摘要：分析了我國瀝青混凝土路面施工中存在的工藝問題。結合現場施工，介紹了瀝青混合料轉運車對改善瀝青混合料溫度和級配分布及路面施工質量的影響。根據瀝青混凝土路面施工工藝及機械運行規(guī)律，提出了基于無線局域網的機群智能控制系統(tǒng)結構方案。
關鍵詞：路面機械；轉運車；機群；調度；監(jiān)控
到2005年，我國高速公路將僅次于美國，躍居世界第二位；2010年,“五縱七橫”國道主干線將基本建成，到2020年，公路總里程將達到145萬公里，其中高等級、次高級路面占公路總里程的50%以上。
在已通車的高速公路中，剛性和半剛性基層瀝青路面約占80% 。與國外瀝青路面相比較，我國瀝青路面的整體質量不高，包括高速公路在內的絕大部分瀝青路面在交付使用2～3年后就出現路面早期損壞，嚴重影響道路的使用率和通行率，同時帶來巨大的經濟損失。因此，提高瀝青路面的施工質量，延長道路的使用壽命，已經成為我國公路行業(yè)發(fā)展的當務之急。
1、目前瀝青路面施工中存在的問題
傳統(tǒng)的瀝青路面鋪筑施工工藝是將瀝青混合料設備生產的瀝青混合料由自卸卡車運輸到施工現場，并卸至瀝青攤鋪機的料斗中，經攤鋪機進行攤鋪后，由壓路機對路面進行最終壓實。國內外的施工實踐證明，用這種傳統(tǒng)工藝鋪筑成形的路面早期破損現象比較嚴重，致使道路的維修費用大大增加，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方面：
(1)自卸車在裝料、運輸及卸料過程中導致瀝青混合料出現三次材料離析和溫度離析。
(2)因攤鋪機料斗容量小、自卸卡車數量少等因素導致攤鋪機停機待料，攤鋪工作不能連續(xù)進行，造成路面結合處粘接力及其他力學性能的差異。
(3)自卸車卸料時對攤鋪機進行碰撞和頂推，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量及施工成本的因素除施工工藝外,單機性能及機群協(xié)同性方面也有重要作用。國外在上世紀90年代就已開展了機群智能控制技術的研究。由歐盟Brite-EuRam III計劃支持，法國、芬蘭、德國、英國、瑞典五個國家的七家單位合作，歷時兩年(1997~1999)實施“計算機集成道路建設計劃（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)測工具。整個控制系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)（GSS）、定位子系統(tǒng)（PSS）和機載子系統(tǒng)（OBSS）組成[1]。
三一重工股份有限公司于2002年開始，在國家863計劃“機群智能化工程機械”重大專項經費支持下，以追求最終產品質量最優(yōu)為目標，分別從“瀝青路面施工工藝”、“單機智能化”和“機群監(jiān)控與優(yōu)化調度”三個方面，研究生產過程中各要素的約束機制及影響產品質量的工藝因素，尋求生產線中各環(huán)節(jié)的最優(yōu)匹配與協(xié)調及單機最優(yōu)狀態(tài)調整的控制策略，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、瀝青混合料轉運車及轉運—攤鋪工藝
為了提高瀝青路面面層的施工質量，歐美國家提出了轉運攤鋪的施工工藝。三一重工股份有限公司在國內率先倡導這種工藝，并開發(fā)了國內第一臺瀝青混合料轉運車LHZ25。
新工藝是在運料汽車與攤鋪機之間增加轉運車。轉運車的二次攪拌使得在前面環(huán)節(jié)中造成的溫度和級配離析的瀝青混合料得到充分的拌合。同時，避免了運料汽車對攤鋪機的碰撞。轉運車的供料速度不受其它因素的干擾，保證攤鋪機上的混合料數量始終是恒定的，拌和機和運料汽車在供料方面的不均衡通過轉運車的料斗儲存量得以調節(jié)，確保了攤鋪機勻速穩(wěn)定的攤鋪，使施工路面平整度得到明顯提高。
2002年9月三一重工路面機械公司研制了我國第一臺瀝青混合料轉運車LHZ25。在此基礎上于2003年9月推出了改進型的瀝青混合料轉運車LHZ25A（圖1）。LHZ25A瀝青混凝土轉運車主要由機身、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、物料儲存系統(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。
機身用來聯(lián)接行走系統(tǒng)并支撐動力系統(tǒng)及各工作系統(tǒng)，主要由機架和料倉構成。
