《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）第三部分 基礎(chǔ)設(shè)施篇《基于無人駕駛和3D機(jī)械控制的路基智能施工技術(shù)應(yīng)用研究》

完成單位：江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司、江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心、徐工道路機(jī)械事業(yè)部、自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心

主要完成人：王  捷、葉  煒、李強(qiáng)明、王  彤、陳  科、馬  凌、沙曉東、王  鵬、陳小寧、韓  波、潘  芳、毛益佳、趙  喆、張  靜、薛力戈

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　（一）項(xiàng)目背景

　　根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》預(yù)計(jì)2025年我國將新增公路里程約30.2萬公里，其中高速公路新增里程約3萬公里，要求工程質(zhì)量進(jìn)一步提高，交通設(shè)施耐久可靠。表明未來我國公路建設(shè)市場(chǎng)仍然存在巨大潛力。但是，隨著我國人口老齡化、出生率下降、高素質(zhì)人才不愿意深入一線施工現(xiàn)場(chǎng)等社會(huì)現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)工程建設(shè)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大沖擊。導(dǎo)致當(dāng)前機(jī)械化減人、智能化換人、自動(dòng)化無人的需求日趨迫切。

　　（二）技術(shù)概況

　　1.推土機(jī)、平地機(jī)3D機(jī)械控制施工技術(shù)

　　在施工前將CAD二維圖紙轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)控制箱可以讀取的三維模型。利用安裝在鏟刀兩端的GNSS接收設(shè)備，實(shí)時(shí)采集鏟刀的三維位置坐標(biāo)，通過3D機(jī)械控制系統(tǒng)計(jì)算同一位置的設(shè)計(jì)高程和實(shí)測(cè)高程差值，并驅(qū)動(dòng)鏟刀歸零，做到路基施工的自動(dòng)精準(zhǔn)找平控制。

　　2.壓路機(jī)無人駕駛施工技術(shù)

　　利用高精度北斗定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、障礙物識(shí)別技術(shù)，為壓路機(jī)提供行駛路徑引導(dǎo)與控制信號(hào)，控制壓路機(jī)各工作系統(tǒng)動(dòng)作，完成既定的行駛、轉(zhuǎn)向、工作裝置作業(yè)等任務(wù)。同時(shí)，利用RFID、5G、WIFI、局域組網(wǎng)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)回傳服務(wù)平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合作業(yè)業(yè)務(wù)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)展現(xiàn)、遠(yuǎn)程控制、壓實(shí)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

　　（三）適用范圍

　　本技術(shù)的適用于路基施工的清表、填筑、整平、壓實(shí)等環(huán)節(jié)，解決路基縱坡、橫坡、厚度、高程控制不均勻，碾壓過程易存在過壓、欠壓、漏壓、振頻振幅不達(dá)標(biāo)等施工質(zhì)量核心。

　　（四）獲獎(jiǎng)情況

　　1.中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

　　2.江蘇機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)

　　3.江蘇省土木建筑學(xué)會(huì)土木建筑科技獎(jiǎng)

　　4.江蘇省人工智能學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)

　　5.第29屆智能交通世界大會(huì)創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)

　　6.江蘇省智能交通創(chuàng)新?賽三等獎(jiǎng)

　　7.江蘇省公路水運(yùn)施工工藝大賽優(yōu)秀作品獎(jiǎng)

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　（一）開發(fā)路基無人智能施工算法

　　開發(fā)了施工場(chǎng)景下工程機(jī)械的無人施工算法、路徑規(guī)劃算法與機(jī)械自動(dòng)控制算法。

　　（二）研發(fā)路基無人智能施工設(shè)備

　　基于北斗導(dǎo)航技術(shù)，在路基施工機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化、無人化、智能化控制條件下，開發(fā)了推土機(jī)、平地機(jī)、壓路機(jī)無人駕駛集群裝備。

　　（三）形成路基無人智能施工工藝

　　實(shí)現(xiàn)路基填筑、整平與碾壓施工全過程的厚度、坡度、高程、平整度、碾壓質(zhì)量的自動(dòng)精準(zhǔn)控制，形成成套施工工藝。

應(yīng)用案例

　　本項(xiàng)目研究的推土機(jī)、平地機(jī)、壓路機(jī)智能施工設(shè)備，于2019年首次在S420金湖段路基建設(shè)工程中進(jìn)行了示范應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。隨后，項(xiàng)目組為了使項(xiàng)目成果實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景、多元化的應(yīng)用，通過進(jìn)一步深化研究，推出了路面無人集群施工設(shè)備，包含無人駕駛攤鋪機(jī)、鋼輪壓路機(jī)、膠輪壓路機(jī)，并在S506泰州段、京雄高速、廣西柳南高速、攀大高速、京德高速、阿烏高速（沙漠高速）、寧滬高速等公路建設(shè)項(xiàng)目中成功應(yīng)用，引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，開啟了無人施工的新時(shí)代，具體工程應(yīng)用情況如下。

