王芮文，曹 妍，歐定福

(1．江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028； 2.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

1 裝備的原理

1.1 裝備的構(gòu)成

3D數(shù)字化智能控制施工技術(shù)裝備主要由測(cè)量機(jī)器人(ICR80智能型高精度1″全站儀)基準(zhǔn)站和施工自動(dòng)控制系統(tǒng)組成[1]。

對(duì)于測(cè)量機(jī)器人的配置，單機(jī)攤鋪時(shí)跟蹤機(jī)器人不應(yīng)少于2臺(tái)，檢測(cè)機(jī)器人不應(yīng)少于1臺(tái)；雙機(jī)聯(lián)鋪時(shí)跟蹤機(jī)器人不應(yīng)少于3臺(tái)，檢測(cè)機(jī)器人不應(yīng)少于1臺(tái)。測(cè)量機(jī)器人應(yīng)內(nèi)置馬達(dá)，并滿足抗高溫和耐磨損要求，換面速度快而穩(wěn)定。測(cè)量機(jī)器人測(cè)角精度1″以上，測(cè)距范圍不小于1500m，測(cè)距精度1mm+1.5ppm以內(nèi)，導(dǎo)向光工作范圍150m以上。另外，測(cè)量機(jī)器人具有RS232、藍(lán)牙和USB等多種接口。

在進(jìn)行攤鋪時(shí)，還需要360°棱鏡。對(duì)于棱鏡，必須保證不變形，能正確反射不同方向入射的光信號(hào)。同時(shí)，因需要實(shí)現(xiàn)測(cè)量的動(dòng)態(tài)控制，因此，當(dāng)水平方向上設(shè)定可反射入射角的范圍較廣，從0°至360°，而在垂直方向上，可調(diào)節(jié)的反射入射角是在儀器量測(cè)范圍內(nèi)的-50°至+50°?？v橫方向的定位精度在5mm以內(nèi)，自動(dòng)識(shí)別和鎖定狀態(tài)的測(cè)程不小于600m。

對(duì)于傾角傳感器，其防護(hù)等級(jí)IP65以上，量程范圍不小于±10°，分辨率不低于0.02%。這里需要強(qiáng)調(diào)的為零點(diǎn)穩(wěn)定性，其影響著整體測(cè)量結(jié)果，應(yīng)大于0.2%為宜。線性度的控制也需要進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，幅度應(yīng)保持在±0.2%以內(nèi)。防振級(jí)別應(yīng)滿足攤鋪機(jī)振動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)量精度要求。

用于3D攤鋪的通信電臺(tái)應(yīng)保證防護(hù)等級(jí)IP65以上，數(shù)據(jù)傳輸模式具有RS232模式和藍(lán)牙模式，天線的帶寬、增益、頻率和功率應(yīng)滿足測(cè)距范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的高速與穩(wěn)定傳輸要求。

主控制器應(yīng)滿足防護(hù)等級(jí)IP65以上，且具有高亮度、高分辨率顯示功能，能在背光及強(qiáng)光條件下清晰顯示，允許電壓波動(dòng)在±10%以內(nèi)，串口應(yīng)能適應(yīng)不同攤鋪機(jī)串口接入標(biāo)準(zhǔn)，并具有可寫入功能。

3D攤鋪輔助軟件應(yīng)具有錄入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、里程樁坐標(biāo)的功能，應(yīng)能進(jìn)行3D建模，并輸出里程樁坐標(biāo)文件、施工線形文件、施工模型文件及檢測(cè)模型文件。應(yīng)能夠?qū)α繙y(cè)信息實(shí)時(shí)采集、處理、分析，將實(shí)測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程比對(duì)，生成高程修正信息并傳輸至攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)。另外，還應(yīng)能夠記錄、儲(chǔ)存施工參數(shù)信息，生成攤鋪質(zhì)量報(bào)告。

1.2 工作原理

3D數(shù)字化攤鋪完全由自動(dòng)化系統(tǒng)完成。在系統(tǒng)持續(xù)控制攤鋪機(jī)時(shí)，測(cè)量機(jī)器人會(huì)通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的后方交會(huì)數(shù)據(jù)來(lái)確定攤鋪機(jī)所在位置和自身所處位置，根據(jù)攤鋪機(jī)上棱鏡反射的數(shù)據(jù)，進(jìn)行攤鋪參數(shù)的計(jì)算。也就是測(cè)量機(jī)器人會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(事先輸入到測(cè)量機(jī)器人的電腦中)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較來(lái)進(jìn)行攤鋪機(jī)的調(diào)整，從而進(jìn)行高程的修正和攤鋪參數(shù)的控制。當(dāng)原始地面出現(xiàn)坑洼導(dǎo)致攤鋪機(jī)車身發(fā)生傾斜時(shí)，系統(tǒng)安裝在桅桿上的傾角傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)車身的姿態(tài)進(jìn)行校正，使攤鋪機(jī)車身的姿態(tài)始終與設(shè)計(jì)面相吻合，進(jìn)而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)攤鋪[2]。

