摘 要：分析了我國(guó)瀝青混凝土路面施工中存在的工藝問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，介紹了瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)對(duì)改善瀝青混合料溫度和級(jí)配分布及路面施工質(zhì)量的影響。根據(jù)瀝青混凝土路面施工工藝及機(jī)械運(yùn)行規(guī)律，提出了基于無(wú)線局域網(wǎng)的機(jī)群智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。
關(guān)鍵詞：路面機(jī)械；轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)；機(jī)群；調(diào)度；監(jiān)控
到2005年，我國(guó)高速公路將僅次于美國(guó)，躍居世界第二位；2010年,“五縱七橫”國(guó)道主干線將基本建成，到2020年，公路總里程將達(dá)到145萬(wàn)公里，其中高等級(jí)、次高級(jí)路面占公路總里程的50％以上。
在已通車(chē)的高速公路中，剛性和半剛性基層瀝青路面約占80% 。與國(guó)外瀝青路面相比較，我國(guó)瀝青路面的整體質(zhì)量不高，包括高速公路在內(nèi)的絕大部分瀝青路面在交付使用2～3年后就出現(xiàn)路面早期損壞，嚴(yán)重影響道路的使用率和通行率，同時(shí)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高瀝青路面的施工質(zhì)量，延長(zhǎng)道路的使用壽命，已經(jīng)成為我國(guó)公路行業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。
1、目前瀝青路面施工中存在的問(wèn)題
傳統(tǒng)的瀝青路面鋪筑施工工藝是將瀝青混合料設(shè)備生產(chǎn)的瀝青混合料由自卸卡車(chē)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，并卸至瀝青攤鋪機(jī)的料斗中，經(jīng)攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪后，由壓路機(jī)對(duì)路面進(jìn)行最終壓實(shí)。國(guó)內(nèi)外的施工實(shí)踐證明，用這種傳統(tǒng)工藝鋪筑成形的路面早期破損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，致使道路的維修費(fèi)用大大增加，壽命縮短，使用率降低。造成路面早期損壞的主要原因有如下三個(gè)方面：
(1)自卸車(chē)在裝料、運(yùn)輸及卸料過(guò)程中導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)三次材料離析和溫度離析。
(2)因攤鋪機(jī)料斗容量小、自卸卡車(chē)數(shù)量少等因素導(dǎo)致攤鋪機(jī)停機(jī)待料，攤鋪工作不能連續(xù)進(jìn)行，造成路面結(jié)合處粘接力及其他力學(xué)性能的差異。
(3)自卸車(chē)卸料時(shí)對(duì)攤鋪機(jī)進(jìn)行碰撞和頂推，造成的路面的橫向接縫（即縱向波）。
影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質(zhì)量及施工成本的因素除施工工藝外,單機(jī)性能及機(jī)群協(xié)同性方面也有重要作用。國(guó)外在上世紀(jì)90年代就已開(kāi)展了機(jī)群智能控制技術(shù)的研究。由歐盟Brite-EuRam III計(jì)劃支持，法國(guó)、芬蘭、德國(guó)、英國(guó)、瑞典五個(gè)國(guó)家的七家單位合作，歷時(shí)兩年(1997~1999)實(shí)施“計(jì)算機(jī)集成道路建設(shè)計(jì)劃（The Computer Integrated Road Cons- truction project）”，旨在為瀝青路面施工提供全新的控制與監(jiān)測(cè)工具。整個(gè)控制系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)（GSS）、定位子系統(tǒng)（PSS）和機(jī)載子系統(tǒng)（OBSS）組成[1]。
三一重工股份有限公司于2002年開(kāi)始，在國(guó)家863計(jì)劃“機(jī)群智能化工程機(jī)械”重大專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，以追求最終產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，分別從“瀝青路面施工工藝”、“單機(jī)智能化”和“機(jī)群監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度”三個(gè)方面，研究生產(chǎn)過(guò)程中各要素的約束機(jī)制及影響產(chǎn)品質(zhì)量的工藝因素，尋求生產(chǎn)線中各環(huán)節(jié)的最優(yōu)匹配與協(xié)調(diào)及單機(jī)最優(yōu)狀態(tài)調(diào)整的控制策略，旨在為施工企業(yè)和業(yè)主提供瀝青路面施工的整體解決方案。
2、瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)及轉(zhuǎn)運(yùn)—攤鋪工藝
為了提高瀝青路面面層的施工質(zhì)量，歐美國(guó)家提出了轉(zhuǎn)運(yùn)攤鋪的施工工藝。三一重工股份有限公司在國(guó)內(nèi)率先倡導(dǎo)這種工藝，并開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)LHZ25。
新工藝是在運(yùn)料汽車(chē)與攤鋪機(jī)之間增加轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)。轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的二次攪拌使得在前面環(huán)節(jié)中造成的溫度和級(jí)配離析的瀝青混合料得到充分的拌合。同時(shí)，避免了運(yùn)料汽車(chē)對(duì)攤鋪機(jī)的碰撞。轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的供料速度不受其它因素的干擾，保證攤鋪機(jī)上的混合料數(shù)量始終是恒定的，拌和機(jī)和運(yùn)料汽車(chē)在供料方面的不均衡通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的料斗儲(chǔ)存量得以調(diào)節(jié)，確保了攤鋪機(jī)勻速穩(wěn)定的攤鋪，使施工路面平整度得到明顯提高。
