沥青路面智能摊铺与压实系统技术条件编制说明

沥青路面智能摊铺与压实系统技术条件编制说明 1 4 21 22 22 23 23 23 231沥青路面智能摊铺与压实系统技术条件是促进新型基础设施建设及观测监测技术、智能设备应用的关键技术和共性基础标准。沥青路面智能摊铺与压实系统技术是公路沥青路面无人化施工智能建造的重要组成部分，智能摊铺与压实技术不仅仅是一个碾压技术，也是质量控制和质量验收的一个革新实施符合交通运输行业的发展需要，智能摊铺与压实系统技术在未来道路工目前，此方法广泛应用于沥青路面施工中，国际上瑞典有BYA（版本有）；年版本），美国技术标准有AASHTOMP39《智能施工数据标准化》和AASHTOPP81《路基路面智能压实技术标准》，以指导相关智能摊铺与压实技术的应用。我国在智能化施工领域标准起步较晚，最早标准为《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》(TB10108—2011)，公路工程领域标准《公路路基填筑工程连续压实控制系统技术文件》（JT/T1127—2017）、《公路路基智能压实控制技术规程》（DB13/T2572—2017）、《公路路基连续压实层智能压实控制技术规范》（DB23/T2940—2021）、《基于北斗的路基智能压实技术规范》(DB13/T5579—2022)。由于国内外路面结构不同，国外标准不能直接应用于国内，同时国内相关标准局限于路基工程连续、智能压实，基于此，交通运输部科技司在《交通运输部关于下达2023年交通运输标准化计划（第一批）的通知》（交科技函〔2023〕366号）中下达了《沥青路面智能摊铺与压实系统技术条件》标准制定工作，该工作由福建省高速公路福建省高速公路集团有限公司为本标准的主编单2实现科研单位、机械设备生产厂商、设计院、研究标准编制团队，不仅在理论、技术上实现沥青路面实际工程中进行广泛应用。同时，在本标准的制定研和大量的试验验证工作，得到了相关单位的支持福建省高速公路集团有限公司接到标准制定计划任务后，立即着手进行准起草组。课题组广泛收集了国内外沥青路面智能摊铺与压实系统技术条件资料，及国家、行业或企业标准等资料，进行了技术分析，提出了标准制定2023年11月～2024年1月，编写组主要人员对国内外相关标准、试验建省高速公路集团有限公司组织召开了标准专家把关会，会议邀请标委会、江苏交通控股有限公司、重庆交通大学、招商局重庆交通科技设计院有限公2024年2月～2024年3月依据专家把关会专家的意见对征求意见稿进行343.成熟性原则。标准须进行充分技术论证或试验4.代表性和先进性原则。标准必须能够满足工程压实系统技术条件的基本性能要求，满足确保国内市场上大部分产品能够满足标准要求；同时能够引导工程上产品的改进、完善，从而有利于行业的持本标准为首次编制，标准总体框架包括前言，范围，规范性引用文件，其他要求，附录A（规范性）相关性校验试验，附录B（资料性）RTK定位5（2）GB/T21152土方机械轮式或高速橡胶履带式机器制动系统的性能（4）CH/T2009续运行基准站全球定位系统实时动态（RTK）测量技术为了指导标准的应用，根据目前国内外智能摊铺机、智能压路机的发展现状，对我国交通行业智能摊铺机和智能压路机进行了定义，明确了智能摊铺机和智能压路机应具备的基本功能。智能摊铺机：一种包含导航卫星系统和机载测量系统的摊铺机，可以利用彩色编码地图实时显示摊铺机位置、速度和摊铺温度。智能压路机：一种包含导航卫星系统和机载测量系统的压路机，可以实时显示压路机位置、碾压遍数、速度、振幅和振动频率的彩色编进一步对智能摊铺和智能压实进行了定义，明确了智能摊铺与碾压施工应具备的基本功能。