摘 要：本項(xiàng)目研發(fā)了一種瀝青路面裂縫智能養(yǎng)護(hù)車(chē)以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。通過(guò)微波加熱新型瀝青貼縫帶，使瀝青混合料均勻填充到裂縫的表面和內(nèi)部，從而達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的。同時(shí)養(yǎng)護(hù)車(chē)兼?zhèn)淞芽p識(shí)別與路徑規(guī)劃功能，因此能夠準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)。

關(guān)鍵詞：微波加熱；養(yǎng)護(hù)車(chē)；貼縫帶；裂縫識(shí)別；路徑規(guī)劃

1 作品介紹

目前，國(guó)家高速公路瀝青路面工程發(fā)展已步入“建養(yǎng)并重”的關(guān)鍵階段，養(yǎng)護(hù)部門(mén)愈發(fā)注重路面的病害處治，小修小補(bǔ)深度養(yǎng)護(hù)成為阻止裂縫病害過(guò)快發(fā)展的主要手段。路面裂縫會(huì)造成道路內(nèi)部?jī)雒?、礦料腐蝕和剝落等局部破壞，是影響道路使用壽命和行車(chē)安全的主要問(wèn)題之一。然而，當(dāng)前以人工參與為主的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式存在施工效率低、自動(dòng)化程度低、能源消耗大的問(wèn)題，因此需要更加高效和環(huán)保的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

基于此，本項(xiàng)目研發(fā)了一種瀝青路面裂縫智能養(yǎng)護(hù)車(chē)以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。團(tuán)隊(duì)通過(guò)多次試驗(yàn)與仿真，從眾多材料中篩選出羰基鐵粉和瀝青混合料。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化材料的配比和結(jié)構(gòu)，最終使新型貼縫帶吸波率高達(dá)94%。在實(shí)際養(yǎng)護(hù)作業(yè)中，養(yǎng)護(hù)車(chē)通過(guò)預(yù)壓輪將新型貼縫帶壓實(shí)到裂縫上，通過(guò)波導(dǎo)管發(fā)射2 450 MHz微波對(duì)新型貼縫帶與周?chē)鸀r青路面加熱，使熔化后的瀝青膠漿與路面瀝青達(dá)到浸潤(rùn)效果，均勻填充到裂縫中，從而完成裂縫修補(bǔ)。此外，養(yǎng)護(hù)車(chē)具備基于A-star算法的路徑規(guī)劃與裂縫識(shí)別功能。團(tuán)隊(duì)針對(duì)裂縫的特征，對(duì)A-star算法的啟發(fā)式函數(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)，使路徑規(guī)劃準(zhǔn)確率高達(dá)97%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道路裂縫的精準(zhǔn)修補(bǔ)。

2 技術(shù)原理

2.1 瀝青路面裂縫快速修復(fù)材料設(shè)計(jì)與修復(fù)工藝

養(yǎng)護(hù)車(chē)可通過(guò)不同的修補(bǔ)方式來(lái)修補(bǔ)不同種類(lèi)的裂縫。當(dāng)裂縫寬度小于3 mm時(shí)，養(yǎng)護(hù)車(chē)直接加熱瀝青路面使其自愈合，并通過(guò)預(yù)壓輪碾壓的物理性推動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的修復(fù)。當(dāng)裂縫寬度大于3 mm時(shí)，波導(dǎo)管通過(guò)加熱新型貼縫帶與周?chē)鸀r青路面，使瀝青膠漿與路面瀝青達(dá)到浸潤(rùn)效果，完成對(duì)裂縫的修復(fù)。工作流程如圖1所示。

對(duì)于瀝青路面裂縫快速修復(fù)材料的設(shè)計(jì)，即新型貼縫帶，團(tuán)隊(duì)通過(guò)查閱資料和材料測(cè)試，確定其組成為瀝青、羰基鐵粉與膠黏劑。隨后，運(yùn)用CST仿真軟件對(duì)貼縫帶的吸波性能進(jìn)行模擬測(cè)試，并針對(duì)由羰基鐵粉和瀝青分層疊加制成的貼縫帶進(jìn)行微波加熱仿真實(shí)驗(yàn)，最終選取部分樣品進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。貼縫帶尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，在2 450 MHz頻率下，羰基鐵粉的介電常數(shù)實(shí)部為37.868 9，虛部為17.156；瀝青的介電常數(shù)實(shí)部為2.5，虛部為0.002 5。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果和查閱資料發(fā)現(xiàn)，由于羰基鐵粉介電常數(shù)的虛部較大，能夠更好地將微波能量轉(zhuǎn)化為熱能，但由于介電常數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致阻抗失配，致使絕大多數(shù)微波接觸到材料表面時(shí)被直接反射到自由空間，因此將貼縫帶的內(nèi)部填充物換為羰基鐵粉與瀝青的混合物。

