道路工程无人化智能化发展现状

范文帮发表于2021-12-30 14:40:01归属于工程论文本文已影响我要投稿手机版

  摘要:道路无人化智能化施工是路面工程机械发展的一个重要方向。本文首先详细阐述了当前发展道路无人化的背景,深入分析了全球道路施工无人化的发展现状,并总结提炼了无人化施工的关键技术和意义,为相关领域的进一步研究提供了参考。

  关键词:道路;无人化;智能化;工程机械;机群施工;发展现状

  进入21世纪30年代,全球经济体正进行着深刻且持续的变革,而制造业是判断一个国家工业是否强盛的标志,更是世界各国促进经济发展、拔高国家硬实力的有力途径。全球各国发展的经验指出,工业化深化到一定程度后,工业经济的增长很大程度上将取决于工业装备水平的提高,所以工程机械机群的智能化、系统化、无人化是未来工程机械发展的重要趋势。

  1道路无人化智能化施工研究背景

  据2020年6月25日在京召开的交通运输部例行新闻发布会数据统计,截至目前为止,高速公路总里程达到15万公里,属世界第一。但同时调查表明,交通流量日益的增大也带来了严重的道路老化与破坏等问题,如车辙、裂缝、波浪等病害早已屡见不鲜。目前,沥青路面就地热再生施工技术已经具备了较高的智能化水平,美中不足的是,因为当前沥青就地热再生技术工艺流程复杂,因此现有技术路线还存在一些薄弱点——智能驾驶系统设计困难;养护设备运转环境恶劣;施工机组定位困难。另外,在不能中断交通的高速公路上施工具有巨大的风险。由此可见,发展无人化道路集群作业是大势所趋。借助无人驾驶技术,无人化施工机群可被视为具备养护功能的多智能体,利用多智能体理论,结合沥青路面就地热再生施工工艺,为研发无人化施工技术与装备提供了新方法。

  2道路无人化智能化装备研究现状

  2.1无人化装备研究现状

  时至今日,全球范围内车辆的无人驾驶技术已经日趋完善。无人驾驶技术利用传感器技术、信号处理技术等,通过集成视觉、激光雷达等多种车载传感器来辨识车辆所处的环境和状态,并对所获得的道路信息、车辆位置和障碍物信息做出分析,控制车辆行驶,从而实现无人驾驶车辆依据自身意图和环境的拟人驾驶。该领域的研究为就地热再生施工装备无人化发展奠定了基础。(1)国外工程机械无人化装备现状。基于无人驾驶技术在车辆领域成熟的发展,无人化技术也逐渐应用到了工程机械领域。在建筑机械领域中,美国卡特彼勒在2019年7月5日公开了无人驾驶型机组。该无人化机组提升了起重机作业安全性和效率。矿山机械中,国际工程机械巨头小松的无人运输系统(AHS)已经完成超过20亿吨物料运输,在巴西卡拉加斯矿山增加37台930E无人驾驶矿车,以更好地助力当地绿色矿山建设。(2)国内工程机械无人化装备现状。三一重工股份有限公司与交通资源公司、浙高运公司共合作,成功研制出高速公路路面罩面无人化成套施工机械设备。该无人化机群由三大关键技术支撑:摊铺机智能施工技术、压路机群协同施工技术、群控安全技术。实现了路面施工高度智能化、无人化,翻开了高速公路无人化养护施工的新篇章。徐工RP1655超宽超厚型摊铺机也随着5G、智能化、无人化等前沿技术的逐渐普及,携手行业独有的先进技术-沥青摊铺测厚技术和无线遥控技术在陕西平镇高速荣耀亮相。