智能摊铺：在摊铺过程中，根据摊铺机与填筑体相互动态作用原理，通过连续测量摊铺机施工过程信号，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个摊铺面质量的智能化实时动态监测与控制。智能压实：在沥青路面压实过程中，根据压路机与沥青混合料相互动态作用原理，通过连续测量压路机各类响应信号，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个施此外，标准把关会专家对本标准的名称提出建议，本标准应聚焦于沥青路面智能摊铺与压实系统的技术要求，对于相关的技术条件不应局限于某种技术本身，使日新月异的各项技术能够充分地与本领域融合，不断提高沥青路面智能摊铺与压实技术水平，建议将本标准名称更改为“沥青路面智能摊6智能摊铺与压实技术是传感测试、卫星定位、无线通信、计算机控制等学科的交叉，不仅是一个摊铺、碾压技术，也是沥青路面质量控制和质量验收的一个革新技术，更有可能将施工规范、设计规范、质量验收与碾压过程直接联系起来的全新技术手段，其将摊铺碾压无人化施工系统、动态特征参数测量系统、GPS信息系统、质量控制和质量验收系统集于一体，同时智能摊铺与压实可实现高速公路施工过程的数字化、网络化、智能化与无人化，实现“装备保障工艺、工艺保障质量、质量保障安全、安全保障发展”的公路智能建造的主要目标，推动我国公路工程智能建造新方法、新技术、新装备摊铺与压实技术，并布局战略研究课题开展技术攻关，经过几十年的研发，欧美先后开发了OBAS\QVAST\SMARTIFC\ROBOT4.0等智能摊铺压实技术，Volvo、Bomag、Geodynamik和HAMM工程设备生产厂商开发能压路机，这些技术成果在国际上产生了广泛20世纪90年代初，徐州工程机械厂与宝应四明有限公司开始研制智能摊铺与压实分析技术。21世纪初，长沙建设机械研究院、中联重工科技发展股份有限公司、厦工（三明）重型机器有限公司、福州大学机械学院等研制了新型智能摊铺机与智能压路机，国防科技大学和江麓（浩利）工程机械有限公司合作生产无人驾驶振动压路机，另外石家庄铁道学院、长安大学、同济大学等单位开发了路基土的智能碾压系统；2010年交通运输部公路科学研究院依托国家自然基金项目等，开始公路工2021年福建省高速公路指挥中心牵头承担了福建省科技重大专项“高速公路智能建造无人化系统研发与应用”研究。近年来，智能摊铺与压实、无人化智能摊铺与压实已经列入交通运输部科技成果推广目录，并作为“平安百年品质工程”创建示范在全国推广应用，三一重工、厦门重工等工程机械生产智能摊铺机的系统组成比较明确，国内外生产厂家结合实际工程需要，开发了智能摊铺机。智能摊铺机一般由定位系统、显示系统、分析系统、温7智能压路机的系统组成多样，其主要原因是沥青路面压实质量压实度计算方法具有差异。沥青路面压实质量检测方法主要包括：CMV，CCV，EVIB，CMV（Compactionmetervalue，压实计量值），上世纪70年代末，Thurner发现振动轮加速度畸变程度与土体相对密度存在相关关系，提出CMV应的幅值，A2为加速度频谱中二次谐波对应的幅值。实际使用时，需要根据CCV（CompactionControlValue，压实控制值），是对CMV的改进，同时考虑了半倍和整倍数基频谐波分量，由Sakai公司提出，解决了压实过程式中，A0.5Ω为振动反馈信号次谐波的频域幅值，A1.5Ω和A2.5Ω为间谐波的频域幅值，其他谐波分量同CMV指标。Cal为标定系数，通常初定为100，8EVIB（振动模量，MN/m22000年由宝马格公司引入参数模型和Lundeberg的相关理论方法进行解算，用于弹性半空间之上的刚性圆柱体。使用Lundberg的解析理论，滚筒上的力(Fs)和位移(zd)行为与EVIB相关（式3）。根据Hertz的研（B）可以使用滚筒的几何形状、施加的力和材料特性来计算（参见公式4）。