　　（1）路基無人施工項(xiàng)目

　　在S420金湖段，首次實(shí)現(xiàn)路基碾壓的無人化施工，開啟道路無人施工的先河，取得了良好的實(shí)施效果，為無人機(jī)械集群化施工提供了研究基礎(chǔ)與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，向外界展示了交通建設(shè)行業(yè)的科技發(fā)展。

　　圖3S420金湖段無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　（2）水穩(wěn)基層無人施工項(xiàng)目

　　京雄高速和新柳南高速在全球率先開展無人集群的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水穩(wěn)基層攤鋪壓實(shí)的自動(dòng)化作業(yè)。

　　圖4京雄高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　圖5新柳南高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　?。?）新建瀝青路面無人施工項(xiàng)目

　　攀大高速無人駕駛壓路機(jī)機(jī)群聯(lián)動(dòng)瀝青路面施工作業(yè)在四川攀枝花至云南大理在建的高速公路項(xiàng)目中測(cè)試成功，標(biāo)志著無人駕駛壓路機(jī)已經(jīng)能夠滿足瀝青路面碾壓施工規(guī)范，這在全球尚屬首次。在施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)4臺(tái)壓路機(jī)在一臺(tái)攤鋪機(jī)引導(dǎo)下進(jìn)行瀝青路面的碾壓施工。

　　圖6攀大高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　京德高速瀝青中面層施工中使用"無人駕駛集群智能化施工"技術(shù)，該技術(shù)首次在雄安新區(qū)對(duì)外骨干路網(wǎng)瀝青面層施工中得到應(yīng)用。

　　圖7京德高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　阿烏高速采用的無人施工機(jī)械組合為RP1253T和RP903S攤鋪機(jī)、XD133S雙鋼輪壓路機(jī)XP303S膠輪壓路機(jī)。阿烏高速地處古爾班通古特沙漠腹地，干旱、少雨、大風(fēng)、沙塵暴，冬期嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季短而炎熱，晝夜溫差大，無人化施工很好的克服了惡劣的作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、少人員施工。這是全球首例無人集群沙漠高速施工項(xiàng)目。

　　圖8阿烏高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　（4）養(yǎng)護(hù)瀝青路面無人施工項(xiàng)目

　　滬寧高速蘇州段養(yǎng)護(hù)工程，首次采用由10臺(tái)無人雙鋼輪壓路機(jī)與2臺(tái)無人大寬度攤鋪機(jī)組成的無人施工機(jī)群，這是全球規(guī)模最大的無人集群養(yǎng)護(hù)施工，是全國最高等級(jí)瀝青路面養(yǎng)護(hù)無人化施工應(yīng)用的突破，具有重大意義。

　　圖9滬寧高速無人施工現(xiàn)場(chǎng)

　　（5）水利無人施工項(xiàng)目

　　雄安新區(qū)批量采購了36臺(tái)套無人化壓路機(jī)，在示范應(yīng)用中取得良好效果。在此基礎(chǔ)上，定興縣水利局、河北水利工程局、內(nèi)蒙古遼河水利工程局、安徽水利開發(fā)有限公司、河北水利工程局等8家施工單位，相繼采購了無人化壓路機(jī)。

　　圖10雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程無人施工現(xiàn)場(chǎng)

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　（一）施工效率提升

　　智能施工技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比可提高施工效率約20%，特別是在夜間也可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的連續(xù)作業(yè)。

　　（二）工程質(zhì)量提升

　　3D機(jī)械控制推土機(jī)、平地機(jī)可將路基高程誤差控制在±2cm以內(nèi)，可有效提高路基平整度。無人駕駛壓路機(jī)使碾壓速度、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、振頻振幅均做到真正意義上的無人化、標(biāo)準(zhǔn)化施工。

　　（三）安全管理提升

　　智能無人施工技術(shù)可減少施工的參與人員，且將部分現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)為室內(nèi)作業(yè)，可降低人員安全事故發(fā)生的概率，特別是夜間施工可極大的保證施工區(qū)域的安全。

　　（四）直接經(jīng)濟(jì)效益

　　智能施工技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比可節(jié)約人力資源40%，總油耗可降低15.3%，高質(zhì)量的路基工程也可以延長(zhǎng)工程使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)成本。

　　（五）社會(huì)效益提升

　　壓路機(jī)無人駕駛技術(shù)不僅把施工人員從繁重、枯燥、惡劣的振動(dòng)和噪聲環(huán)境中解放出來，同時(shí)提高了施工效率、實(shí)現(xiàn)了碾壓的標(biāo)準(zhǔn)化施工，為智能化施工提供了必要條件。