  2.2道路无人化机群研究现状

  当前的路面施工过程中需要多个机种的参与,主要靠人工通讯指挥,存在着如下弊端:①资源配置不尽合理。②施工中信息交换量小,实时性差。③易出现物料断流或积压。④能耗大,生产率低。⑤劳动强度大,养护人员施工风险大。鉴于上述问题,国内外各大企业纷纷开始研发一套基于控制技术、人工智能、传感器融合、无人化辅助施工等先进技术的机群智能化施工控制技术及应用平台,以实现高效精准施工、降低施工成本。(1)国外沥青路面无人化养护装备机群施工技术的研究现状。小松与ZMP公司在工程机械和矿山机械的自动驾驶以及无人化技术共同研发,实现无人驾驶及操作的工程机械,其利用全球定位系统(GPS)和传感器控制,于2013~2014年实现了整地和挖掘等自动化的推土机和挖掘机。2019年3月,沃尔沃建筑设备携手瑞典电信运营商特利亚(Telia)和爱立信启动了瑞典首个工业5G网络,将用于远程控制工程机械机组测试。(2)国内沥青路面无人化养护装备机群施工技术的研究现状。2020年7月9日,三一路机无人摊压协同施工机群包含2台无人驾驶摊铺机、2台无人驾驶轮胎压路机、3台无人驾驶双钢轮压路机与1个无人驾驶监控室。“多摊、多压”无人协同机群智能管理机群主要采用摊铺机智能施工技术、机群协同施工技术、群控安全技术与控制平台技术四大关键技术实现对设备的精准控制。2020年6月9日,由徐州工程机械集团,四川铁路投资集团和清华大学联合开发,将无人驾驶的摊铺机和压路机应用于建设高速公路上。据中央电视台报道,由三台摊铺机和六个压路机组成的无人驾驶智能设备集群完成了铺路和压实高速公路的稳定土壤。这是世界上第一次无人驾驶集群建造了无人驾驶专用车道。

  3道路无人化智能化施工的关键技术

  3.1施工大数据采集、自学习、决策技术

  采集各个施工场景的历史数据信息通过深度学习技术对数据进行学习分析并利用回归算法计算出最佳施工参数配置,形成特定场景下的决策树,帮助计算机自主判断下一步动作指令,让机器真正具备思考能力。

  3.2多机协同控制技术

  多机协同控制策略是实现机组的协同控制有效解决方法之一,该策略针对协同控制涉及的信息融合、传感器测量等先进技术带来的大量数据进行有效分析,并做出合理的决策和任务分配。整个施工过程采取标准化控制方案,确保施工流程规范化、施工过程可追溯,真正实现公路养护的人工智能精细化施工。

  3.3单机无人驾驶技术

  利用高精度GNSS定位技术确定车辆的全局坐标、通过惯性导航技术实时监测车辆位置信息,利用SLAM技术实现车辆的路径规划,同时增加视觉检测功能,精确识别障碍物。再利用激光雷达的飞行时间(TOF)技术进行实时避障。

  3.4机组无人驾驶及自动跟随技术

  采用雷达制动系统和V2V通信技术结合的方式,提高机组无人驾驶的安全性及可操作性,后方车辆可以按照要求跟随前方车辆移动,使后车可以完美模仿前车的动作进行加速、减速、转向、掉头等动作,使整个机组保持动作一致性和整体性。

  3.5数据远程管理系统

  接入无人车终端及场内智能终端实现对特定场景生产过程的人、机、料、法、环等数据的全面感知,获取各类业务数据;接入整车数据,获取里程、油耗、故障代码等相关数据信息,实现对车辆故障代码及其他状态信息的检测。

  4道路无人化智能化施工对未来的意义

  根据上述对国内外工程机械无人化现状与关键技术的总结,结合当前无人化浪潮对工业发展的整体化影响,不难发现,道路施工无人化具有许多值得发展与进一步深化的价值。首先,由于人员生命财产是施工的第一位,无人化的发展可以很大程度上减少人员的使用与分布,使施工现场更加易于管理调配,安全性增强。其次,人员的减少使施工过程中各种人为的不确定性因素减少,使施工过程更加规范化,提升了施工的整体质量。同时,机组的整体协作也大大提高了工程效率。最后,随着全球老龄化和劳动力稀缺,减少人工上岗可以进一步削减成本,且可以节省上岗培训等时间成本。

  5结语

  道路无人化施工技术具有重大的工业价值和效益,通过沥青路面热再生机组无人化施工技术研发,彻底颠覆热再生养护作业的施工形态,由当前的劳动密集型、经验型作业方式变成技术集中型产业,引领新一代道路装备发展的潮流,推动我国养护装备与工艺发展进入世界一流水平。道路装备无人化思维在工程领域变革中必然引起浪潮。

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  作者:林泽昊 单位:华东理工大学

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