摘要：路面施工质量控制是道路工程中的关键施工环节，因此设计了一种基于无线网络的3D摊铺自动控制系统。利用施工前进行的试验摊铺过程，首先通过软件进行3D建模，然后通过固定在摊铺机上的接收单元实时采集施工过程中的数据，经信号转换模块传入中央控制器，对摊铺过程中路面厚度、平整度、高程、横坡进行数据实时分析与返回控制，其中通信网络硬件配置主要包含中心控制单元、基准站单元、流动站单元等；摊铺设备配置主要包含摊铺机、压路机等。该自动控制系统摊铺方式通过标准差算法计算摊铺数据离散度。与传统摊铺方式施工质量比对的结果证明，采用3D无线网络摊铺方式后，其平整度、厚度、高程、横坡的标准差相比分别降低0.23、2.29、2.73、0.042，其离散程度明显降低，说明摊铺效果明显优于传统摊铺方式，充分提升了路面摊铺施工的摊铺质量及速度。

　　关键词：3D摊铺；无线网络通信；标准差；离散度

　　0引言

　　强国之路，交通先行，为贯彻落实《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》战略部署，2021年6月7日，国家发展改革委发布《长江三角洲地区多层次轨道交通规划》，规划中明确发展目标：到2025年，基本建成轨道上的长三角，形成干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通多层次、优衔接、高品质的轨道交通系统，长三角地区成为多层次轨道交通深度融合发展示范引领区，有效支撑基础设施互联互通和区域一体化发展。轨道交通总里程达到2.2万km以上，新增里程超过8 000 km，高速铁路通达地级以上城市，铁路联通全部城区常住人口20万以上的城市，轨道交通运输服务覆盖80%的城区常住人口5万以上的城镇。鉴于此，必然会带动长三角城市圈内道路施工基础设施配套工程建设，因此采用更加先进的自动化技术施工方法成为必然选择。

　　在高速公路等基础设施建设过程中，传统的道路摊铺施工采用人力进行打钢钎、拉钢丝绳、架设浮动梁，会产生施工投入成本高、摊铺质量控制难度大、施工结果与设计标准偏离大、现场数据采集需要人工拉尺测量、施工现场危险因素较多等缺点，国外道路施工早已实现全自动化控制，以上缺点几乎为零，并且国外在技术创新突破上呈现高速发展态势。

　　随着科学技术的发展，为加强国内道路施工技术创新发展，强化施工技术优势，加快基础设施投资建设的步伐，克服传统道路施工过程中遇到的困难，提升道路工程施工质量。将3D摊铺技术结合无线网络通信应用到现场摊铺施工过程中，通过软件构建线路施工模型，利用接收单元实时采集施工过程中的数据，将其结果返回到控制器进行闭环循环自动化控制，利用标准差计算法对采集的数据进行分析，分析结果明显看出道路施工质量有较大的提升，同时克服传统施工过程中存在的问题。该技术已应用在某高速公路施工项目，并取得了较好的施工效果。

　　1 3D摊铺及无线网络通信技术简介

　　1.1 3D摊铺技术

　　3D摊铺技术是以mm GPS为核心的水稳基层和沥青路面摊铺控制技术，它是将路面的设计参数值输入到计算机控制器，同时搭建激光发射与接收单元，并与摊铺机液压系统无缝连接，将接收到的数据转换并处理，进而控制摊铺设备运行，是将设计数值直接转化为现场施工控制参数的数字化施工控制过程，通过卫星、激光发射器及接收器，使摊铺精度控制在毫米级，整个过程具有智能化、数字化、可视化、精度高、摊铺更加平顺、灵活等优势。

　　1.2无线网络通信技术

　　所谓无线网络是指利用无线电通信方式实现数据的空间传输，与有线通信网络本质区别在于利用无线电波技术作为信息传输介质来代替有线传输线路，可以与有线网络控制系统互为备份使用。它是一种建立不同设备之间数据信息空间交换通道的无线通信技术，避免了传统有线通信方式检修和维护复杂、成本高等弊端。可以为多种智能自动化设备和计算机控制网络之间的信息传输提供稳定的无线数据空间传输信道和安全的网络拓扑结构，尤其在一些特殊环境与突发事件中，可以有效弥补有线通信网络的不足之处和提高自动化系统的升级空间。

　　无线网络通信技术已成为工业通信领域、建筑领域、数字施工、道路施工、矿山爆破、海洋船舶等多个市场的新增长点，激发了众多企业投资热情。如图1所示为无线网络通信技术的应用领域。

　　2 3D摊铺硬件配置

　　2.1摊铺设备

　　施工设备根据工程量大小，合理配置摊铺机2台、钢轮（皮轮）压路机各3台、运料车若干台，同时将施工设备与数据控制器进行连接，实时检测施工过程中摊铺厚度与高程，路面横坡与平整度，将检测的数据进行转换与设计数据进行比较分析，进而形成数据化控制摊铺质量，摊铺设备配置如图2所示。

　　2.2无线通信控制模块

　　搭建云平台无线通信模块主要包括基准站、GPS流动站、激光发射器、激光接收器、控制单元、信号转换单元，如图3所示。

　　系统工作时，GNSS基准站通过无线通信技术实时向接收单元发送差分信号，同时域激光发射单元实时向接收单元发送摊铺效果数据；通过实时解算处理将实际摊铺面数据与设计路面模型对比，进而对摊铺质量进行控制。mmGPS流动站接收器分别将接收到的卫星信号、GNSS基站发送的差分信号，以及域激光发射器发送的高程信号，通过信号转换器解析后传入摊铺机控制系统，具有测定标高、复核标高、校准摊铺机高程并实时纠偏改正等功能。

