他智能路面技術(shù)配套協(xié)調(diào)發(fā)展，增強(qiáng)交互性。這涉及多學(xué)科的交叉問題，需要多個領(lǐng)域的科研人才共同合作才能完成，應(yīng)充分發(fā)揮我國科研人員的人數(shù)優(yōu)勢，借助智能化手段提升未來工程的建設(shè)質(zhì)量。

4 結(jié)語

針對我國目前的研究現(xiàn)狀，路面智能化發(fā)展能夠提高施工的精度和速度，減少人力資源浪費(fèi)。但是，智能設(shè)備的運(yùn)用仍處于不斷發(fā)展變化中，需要不斷地研究和更新設(shè)備，以期能夠更好地幫助了解路面的相關(guān)性能發(fā)展，推動我國交通運(yùn)輸設(shè)施建設(shè)，早日達(dá)成交通強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]" LINBING W，王含笑，趙千，等. 智能路面發(fā)展與展望[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2019（4）： 50-72.

[2]" XU Q， CHANG G K. Adaptive Quality and Acceptance of Pavement Material Density for Intelligent Road Construction [J] . Automation in Construction， 2016，62：78-88.

[3]" CUI Hao. Based on Intelligent Compaction Technology of Filling Roadbed Compaction Degree Test Research [D]. Baoding： Hebei University，2017.

[4] MINCHIN R E， THOMAS H R. Validation of Vibration-Based Onboard Asphalt Density Measuring System[J/OL]. Journal of Construction Engineering and Management， 2003（1）： 1-7.

[5]" LEYLAND R. A Case Study of Intelligent Compaction Used in Road Upgrades [J]. Engineering Geology for Society and Territory， 2014， 7：201-206.

[6]" BEAINY F， COMMURI S， ZAMAN M. Asphalt Compaction Quality Control Using Artificial Neural Network [A]. Conference on Decision and Control （CDC） [C].New York： IEEE， 2010： 4643-4648.

[7]" YOON S， HASTAK M， LEE J. Suitability of Intelligent Compaction for Asphalt Pavement Quality Control and Quality Assurance [J]. Journal of Construction Engineering and Management， 2018（4）：263-268.

[8]" CHANG G K， MOHANRAJ K， STONE W A， etal. Leveraging Intelligent Conpaction and Thermal Profiling Technologies to Improve Asphalt Pavement Construction Quality： A Case Study [J]. Transportion research Record， 2018（2672）： 48-56.

[9]" FANG Z， ZHU Y， MA T， etal. Dynamical response to vibration roller compaction and its application in intelligent compaction[J/OL]. Automation in Construction， 2022， 142： 104473.

[10] 魏連雨，張學(xué)金，曹東偉，等.關(guān)于公路工程施工智能化壓實(shí)技術(shù)的文獻(xiàn)綜述[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2015（9）： 57-60.

[11] 黃聲享，曾懷恩．GPS實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)及其在碾壓施工中的應(yīng)用[J]．測繪工程，2016（3）：23-25+32.

[12] 杜文雅．智能壓實(shí)中的GPS測距技術(shù)研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2014．

[13] 張飛，張杰勝.現(xiàn)代測量技術(shù)在瀝青高精度攤鋪智能控制中的應(yīng)用[J].安徽建筑，2016（2）： 100-102+115.

[14] 傅小榮.市政工程城市道路施工技術(shù)研究[J].中華民居，2012（11）：302-303.

[15]" 王琳琳. 智能施工，引領(lǐng)未來——三一重工無人駕駛智能攤鋪機(jī)重磅亮相[J/OL]. 中國公路， 2019（24）： 50-5.

[16] 袁昌， 朱長根， 楊偉華， 等. 瀝青路面3D智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 市政技術(shù)，2019（4）：34-37.

[17] 黃立明．基于3Ｄ數(shù)字化自動攤鋪控制系統(tǒng)的瀝青混凝土路面應(yīng)用研究[J].江西建材，2020（8）：116-117+119.

[18] 徐志勇，張宗兵，陳剛，等.3D攤鋪系統(tǒng)在底基層和基層施工中的應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)，2022（1）：37-42.

[19] 羅健勇.公路工程瀝青路面3D攤鋪技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)化施工中的應(yīng)用[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021（12）：121-123.