2002年9月三一重工路面機(jī)械公司研制了我國(guó)第一臺(tái)瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)LHZ25。在此基礎(chǔ)上于2003年9月推出了改進(jìn)型的瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)LHZ25A（圖1）。LHZ25A瀝青混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)主要由機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、物料儲(chǔ)存系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、物料攪拌系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等九大部分組成。
機(jī)身用來(lái)聯(lián)接行走系統(tǒng)并支撐動(dòng)力系統(tǒng)及各工作系統(tǒng)，主要由機(jī)架和料倉(cāng)構(gòu)成。
液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)行走、入料、攪料、出料及輔助運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)及控制。
電氣系統(tǒng)主要功能有：保證轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)柴油機(jī)安全、可靠地啟動(dòng)；實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)各功能部件的單動(dòng)及聯(lián)動(dòng)工作狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)與瀝青攤鋪機(jī)的配套作業(yè)；實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)工作狀況的監(jiān)控、故障診斷及報(bào)警的功能。
行駛系統(tǒng)采用了全液壓驅(qū)動(dòng)的輪胎行走方案。
2003年9月6日，LHZ25A參與長(zhǎng)沙市市政工地聯(lián)合攤鋪施工，完成了長(zhǎng)沙市勞動(dòng)?xùn)|路五十米瀝青路面的攤鋪。2003年9月下旬，浙江寧波交通建設(shè)集團(tuán)公司租賃了LHZ25A樣機(jī)參與杭州繞城高速公路的施工，完成了杭州繞城高速公路南線8標(biāo)25公里瀝青面層的攤鋪。
2003年12月中旬在南昌新余滬內(nèi)高速公路昌京段，完成12公里的瀝青路面攤鋪。國(guó)內(nèi)40多家施工企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人及行業(yè)協(xié)會(huì)和國(guó)家科技部863專(zhuān)家觀摩了施工過(guò)程。
LZH25A型瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)被科技部863計(jì)劃“先進(jìn)制造及自動(dòng)化”領(lǐng)域推薦為2003年國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目重大進(jìn)展,2004年已正式推向市場(chǎng)。
3、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)對(duì)瀝青混合料溫度和級(jí)配分布的影響
2003年12月17日至2003年12月24日長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心對(duì)LHZ25型瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在新余滬內(nèi)高速公路昌京段瀝青路面施工中的應(yīng)用情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。施工中瀝青混合料為AC25Ⅰ，兩臺(tái)攤鋪機(jī)平行作業(yè)，一臺(tái)使用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，一臺(tái)沒(méi)有使用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，以比較兩臺(tái)攤鋪機(jī)的攤鋪效果和差異（圖2）。
用紅外攝像儀分別攝取了卡車(chē)內(nèi)瀝青混合料及未采用和采用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)后的路面溫度分布情況（圖3）。從圖中明顯看出，有轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)時(shí)攤鋪表面的溫度分布非常均勻，隨時(shí)間變化溫度均勻、穩(wěn)定，同一時(shí)刻沿不同的攤鋪寬度溫度也非常均勻，差異很小，基本消除了溫度離析現(xiàn)象。
4、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)對(duì)瀝青路面級(jí)配離析的影響
通過(guò)在瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的前、后料斗的左、中、右三點(diǎn)取樣，對(duì)其進(jìn)行抽提和篩分，測(cè)定其級(jí)配，并與設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配進(jìn)行比較。以了解運(yùn)料汽車(chē)卸下的瀝青混合料的離析情況，以及轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的再次拌和對(duì)瀝青混合料的級(jí)配離析的改善情況。
分別在兩臺(tái)攤鋪機(jī)后的左、中、右三點(diǎn)取樣（攤鋪后、壓實(shí)前），取樣時(shí)是用鐵鏟直接挖到該層的層底，即是沿整個(gè)厚度取樣。然后進(jìn)行抽提篩分，評(píng)定經(jīng)攤鋪機(jī)攤鋪后的瀝青混合料的離析情況。
終壓后采取鋪砂法測(cè)定路表的構(gòu)造深度，采用滲透系數(shù)儀測(cè)定路面結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)。路表的構(gòu)造深度，可以反映瀝青混合料的粗、細(xì)骨料在路表的分布規(guī)律。因此可用于評(píng)定路表面的級(jí)配離析情況。滲透系數(shù)反映的是水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)的快慢程度，反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙性及其連通性。因此，可以反映路面內(nèi)部的級(jí)配離析情況。綜合測(cè)試情況可得如下結(jié)論：
(1) 常規(guī)工藝條件下混合料最大的級(jí)配極差為19.88％;構(gòu)造深度平均值為0.8698mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2238mm;滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為55.81ml/min。