液壓系統(tǒng)實現整機行走、入料、攪料、出料及輔助運動的傳動及控制。
電氣系統(tǒng)主要功能有：保證轉運車柴油機安全、可靠地啟動；實現轉運車各功能部件的單動及聯(lián)動工作狀態(tài)；實現轉運車與瀝青攤鋪機的配套作業(yè)；實現轉運車工作狀況的監(jiān)控、故障診斷及報警的功能。
行駛系統(tǒng)采用了全液壓驅動的輪胎行走方案。
2003年9月6日，LHZ25A參與長沙市市政工地聯(lián)合攤鋪施工，完成了長沙市勞動東路五十米瀝青路面的攤鋪。2003年9月下旬，浙江寧波交通建設集團公司租賃了LHZ25A樣機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25公里瀝青面層的攤鋪。
2003年12月中旬在南昌新余滬內高速公路昌京段，完成12公里的瀝青路面攤鋪。國內40多家施工企業(yè)技術負責人及行業(yè)協(xié)會和國家科技部863專家觀摩了施工過程。
LZH25A型瀝青混合料轉運車被科技部863計劃“先進制造及自動化”領域推薦為2003年國家科技計劃項目重大進展,2004年已正式推向市場。
3、轉運車對瀝青混合料溫度和級配分布的影響
2003年12月17日至2003年12月24日長沙理工大學公路工程試驗檢測中心對LHZ25型瀝青混合料轉運車在新余滬內高速公路昌京段瀝青路面施工中的應用情況進行了現場測試。施工中瀝青混合料為AC25Ⅰ，兩臺攤鋪機平行作業(yè)，一臺使用轉運車，一臺沒有使用轉運車，以比較兩臺攤鋪機的攤鋪效果和差異（圖2）。
用紅外攝像儀分別攝取了卡車內瀝青混合料及未采用和采用轉運車后的路面溫度分布情況（圖3）。從圖中明顯看出，有轉運車時攤鋪表面的溫度分布非常均勻，隨時間變化溫度均勻、穩(wěn)定，同一時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象。
4、轉運車對瀝青路面級配離析的影響
通過在瀝青混合料轉運車的前、后料斗的左、中、右三點取樣，對其進行抽提和篩分，測定其級配，并與設計的標準級配進行比較。以了解運料汽車卸下的瀝青混合料的離析情況，以及轉運車的再次拌和對瀝青混合料的級配離析的改善情況。
分別在兩臺攤鋪機后的左、中、右三點取樣（攤鋪后、壓實前），取樣時是用鐵鏟直接挖到該層的層底，即是沿整個厚度取樣。然后進行抽提篩分，評定經攤鋪機攤鋪后的瀝青混合料的離析情況。
終壓后采取鋪砂法測定路表的構造深度，采用滲透系數儀測定路面結構的滲透系數。路表的構造深度，可以反映瀝青混合料的粗、細骨料在路表的分布規(guī)律。因此可用于評定路表面的級配離析情況。滲透系數反映的是水在路面結構內部流動的快慢程度，反映路面結構內部的孔隙性及其連通性。因此，可以反映路面內部的級配離析情況。綜合測試情況可得如下結論：
(1) 常規(guī)工藝條件下混合料最大的級配極差為19.88％;構造深度平均值為0.8698mm，標準差為0.2238mm;滲透系數的標準差為55.81ml/min。
(2)采用瀝青混合料轉運車后，混合料最大的級配極差為6.85％，構造深度平均值為0.6478mm，標準差為0.0571mm，滲透系數的標準差為3.21ml/min。與未采用轉運車攤鋪的路面結構相比最大的級配極差改善了13.03％，構造深度的均勻性提高了3.92倍，滲透系數的均勻性提高了17.39倍。圖4的對比施工效果圖也說明了這一點。
5、施工機群智能監(jiān)控與調度系統(tǒng)
影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質量及施工成本的因素除施工工藝外,單機性能及機群協(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、長沙理工大學及北京機械工業(yè)自動化研究所研制了機群智能調度與監(jiān)控系統(tǒng)。圖5為該系統(tǒng)基本結構。整個系統(tǒng)由“調度與控制”、“機群定位”、“通信網絡”、“狀態(tài)監(jiān)測”、“故障診斷與維護”五個功能模塊組成。系統(tǒng)按空間位置布局由六個部分組成：中央控制室(管理與監(jiān)控中心)、移動通信車(距離較遠時)、攤鋪機群(轉運車、攤鋪機、壓路機)、攪拌站、自卸卡車車隊、遠程維護中心。
中央控制室：是整個智能化工程機械的中樞，與攪拌站毗鄰，負責對整個系統(tǒng)中的各種機械進行統(tǒng)一管理、監(jiān)控及調度。根據單機運行狀態(tài)信息和單機工藝模型，在最優(yōu)調度軟件支持下產生單機調度信息，機群內各單機運行及施工狀態(tài)均在控制中心大屏幕上顯示。中央控制室與遠程維護中心通過互聯(lián)網相聯(lián)。