　　3现场应用及数据分析

　　3.1现场应用

　　该技术应用于镇海某工程路面施工项目，施工工艺步骤：3D建模导入→设备安装调试→基础检查及处理→放样立模→3D摊铺施工作业→数据采集分析→闭环自动控制摊铺→施工结束→路面养护。

　　实际工作过程中，第1步激光发射单元发射激光以形成激光平面，注意保证激光发射器的稳定性，固定在摊铺机上的接收单元接收激光信号以及mmGPS发射的平面数据信号；第2步接收单元通过电缆信号线与信号转换器和控制器连接，为自动控制摊铺机液压系统完成施工面平整度和高程控制构建数据通信链路；第3步根据接收到的平面数据进行反推摊铺机当前施工位置坐标数据，从而与实际摊铺数据进行比对分析；第4步根据比较的结果进行闭环叠加控制摊铺机的摊铺平整度、厚度、高程、横坡度数据。

　　3.2数据分析

　　3.2.1平整度对比分析

　　施工过程中，通过无线控制模块，及摊铺质量监测传感器，进行实时监测摊铺数据，并将数据传输到控制系统，与设计参数进行连续比对，进而反馈到摊铺接触面进行闭环自动控制摊铺利用软件分析摊铺的平整度离散情况如图4所示，结果显示传统摊铺施工离散度最大值约2 mm，3D摊铺施工方式的离散度最大值约1.5 mm。

　　随机选取600个样本点数据，利用标准差公式对样本数进行计算，如式（1）~（2）所示。

　　式中：为样本平均值；S为样本标准差；n为样本数；

　　通过计算得出：传统施工平整性离散度标准差为1.13 mm，3D摊铺施工方式平整性离散度标准差为0.9 mm，证明3D摊铺施工平整度质量优于传统摊铺方式的施工质量。

　　3.2.2摊铺厚度对比分析

　　分析摊铺厚度离散情况，前提是在系统中设定好厚度标准值80 mm，如图5所示，传统摊铺施工厚度离散度最大值约10 mm，3D摊铺方式的离散度最大值约4 mm。

　　随机选取560个样本数据，同样利用标准差公式对样本数进行计算，如式（3）~（4）所示。

　　式中：为样本平均值；S为样本标准差；n为样本数；

　　通过计算得出：传统施工摊铺厚度离散度标准差为4.23，3D摊铺施工摊铺厚度离散度标准差为1.94，证明3D摊铺施工厚度偏差低于传统摊铺方式的施工厚度偏差。
       3.2.3摊铺高程对比分析

　　分析摊铺高程离散情况，如图6所示，传统摊铺施工高程离散度最大值约22 mm，3D摊铺方式的离散度最大值约18 mm。

　　随机选取1 500个样本数据，再次利用标准差公式对样本数进行计算，如式（5）和（6）所示。

　　式中：为样本平均值；S为样本标准差；n为样本数；

　　通过计算得出：传统施工摊铺高程离散度标准差为9.20，3D摊铺施工摊铺高程离散度标准差为6.47，证明3D摊铺施工摊铺高程优于传统施工摊铺高程。

　　3.2.4摊铺坡度对比分析

　　分析摊铺坡度离散情况，如图7所示，传统摊铺施工坡度离散值最大约2.22%，3D摊铺方式的离散度最大值约2.08%。

　　随机选取500个样本数据，同样利用标准差公式对样本数进行计算，如式（7）和（8）所示。

　　式中：为样本平均值；S为样本标准差；n为样本数；

　　通过计算得出：传统施工摊铺坡度离散度标准差为0.078，3D摊铺施工摊铺坡度离散度标准差为0.036，证明3D摊铺施工摊铺道路坡度优于传统施工摊铺坡度。

　　利用试验段施工，过程中实时数据采集，将摊铺的平整度、厚度、高程、横坡指标（软件计算标准差）与传统摊铺施工进行对比分析汇总结果如表1所示，采用3D摊铺施工的整体标准差明显低于传统摊铺方式，证明其施工质量明显高于传统摊铺方式的施工质量。

　　4结束语

　　本文研究了基于无线网络的3D摊铺施工技术与传统摊铺施工技术的对比，首先介绍国家层级政策情况，然后简述了无线网络通信技术及3D摊铺技术的基本概念，紧接着通过实际使用分析了工作原理，在道路工程实际施工试验段时候，通过设备自动采集数据，利用标准差算法分析试验段施工中的数据，得出采用3D无线网络摊铺方式后的摊铺效果明显优于传统摊铺方式，其平整度、厚度、高程、横坡的标准差相比分别降低0.23、2.29、2.73、0.042，充分提升了路面摊铺施工的摊铺质量，且降低了施工中工人的误操作原因导致的施工偏差或危险发生可能性。

　　无线网络的本质是不同频段电磁波连接，而电磁波的抗干扰性较差，尤其是靠近高压、中间障碍物较多较厚的时候，比如隧道施工环境等适用性均较差甚至无法使用。且该摊铺控制系统是由多种设备组成，集成度较差，因此，下一步研究方向在于如何攻克无线通信网络受施工环境、电磁干扰等极端不利因素的影响，或者研发出另一种非电磁波通信的无线传输方式，同时尝试研发一种多种零部件设备集成一体化的摊铺控制系统。

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