2 3D攤鋪裝備布設(shè)與安裝

用于捕獲360°棱鏡三維坐標(biāo)的跟蹤機(jī)器人應(yīng)架設(shè)于攤鋪機(jī)機(jī)身外兩側(cè)。在攤鋪機(jī)已經(jīng)攤鋪過(guò)的后方路面上，還需要布設(shè)一個(gè)檢測(cè)機(jī)器人，其作用是對(duì)攤鋪后的質(zhì)量參數(shù)(如高程和橫坡)進(jìn)行檢測(cè)，如圖1所示。

圖1 跟蹤機(jī)器人與檢測(cè)機(jī)器人布設(shè)

桅桿應(yīng)垂直安裝于攤鋪機(jī)的大臂上，且與攤鋪機(jī)提升油缸間的距離控制在30cm之內(nèi)，360°棱鏡固定于桅桿頂端。在攤鋪機(jī)的熨平板上，還需要布設(shè)檢測(cè)路面橫坡度的橫坡傳感器。安裝在攤鋪機(jī)桅桿上的傾角傳感器是確保攤鋪機(jī)能保持水平的關(guān)鍵，通信電臺(tái)應(yīng)安裝于攤鋪機(jī)的頂部。在攤鋪機(jī)的醒目位置和方便操作、維修與線路檢修的位置(如駕駛室的下部無(wú)遮擋處)，可以安放主控制器和集線盒。

3 工作流程

3.1 下承層數(shù)據(jù)采集

路面的攤鋪質(zhì)量與下承層關(guān)系密切，為了使攤鋪的高程準(zhǔn)確，需加密標(biāo)高控制點(diǎn)，縱斷方向上，直線段10m，曲線段5m，每斷面設(shè)置3個(gè)點(diǎn)。

3.2 車載設(shè)備的安裝與校準(zhǔn)

車載設(shè)備(1臺(tái)攤鋪機(jī))的安裝包括8個(gè)部分：桅桿2個(gè)、360°棱鏡2個(gè)、主控制器1臺(tái)、控制手柄2臺(tái)(Moba)、測(cè)量橫坡度的橫坡傳感器1只、桅桿傳感器2只、車載電臺(tái)2臺(tái)、接線盒以及連接線纜等，如圖2所示。

圖2 部件布置

桅桿安裝在攤鋪機(jī)的大臂上，盡量靠近熨平板，一般距離為19cm。棱鏡安裝于桅桿頂端，固定好，用于返回測(cè)量機(jī)器人發(fā)出的信號(hào)，跟蹤機(jī)器位置，或者在后方用于檢測(cè)。

桅桿傳感器安裝于左右桅桿兩側(cè)，用于檢測(cè)桅桿的傾斜狀態(tài)和地面坡度的夾角，然后進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。

藍(lán)牙電臺(tái)安裝于攤鋪機(jī)頂棚上，測(cè)量機(jī)器人上的藍(lán)牙手柄與藍(lán)牙電臺(tái)進(jìn)行配對(duì)，可以將測(cè)量機(jī)器人測(cè)量的數(shù)據(jù)信息通過(guò)電臺(tái)傳遞給MPC面板。

在熨平板的上方，設(shè)置橫坡傳感器，主要檢測(cè)和控制攤鋪機(jī)熨平板和機(jī)身的傾斜狀態(tài)，并隨時(shí)測(cè)量坡度值，然后將此信息傳遞給面板，對(duì)攤鋪機(jī)熨平板的姿態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)。

主控制器安裝于攤鋪機(jī)上便于操作的地方，先把設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入此控制器中，通過(guò)接受全站儀發(fā)送的信息，控制器對(duì)機(jī)器的“設(shè)計(jì)”數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將測(cè)量機(jī)器人發(fā)出的高程修正信息、平面位置信息等傳輸給控制手柄。