攤鋪機群系統(tǒng)：主要包括攤鋪機、壓路機和轉運車，它們之間的協(xié)作控制是整個智能化機群系統(tǒng)的重點（圖6）。
物料運輸車隊：以GSM短信息形式與中央控制中心室聯(lián)系，按控制中心指令進行物料運輸與調配。
通信網絡系統(tǒng)：由無線局域網、數傳電臺、GSM和互聯(lián)網組成。攤鋪機群因相互位置鄰近，通過安裝在攤鋪機上的AP網橋形成局域網，局域網與控制中心通過無線數傳電臺聯(lián)系，當距離較遠時，需加移動通信車。
遠程維護中心：通過互聯(lián)網接收機群控制中心的維護請求及發(fā)出維護指導意見。
機群調度的優(yōu)化目標決定了機群作業(yè)模式的總價值，取決于各種目標因素的綜合考慮?？紤]問題的復雜性，本系統(tǒng)采用定量與定性相結合的方式，綜合考慮施工質量和施工成本雙重因素。主要考慮路面密實度和平整度，在機群調度中通過對運輸車輛的調度保證瀝青混合料的連續(xù)均勻供料，不允許攤鋪機出現停機待料和待攤鋪材料的過多積壓。通過對攤鋪機與壓路機工作狀態(tài)的監(jiān)測與協(xié)調，以最經濟的方式達到路面密實度指標。
6、結論
(1) 在現有瀝青混凝土路面鋪筑工藝模式下，材料的級配離析與溫度離析是制約瀝青路面鋪筑質量的不可控因素，在機群系統(tǒng)中增加具有二次攪拌功能的瀝青混合料轉運車是一種簡便可行的解決途徑，應引起有關管理部門和行業(yè)協(xié)會的重視。
(2) 在高等級路面施工項目中，由于施工機械品種及數量較多，各種機械的運行狀態(tài)具有一定的隨機性，施工機械的優(yōu)化配置及機器狀態(tài)的動態(tài)調節(jié)可為挖掘機器潛能提供技術手段。
(3) 利用網絡、通信、GPS定位等技術，實現施工機群的智能調度和施工環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)控與管理，使瀝青路面施工進入全新的數字化作業(yè)模式，將對我國公路建設和提高工程機械技術水平產生深遠的影響。
關鍵詞：路面機械；轉運車；機群；調度；監(jiān)控
到2005年，我國高速公路將僅次于美國，躍居世界第二位；2010年,“五縱七橫”國道主干線將基本建成，到2020年，公路總里程將達到145萬公里，其中高等級、次高級路面占公路總里程的50%以上。
在已通車的高速公路中，剛性和半剛性基層瀝青路面約占80% 。與國外瀝青路面相比較，我國瀝青路面的整體質量不高，包括高速公路在內的絕大部分瀝青路面在交付使用2～3年后就出現路面早期損壞，嚴重影響道路的使用率和通行率，同時帶來巨大的經濟損失。因此，提高瀝青路面的施工質量，延長道路的使用壽命，已經成為我國公路行業(yè)發(fā)展的當務之急。
1、目前瀝青路面施工中存在的問題
傳統(tǒng)的瀝青路面鋪筑施工工藝是將瀝青混合料設備生產的瀝青混合料由自卸卡車運輸到施工現場，并卸至瀝青攤鋪機的料斗中，經攤鋪機進行攤鋪后，由壓路機對路面進行最終壓實。國內外的施工實踐證明，用這種傳統(tǒng)工藝鋪筑成形的路面早期破損現象比較嚴重，致使道路的維修費用大大增加，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方面：
(1)自卸車在裝料、運輸及卸料過程中導致瀝青混合料出現三次材料離析和溫度離析。
(2)因攤鋪機料斗容量小、自卸卡車數量少等因素導致攤鋪機停機待料，攤鋪工作不能連續(xù)進行，造成路面結合處粘接力及其他力學性能的差異。
(3)自卸車卸料時對攤鋪機進行碰撞和頂推，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量及施工成本的因素除施工工藝外,單機性能及機群協(xié)同性方面也有重要作用。國外在上世紀90年代就已開展了機群智能控制技術的研究。由歐盟Brite-EuRam III計劃支持，法國、芬蘭、德國、英國、瑞典五個國家的七家單位合作，歷時兩年(1997~1999)實施“計算機集成道路建設計劃（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)測工具。整個控制系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)（GSS）、定位子系統(tǒng)（PSS）和機載子系統(tǒng)（OBSS）組成[1]。