(2)采用瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)后，混合料最大的級(jí)配極差為6.85％，構(gòu)造深度平均值為0.6478mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0571mm，滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為3.21ml/min。與未采用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)攤鋪的路面結(jié)構(gòu)相比最大的級(jí)配極差改善了13.03％，構(gòu)造深度的均勻性提高了3.92倍，滲透系數(shù)的均勻性提高了17.39倍。圖4的對(duì)比施工效果圖也說(shuō)明了這一點(diǎn)。
5、施工機(jī)群智能監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)
影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質(zhì)量及施工成本的因素除施工工藝外,單機(jī)性能及機(jī)群協(xié)同性方面也有重要作用。三一重工股份有限公司聯(lián)合中南大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)及北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所研制了機(jī)群智能調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)。圖5為該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由“調(diào)度與控制”、“機(jī)群定位”、“通信網(wǎng)絡(luò)”、“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”、“故障診斷與維護(hù)”五個(gè)功能模塊組成。系統(tǒng)按空間位置布局由六個(gè)部分組成：中央控制室(管理與監(jiān)控中心)、移動(dòng)通信車(chē)(距離較遠(yuǎn)時(shí))、攤鋪機(jī)群(轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī))、攪拌站、自卸卡車(chē)車(chē)隊(duì)、遠(yuǎn)程維護(hù)中心。
中央控制室：是整個(gè)智能化工程機(jī)械的中樞，與攪拌站毗鄰，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的各種機(jī)械進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)控及調(diào)度。根據(jù)單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息和單機(jī)工藝模型，在最優(yōu)調(diào)度軟件支持下產(chǎn)生單機(jī)調(diào)度信息，機(jī)群內(nèi)各單機(jī)運(yùn)行及施工狀態(tài)均在控制中心大屏幕上顯示。中央控制室與遠(yuǎn)程維護(hù)中心通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。
攤鋪機(jī)群系統(tǒng)：主要包括攤鋪機(jī)、壓路機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，它們之間的協(xié)作控制是整個(gè)智能化機(jī)群系統(tǒng)的重點(diǎn)（圖6）。
物料運(yùn)輸車(chē)隊(duì)：以GSM短信息形式與中央控制中心室聯(lián)系，按控制中心指令進(jìn)行物料運(yùn)輸與調(diào)配。
通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：由無(wú)線局域網(wǎng)、數(shù)傳電臺(tái)、GSM和互聯(lián)網(wǎng)組成。攤鋪機(jī)群因相互位置鄰近，通過(guò)安裝在攤鋪機(jī)上的AP網(wǎng)橋形成局域網(wǎng)，局域網(wǎng)與控制中心通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)聯(lián)系，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，需加移動(dòng)通信車(chē)。
遠(yuǎn)程維護(hù)中心：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收機(jī)群控制中心的維護(hù)請(qǐng)求及發(fā)出維護(hù)指導(dǎo)意見(jiàn)。
機(jī)群調(diào)度的優(yōu)化目標(biāo)決定了機(jī)群作業(yè)模式的總價(jià)值，取決于各種目標(biāo)因素的綜合考慮�？紤]問(wèn)題的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用定量與定性相結(jié)合的方式，綜合考慮施工質(zhì)量和施工成本雙重因素。主要考慮路面密實(shí)度和平整度，在機(jī)群調(diào)度中通過(guò)對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛的調(diào)度保證瀝青混合料的連續(xù)均勻供料，不允許攤鋪機(jī)出現(xiàn)停機(jī)待料和待攤鋪材料的過(guò)多積壓。通過(guò)對(duì)攤鋪機(jī)與壓路機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與協(xié)調(diào)，以最經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到路面密實(shí)度指標(biāo)。
6、結(jié)論
(1) 在現(xiàn)有瀝青混凝土路面鋪筑工藝模式下，材料的級(jí)配離析與溫度離析是制約瀝青路面鋪筑質(zhì)量的不可控因素，在機(jī)群系統(tǒng)中增加具有二次攪拌功能的瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)是一種簡(jiǎn)便可行的解決途徑，應(yīng)引起有關(guān)管理部門(mén)和行業(yè)協(xié)會(huì)的重視。
(2) 在高等級(jí)路面施工項(xiàng)目中，由于施工機(jī)械品種及數(shù)量較多，各種機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)具有一定的隨機(jī)性，施工機(jī)械的優(yōu)化配置及機(jī)器狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可為挖掘機(jī)器潛能提供技術(shù)手段。
(3) 利用網(wǎng)絡(luò)、通信、GPS定位等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工機(jī)群的智能調(diào)度和施工環(huán)節(jié)的全過(guò)程監(jiān)控與管理，使瀝青路面施工進(jìn)入全新的數(shù)字化作業(yè)模式，將對(duì)我國(guó)公路建設(shè)和提高工程機(jī)械技術(shù)水平產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