对这两个方程（式3和式4）进行数值求解以确定EVIB值。上式中，η是材料的泊松比，L是滚筒的长度，B是滚筒的接触宽度，R需测物理量：滚筒长度、半径；沥青材料的泊松比；碾压过程中滚筒上Kb，土壤刚度，由基于混沌振动理论的一维线性力学模型确定，在该模型中，土壤被模拟为弹塑性材料。如图3所示，在该模型中可以使用一个弹9图3代表振动压实机和土壤特性的集总参数二自由度弹簧阻尼器模型，Kb值使用公式5确定，其中f是激励频率，md是滚筒质量，mere是不平衡质MDP（MachineDriverPower，机器驱动动力），它将压实过程中压路机其中MDP（kJ/s）指机器驱动功率，Pg指移动机器所需的总功率（kJ/s），Wv是滚筒重量（kN），A指机器加速度（m/s2），g表示重力加速度（m/s2α指倾斜角（来自传感器的滚轮间距v指滚轮速度（m/s），m（kJ/m）和b（kJ/s）指特定机器内部损耗系数。MDP是参考校准表面材料特性的相对值，通常是硬压实表面（MDP=0kJ/s）。因此，正MDP值表示材料不如校准表面密实，而负MDP值表示材料比校准表面密实需测物理量：压路机前进速度和加速度，压路机路面倾斜角，压路机内HMV（HammMeasurementValue，悍马公司压实质量测量值），实际计算方法和CMV相同。综上所述，通过对国内外智能压路机的调研，结合实际工程需要，厘清智能摊铺与压实技术的发展方向，通过对CMV，CCV，EVIB，HMV，Kb，MDP，EDV等压实指标的计算方法研究，明确智能压路机应具备的基本功能与模块，为了提升沥青路面摊铺与碾压的施工效率、施工质量，同时兼顾环保节能，随着科技的不断进步和施工需求的提高，摊铺机和压路机的技术也得到了不断地发展和优化。工程施工人员开始对摊铺机和压路机进行深入的研究和创新，尝试将多种设备进行联合集群作业，经过一段时间的实践和探索，摊铺机和压路机的联合集群作业逐渐走向成熟。目前已经掌握了一套完善的沥青路面摊铺与碾压施工多采用摊铺机与压路机联合集群作业的形式，为了实现安全、可靠施工，结合实际工程情况，沥青路面智能摊铺与压实系智能摊铺与压实系统应配备调度系统、定位系统、感知系统、无线通信系统、警告系统、安全保护系统等。智能摊铺压实系统应在施工区域内部安a）调度系统应能根据实际施工需要导入或自动生成施工区域地图数据及搭接宽度、碾压遍数等施工工艺参数数据，并根据施工区域地图和工艺参b）调度系统应获取摊铺压实设备实时定位、速度、航向等姿态信息，结c）调度系统应能至少获取包括摊铺碾压设备的速度、振动模式、碾压遍d）调度系统可以切换工作模式，由手动模式接替无人驾驶模式，保证手定位系统是智能摊铺与压实系统的重要组成部分，其精度是整个系统正常作业的保障，国内外智能摊铺机、智能压路机均具备定位系统。精确的定确保施工质量与施工安全。对于智能摊铺机与智能压路机而言，其施工速度较慢，对于施工贴边精度要求高，同时智能碾压需要多次、多台设备对沥青混合料进行碾压施工，碾压施工过程中智能压路机存在加油、加水的情况，使得沥青路面摊铺与压实过程中存在小范围内多设备交叉施工的问题，良好的定位精度能够确保设备之间保持安全距离，安全高效开展施工，国内外智标准水平定位精度要求纵向定位精度要求美国德州25mm25mm美国阿拉巴马州25mm25mm美国明尼苏达25mm25mmAASHTO25mm25mm基于北斗的路基智能压实技术规范20mm目前国内外智能摊铺机、智能压路机生产厂家的定位方法均借助专业定位厂家的设备，组装在相关产品上，从而实现智能摊铺机、智能压路机的高精度定位。