由于每條道路裂縫的寬度與深度不同，若用同一功率加熱貼縫帶修補(bǔ)裂縫可能導(dǎo)致因加熱功率過(guò)大而消耗過(guò)多能源或因加熱功率較小導(dǎo)致修補(bǔ)效果不佳。波導(dǎo)管作為養(yǎng)護(hù)車(chē)發(fā)射微波的裝置，其與微波功率動(dòng)態(tài)調(diào)控器結(jié)合來(lái)解決此問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出養(yǎng)護(hù)車(chē)行駛的速度和波導(dǎo)管加熱功率之間的關(guān)系式，針對(duì)裂縫的寬度與深度，通過(guò)微波功率動(dòng)態(tài)調(diào)控器根據(jù)養(yǎng)護(hù)車(chē)行駛的速度來(lái)自動(dòng)調(diào)整波導(dǎo)管功率，以達(dá)到按需加熱、節(jié)約能源的目的。

2.2 多尺度裂縫智能識(shí)別系統(tǒng)路徑規(guī)劃

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一套多尺度裂縫智能識(shí)別系統(tǒng)，其工作流程如下：用戶(hù)首先載入ROS數(shù)據(jù)包并獲取點(diǎn)云地圖；隨后，系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)云地圖進(jìn)行地面提取，并計(jì)算地面不平度；最終，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化界面向用戶(hù)展示裂縫信息，并提供數(shù)據(jù)保存功能。多尺度裂縫智能識(shí)別系統(tǒng)如圖2所示。

養(yǎng)護(hù)車(chē)通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)道路裂縫進(jìn)行掃描，提取出裂縫的形狀、長(zhǎng)度、寬度、深度等特征，并將信息上傳至控制端，養(yǎng)護(hù)車(chē)根據(jù)裂縫信息進(jìn)行自主路徑規(guī)劃。面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的高速公路裂縫追蹤任務(wù)，團(tuán)隊(duì)選擇A-star算法，相較于Dijkstra算法盲目地遍歷所有可能路徑，該算法通過(guò)設(shè)計(jì)的啟發(fā)式函數(shù)，能夠有效引導(dǎo)搜索過(guò)程，縮小了搜索空間，從而更快找到最優(yōu)路徑。此算法解決了養(yǎng)護(hù)車(chē)行駛狀態(tài)生硬的問(wèn)題，路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率高達(dá)97%。

2.3 養(yǎng)護(hù)車(chē)構(gòu)成與小型化設(shè)計(jì)

該養(yǎng)護(hù)車(chē)集快速、智能、安全、節(jié)約等優(yōu)勢(shì)于一體，其外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該新型路面裂縫養(yǎng)護(hù)裝置主要包括預(yù)壓輪、波導(dǎo)管、微波動(dòng)態(tài)調(diào)控器、視覺(jué)傳感器、永磁調(diào)速器等。其中，預(yù)壓輪負(fù)責(zé)壓實(shí)貼縫帶與周?chē)臑r青路面；波導(dǎo)管功率為3 000 W，發(fā)射2 450 MHz微波對(duì)貼縫帶進(jìn)行加熱并使其熔化以達(dá)到修補(bǔ)裂縫的效果；微波動(dòng)態(tài)調(diào)控器與車(chē)載速度傳感器相結(jié)合，根據(jù)裝置行駛速度來(lái)調(diào)控波導(dǎo)管發(fā)射微波的功率；視覺(jué)傳感器用于識(shí)別路面裂縫并通過(guò)主控板將裂縫信息上傳至裂縫識(shí)別平臺(tái)，通過(guò)分析裂縫的形狀、大小、深度等特征提出裂縫修補(bǔ)方案；永磁調(diào)速器與車(chē)載速度傳感器結(jié)合，將線(xiàn)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成角速度，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速將貼縫帶與隔離帶的受力控制在合理區(qū)間，以保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

養(yǎng)護(hù)車(chē)長(zhǎng)1.5 m，寬1 m，高1.3 m，通過(guò)充分利用內(nèi)部空間，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）裂縫修補(bǔ)材料新。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出以羰基鐵粉和瀝青制成的新型貼縫帶，并使其能夠通過(guò)微波加熱熔化來(lái)修補(bǔ)裂縫，突破了原有貼縫帶手撕腳踩修補(bǔ)裂縫的局限。同時(shí)，此貼縫帶具有高吸波特性，可以使養(yǎng)護(hù)車(chē)修補(bǔ)裂縫的速度達(dá)到2 000～3 000 m/h，相較于現(xiàn)有的道路養(yǎng)護(hù)車(chē)修補(bǔ)速度提高約30%。此外，此新型貼縫帶充分利用了鐵尾礦等固廢材料，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的目標(biāo)。

（2）裂縫修補(bǔ)方式新。目前，道路裂縫修補(bǔ)主要采用灌縫和貼縫兩種方式，其中灌縫又分為開(kāi)槽灌縫和直接灌縫，但這些方法會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目采用微波加熱作為裂縫修補(bǔ)的核心工藝，相比傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)，具有修補(bǔ)速度快、質(zhì)量高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。此外，結(jié)合波導(dǎo)管與微波功率動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，進(jìn)一步提升了該修補(bǔ)方式的創(chuàng)新性。通過(guò)建立養(yǎng)護(hù)車(chē)行駛速度與加熱功率的調(diào)控關(guān)系，系統(tǒng)可根據(jù)裂縫尺寸實(shí)時(shí)調(diào)整微波輸出功率，有效解決了道路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域能耗過(guò)高的問(wèn)題。