為了便于接收控制輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)找平體系，在攤鋪機(jī)的邊側(cè)控制箱附近，需要安裝Moba控制手柄，可以設(shè)定攤鋪機(jī)的工作狀態(tài)(一般選為3D)，進(jìn)行靈敏度設(shè)置、液壓模式設(shè)置、顯示傳感器的調(diào)節(jié)狀態(tài)向上還是向下。

接線盒安裝于攤鋪機(jī)上方便于布線的位置，一般分為左右接線盒，其主要作用是收集、傳輸數(shù)據(jù)，將左右桅桿傳感器的數(shù)據(jù)傳遞給控制器。

各個(gè)設(shè)備之間的通信是通過(guò)連接線纜實(shí)現(xiàn)的，各設(shè)備之間的連接見圖3。

圖3 輔件連接

各設(shè)備安裝結(jié)束后，需要對(duì)如圖4所示的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，并將數(shù)值輸入主控制器中，此數(shù)值將作為該機(jī)器的幾何尺寸保存在主控制器中。校準(zhǔn)前，機(jī)器水平放置，需在熨平板下墊20cm木方，調(diào)整進(jìn)料仰角，使機(jī)器保持在攤鋪工作狀態(tài)。另外，為了使系統(tǒng)的測(cè)量精度滿足規(guī)范要求，需要把左右桅桿調(diào)到豎直狀態(tài)。

圖4 控制面板

數(shù)值1、5為桅桿距提升油缸的距離，2為兩提升油缸之間的距離，3、7為左右桅桿的高度，4、8是熨平板后側(cè)方至桅桿臨近面之間的水平距離，6表示熨平板總寬度。

3.3 設(shè)備操作注意事項(xiàng)

檢查檢測(cè)機(jī)器人與360°棱鏡間的通視性，為避免施工干擾和減少換站次數(shù)，檢測(cè)機(jī)器人與360°棱鏡間的距離宜控制在350m以內(nèi)。

開啟主控制器，打開模型數(shù)據(jù)文件，將跟蹤機(jī)器人切換至機(jī)械控制模式，自動(dòng)跟蹤棱鏡。

攤鋪機(jī)行進(jìn)的前3m～5m進(jìn)行攤鋪數(shù)據(jù)校驗(yàn)，當(dāng)攤鋪精度達(dá)到規(guī)定要求后進(jìn)入自動(dòng)控制攤鋪。

攤鋪過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，控制標(biāo)準(zhǔn)按規(guī)范執(zhí)行。攤鋪結(jié)束后需要進(jìn)行攤鋪質(zhì)量驗(yàn)證與處治，并編制攤鋪質(zhì)量報(bào)告。

為了使攤鋪質(zhì)量控制更加有效，需要在正式攤鋪前進(jìn)行試驗(yàn)段的儀器設(shè)備驗(yàn)證，正式施工的數(shù)據(jù)應(yīng)以此為據(jù)。單機(jī)攤鋪時(shí)，用跟蹤機(jī)器人追蹤360°棱鏡，結(jié)合橫坡傳感器，計(jì)算施工高程與設(shè)計(jì)高程偏移量，通過(guò)主控制器調(diào)整偏移量，控制3D攤鋪系統(tǒng)進(jìn)行施工。

當(dāng)兩臺(tái)攤鋪機(jī)協(xié)同施工聯(lián)鋪時(shí)，前方的一臺(tái)攤鋪機(jī)的行進(jìn)與控制方法和單機(jī)攤鋪的控制方法相同，而后方的攤鋪機(jī)則需要注意，其內(nèi)側(cè)以前方的攤鋪機(jī)工作面為基準(zhǔn)，用接觸式傳感器來(lái)對(duì)高程進(jìn)行控制，在其外側(cè)，高程的控制方法是通過(guò)架設(shè)于后方的攤鋪機(jī)桅桿上的360°棱鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制。

攤鋪過(guò)程利用架設(shè)于攤鋪機(jī)后方的檢測(cè)機(jī)器人對(duì)3D攤鋪數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如不滿足設(shè)計(jì)要求，及時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳至跟蹤機(jī)器人，跟蹤機(jī)器人通過(guò)與主控制器數(shù)據(jù)交互，對(duì)攤鋪機(jī)的熨平板進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證攤鋪高度。