国外定位技术装备生产厂家主要有：苹果公司、谷歌公司、诺基华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、北京百度网讯科技有限公司、这些厂家提供的定位服务多样，其中RTK服务是一款厘米级的高精度定位服务产品，通过互联网提供7×24小时的高可用播发，能够提供厘米级的位置数据服务，这项技术符合智能摊铺机和智能压路机的应用场景，其精度可以满足定位系统平面静态定位精度不应大于10mm，高程定位精度不应大于除此之外，定位系统的安装应该适用于沥青路面施工场景，定位系统具备提供位置、速度、航向等定位和姿态信息的能力。定位天线安装位置不应干扰碾压作业过程，定位系统收发装置或天线应采用前后或左右对称安装，沥青路面摊铺、碾压速度有自身的特点，常规摊铺速度通常为每小时100~150平方米，这是根据工程进度和施工计划设况下，如紧急修复或交通管制时间有限，摊铺速度可能会提升至每小时200~250平方米，甚至更高。然而，追求快速施工的同时，必须确保施工的质压实速度在每小时20~50米之间，具体的速度取决于压实机的性能和压实层的厚度。这些速度只是参考值，实际施工时还需要考虑许多其他因素，如天气条件、材料特性、设备状况、施工人员的技术水平等。因此，建议在实际综上所述，沥青路面摊铺与压实速度最大不应超过4.0km/h，速度沥青混合料具有显著的温度敏感性，温度状态对沥青混合料性能影响非但是这种方法测定的是混合料表面的温度，这种方法对于测量摊铺温度而言可行，但实际路面沥青混合料在压路机碾压时需喷水，同时沥青混合料在摊铺后热量不停地损失，不同部位热量损失是不同的，使得沥青混合料内部温上。对于零空隙率状态下（只有沥青和矿料），沥青混合料从高温变为低温时，沥青和矿料体积会收缩，即混合料密度会增加，按照沥青和矿料的体积膨胀率可以计算合成的沥青混合料的密度。而实际沥青混合料中有空隙率，就不能按照沥青和矿料的体积膨胀率简单地线性合成沥青混合料的密度。为了实现碾压施工时对压实质量的评价，需要开展一系列温度场室内沥青混合本实验是将智能碾压技术作为沥青混合料质量控制和质量验收的一个革新技术来进行研究，以解决沥青混合料智能碾压核心问题，即如何建立压路机动态特征参数与沥青混合料密度、模量之间准确的量化关系。本实验将首％）内摩擦力、粘结力、粘滞阻力（与沥青混合料的密实状态和温度状态）的非线性预估模型，然后通过现场碾压试验建立加速度振动特性参数－模量、机械传动功率（能量内摩擦力、粘结力、粘滞阻力非线性模型，最后通过神经网络等非线性建模技术，建立多参数、非线性的智能碾压分析系统。本实验可望在高温、大空隙多态下沥青混合料研究方法上有所突破，由于沥青在红外线温度传感器测定的沥青混合料表面温度的基础上通过气温、风速、太阳辐射条件以及混合料摊铺温度、时间进行修正得到沥青混合料内部的温度。气温、风速、太阳辐射条件可以采用小型气候仪进行现场测定，现场在传统的压路机上安装红外线温度传感器，进行碾轮喷水条件下现场沥青混合料表面温度的测定，在测定同时用数显温度传感器测定沥青混合料内部温度。然后通过大量数据分析，借鉴现有的温度预估方法，建立基于红外线温度传感器测定的沥青混合料表面温度的碾轮喷水条件下现场沥青混合料高压路机在振动碾压时沥青路面对振动压路机反作用力受沥青路面结构及材料影响，其中主要影响是被碾压的热的沥青混合料，沥青混合料在压实时在振动压路机碾压过程中，沥青混合料的温度也会迅速降低，沥青混合料具有显著的温度敏感性，温度状态对沥青混合料性能影响非常大，温度降低，沥青混合料的模量也会增加，因此简单地通过振动压路机的振动特性来分辨沥青混合料密度的变化必须将温度的影响因素修正掉，这就需要确定碾压时沥青路面的温度状况和这一状况下沥青混合料的模量，因此在准确分析沥青混合料的动态特征参数前首先需要准确预估正在被碾压的沥青混合料的温度状况。为此开发了碾轮喷水条件下基于红外线表面温度的现场沥青混合料高温预估模型，对于分析高温碾压沥青混合的温度下降高温（90℃~170℃)、大空隙（6％~20多态下沥青混合料的模量预通过室内不同成型方法（旋转压实、振动成型和马氏击实）成型圆形试件，不同空隙率状态不同高温温度条件下测定沥青混合料的模量，借鉴Witczak方程模式建立沥青混合料的模量预估模型。在试验同时，分析不同温度、不同空隙率状态所需的成型能量或击实功的在高温条件下，如果空隙太大，假定超过20试验时变形太大，模量测定误差可能较大而难以实现，因此需要将预估模型外延得到20％以上空隙率状况，另外采用时温等效原理，将温度适当降低、延长测定时间来实现。现场碾压前，沥青混合料摊铺时通过摊铺熨平板的振捣或夯锤压实后已经具备了一定的初始密实性，一般认为能够达到80％以上的压实度，对应的空隙率约在20％左右，经过第一遍碾压后压实度能够达到85％以上，但是现场最通过室内不同成型方法（旋转压实、振动成型和大马击实）成型圆形试件，不同空隙率状态不同高温温度条件下通过三轴或者贯入试验结果计算得到沥青混合料内摩擦力、粘结力，研究内摩擦力、粘结力的主要影响因素，并建立一个预估模型。在试验同时，分析不同温度、不同空隙率状态所需的成型能量或击实功的变化。对于沥青混合料还没有室内粘滞阻力测定方法，在高温条件下，如果空隙太大，假定超过20三轴或者贯入试验可能通过室内试验确定不同高温、不同空隙率状态下试件随着温度逐渐降低其密度和空隙率变化曲线，研究其影响因素和变化特点。对于常规的试验条件一般采用水中称重法，在高温下选择沸点高、且不影响沥青混合料状况的液体。其测试时需要考虑沥青混合料有侧向压力和现场高低温条件下密度的相关性试验，在混合料碾压后测定混合料的温度，同时采用无核密度仪PQI测定其密度，自然冷却后再用PQI测定其密度，并现场钻芯后测定25℃时密度。从沥青混合料三相（矿料、沥青和空隙）构成出发，建立沥青混合料密度和空隙率状况的温度修正模型，并通过室内外提出了AC-20沥青路面密度的温度换算模型本实验选择一个典型振动压路机，安装三向加速度计、角加速度计、红外温度传感器、倾角传感器以及GPS信息系统，将各传感器的信号进行记录和处理。在现场采用振动碾压（不同的速度、振幅和频率）和不振动静压两种碾压方式，通过控制摊铺温度来选择不同的碾压温度。碾压过程中自动测量、记录各传感器的信号，对这些信号进行FFT转换或计算得到各种动态特征参数，各种基于垂直振动加速度计的Evib、CMV、Ks，以及基于能量的MDP、ACV等，也包括加速度和角加速度振动频率谱、振幅、碾压速度等参数，同时通过现场试验建立加速度振动特性参数－模量、机械传动功率（能量内摩擦力、粘结力、粘滞阻力非线性模型。引入高温（90℃~170℃)、大空隙（620多态下沥青混合料模量、内摩擦力、粘结力和粘滞阻力等非线性预估模型，进行动态特征参数在不同温度条件下的现场密度影响的显著性分析，筛去影响较小的参数。最后通过神经网络等非线性建模方法建立一个多参数分析系统模型，采用现场测试的数据进行分析系统的不断标定和训练，使之形成一个封装的多参数非线性的智能碾压分析综上所述，结合室内实验结果和国内外研究进展，本标准明确了沥青路进行了大量试验和数据分析，在充分论证基础上提出了技术要求，经全国设备生产制造、施工单位广泛征求意见，并在此基础上开发了相关装备对主要为了对主要技术要求进行验证分析，开发了智能压路机碾压系统，系统主要包含振动加速度模块、红外测温模块、激光测距模块、GPS定位模块、角沥青混合料表面温度、前后沥青混合料高度差、钢轮压路机绝对位置、钢轮振动加速度传感器选用AKF392三轴加速度计，测量范围最高达到±40g，测量精度1mg，最高采样频率可以达到1000Hz。按照项目要求，所选用的加速度传感器量程与采样频率都要达到最高水平，因此选用具体型号为AK392-40-A-68，表示RS232输出、±40g测量范围、磁性吸附底座和瑞芬68通信协议。通过开展大量试验，确定振动频率测量精度±2Hz；振动振幅测量精度±红外测温传感器采用菲尔斯特BRW600-400高精度红外测温传感器，通过激光测距传感器