轉(zhuǎn)站時(shí)，在跟蹤機(jī)器人自動(dòng)跟蹤半徑150m范圍內(nèi)，利用攤鋪機(jī)后方檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行交替轉(zhuǎn)站。在實(shí)際施工中，一般應(yīng)配備一臺(tái)以上的備用機(jī)器人，其目的是用備用機(jī)器人來(lái)對(duì)需要轉(zhuǎn)站的360°棱鏡，這樣，3D攤鋪系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)將新站作為控制站，從而實(shí)現(xiàn)施工的連續(xù)性，保證攤鋪不間斷。

3.4 攤鋪質(zhì)量的驗(yàn)證與處置

攤鋪?zhàn)鳂I(yè)完成后應(yīng)及時(shí)采集已攤鋪路段數(shù)據(jù)，進(jìn)行攤鋪質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)證。路面攤鋪的質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定應(yīng)符合JTG F80/1-2017中的相關(guān)規(guī)定。攤鋪質(zhì)量檢測(cè)方法及具體操作按JTG 3450-2019執(zhí)行。

分段攤鋪時(shí)，每段攤鋪路面均需進(jìn)行攤鋪質(zhì)量檢測(cè)[3]，最終攤鋪質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)為施工路段范圍內(nèi)的全部檢測(cè)數(shù)據(jù)。

如果在攤鋪質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)缺陷或者質(zhì)量隱患，需要擴(kuò)大范圍和頻率檢查。對(duì)于質(zhì)量不過(guò)關(guān)的位置和參數(shù)，應(yīng)進(jìn)行維修補(bǔ)救，并將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總和保存。對(duì)采取過(guò)補(bǔ)救措施的部位要在檢測(cè)報(bào)告中標(biāo)明，不得隱匿。

4 裝備的應(yīng)用效果研究

攤鋪完成后對(duì)攤鋪質(zhì)量進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以檢測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，反映攤鋪的穩(wěn)定性，繪制攤鋪質(zhì)量差值分布圖。應(yīng)繪制縱斷高程、攤鋪厚度、攤鋪寬度及橫坡度與設(shè)計(jì)值之間的差值分布圖，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行縱斷高程、攤鋪厚度、攤鋪寬度及橫坡度穩(wěn)定性分析[4]。同時(shí)，繪制平整度分布圖，并計(jì)算平均值，進(jìn)行平整度穩(wěn)定性分析。

4.1 縱斷高程穩(wěn)定性分析(理論值和檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證)

路面攤鋪完成后，需對(duì)縱斷高程進(jìn)行測(cè)量，分析使用了3D設(shè)備后，縱斷高程與設(shè)計(jì)高程之間的波動(dòng)大小，并繪制高程差值圖和進(jìn)行相應(yīng)穩(wěn)定性分析[5](如圖5所示)，按式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(1)

圖5 縱斷高程穩(wěn)定性分析示意圖

4.2 攤鋪厚度穩(wěn)定性分析

攤鋪的厚度由取芯確定，取芯后兩側(cè)的實(shí)際厚度應(yīng)與設(shè)計(jì)值和規(guī)范允許值進(jìn)行比較，并計(jì)算和判斷其穩(wěn)定性，繪制攤鋪厚度差值和具體的分布情況[6](如圖6所示)，按式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

圖6 攤鋪厚度穩(wěn)定性分析示意圖

4.3 攤鋪寬度穩(wěn)定性分析

攤鋪結(jié)束后，按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給定的方法進(jìn)行路面寬度量測(cè)，并與設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行比較，繪制攤鋪寬度的差值和其具體分布(如圖7所示)，按式(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

圖7 攤鋪寬度穩(wěn)定性分析示意圖

4.4 橫坡度穩(wěn)定性分析

橫坡度的測(cè)量與高程測(cè)量同步進(jìn)行，橫坡度計(jì)算后，其應(yīng)與設(shè)計(jì)橫坡度比較，并繪制橫坡度控制情況圖(如圖8所示)，按式(4)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(4)

圖8 橫坡度穩(wěn)定性分析示意圖

4.5 平整度穩(wěn)定性分析

按評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求方法進(jìn)行平整度的測(cè)量，并計(jì)算其與規(guī)范的差值，分析其穩(wěn)定性(如圖9所示)。平整度均值應(yīng)不大于平整度均值允許值：

(5)

5 結(jié) 語(yǔ)

3D數(shù)字化技術(shù)裝備在公路路面攤鋪中的應(yīng)用，不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，消除安全隱患，還可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)的多方優(yōu)勢(shì)提升工程質(zhì)量，節(jié)約工程成本，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用。

圖9 平整度穩(wěn)定性分析示意圖