三一重工股份有限公司于2002年開始，在國家863計劃“機群智能化工程機械”重大專項經費支持下，以追求最終產品質量最優(yōu)為目標，分別從“瀝青路面施工工藝”、“單機智能化”和“機群監(jiān)控與優(yōu)化調度”三個方面，研究生產過程中各要素的約束機制及影響產品質量的工藝因素，尋求生產線中各環(huán)節(jié)的最優(yōu)匹配與協(xié)調及單機最優(yōu)狀態(tài)調整的控制策略，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、瀝青混合料轉運車及轉運—攤鋪工藝
為了提高瀝青路面面層的施工質量，歐美國家提出了轉運攤鋪的施工工藝。三一重工股份有限公司在國內率先倡導這種工藝，并開發(fā)了國內第一臺瀝青混合料轉運車LHZ25。
新工藝是在運料汽車與攤鋪機之間增加轉運車。轉運車的二次攪拌使得在前面環(huán)節(jié)中造成的溫度和級配離析的瀝青混合料得到充分的拌合。同時，避免了運料汽車對攤鋪機的碰撞。轉運車的供料速度不受其它因素的干擾，保證攤鋪機上的混合料數量始終是恒定的，拌和機和運料汽車在供料方面的不均衡通過轉運車的料斗儲存量得以調節(jié)，確保了攤鋪機勻速穩(wěn)定的攤鋪，使施工路面平整度得到明顯提高。
2002年9月三一重工路面機械公司研制了我國第一臺瀝青混合料轉運車LHZ25。在此基礎上于2003年9月推出了改進型的瀝青混合料轉運車LHZ25A（圖1）。LHZ25A瀝青混凝土轉運車主要由機身、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、物料儲存系統(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。
機身用來聯(lián)接行走系統(tǒng)并支撐動力系統(tǒng)及各工作系統(tǒng)，主要由機架和料倉構成。
液壓系統(tǒng)實現整機行走、入料、攪料、出料及輔助運動的傳動及控制。
電氣系統(tǒng)主要功能有：保證轉運車柴油機安全、可靠地啟動；實現轉運車各功能部件的單動及聯(lián)動工作狀態(tài)；實現轉運車與瀝青攤鋪機的配套作業(yè)；實現轉運車工作狀況的監(jiān)控、故障診斷及報警的功能。
行駛系統(tǒng)采用了全液壓驅動的輪胎行走方案。
2003年9月6日，LHZ25A參與長沙市市政工地聯(lián)合攤鋪施工，完成了長沙市勞動東路五十米瀝青路面的攤鋪。2003年9月下旬，浙江寧波交通建設集團公司租賃了LHZ25A樣機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25公里瀝青面層的攤鋪。
2003年12月中旬在南昌新余滬內高速公路昌京段，完成12公里的瀝青路面攤鋪。國內40多家施工企業(yè)技術負責人及行業(yè)協(xié)會和國家科技部863專家觀摩了施工過程。
LZH25A型瀝青混合料轉運車被科技部863計劃“先進制造及自動化”領域推薦為2003年國家科技計劃項目重大進展,2004年已正式推向市場。
3、轉運車對瀝青混合料溫度和級配分布的影響
2003年12月17日至2003年12月24日長沙理工大學公路工程試驗檢測中心對LHZ25型瀝青混合料轉運車在新余滬內高速公路昌京段瀝青路面施工中的應用情況進行了現場測試。施工中瀝青混合料為AC25Ⅰ，兩臺攤鋪機平行作業(yè)，一臺使用轉運車，一臺沒有使用轉運車，以比較兩臺攤鋪機的攤鋪效果和差異（圖2）。
用紅外攝像儀分別攝取了卡車內瀝青混合料及未采用和采用轉運車后的路面溫度分布情況（圖3）。從圖中明顯看出，有轉運車時攤鋪表面的溫度分布非常均勻，隨時間變化溫度均勻、穩(wěn)定，同一時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象。
4、轉運車對瀝青路面級配離析的影響
通過在瀝青混合料轉運車的前、后料斗的左、中、右三點取樣，對其進行抽提和篩分，測定其級配，并與設計的標準級配進行比較。以了解運料汽車卸下的瀝青混合料的離析情況，以及轉運車的再次拌和對瀝青混合料的級配離析的改善情況。
分別在兩臺攤鋪機后的左、中、右三點取樣（攤鋪后、壓實前），取樣時是用鐵鏟直接挖到該層的層底，即是沿整個厚度取樣。然后進行抽提篩分，評定經攤鋪機攤鋪后的瀝青混合料的離析情況。
終壓后采取鋪砂法測定路表的構造深度，采用滲透系數儀測定路面結構的滲透系數。路表的構造深度，可以反映瀝青混合料的粗、細骨料在路表的分布規(guī)律。因此可用于評定路表面的級配離析情況。滲透系數反映的是水在路面結構內部流動的快慢程度，反映路面結構內部的孔隙性及其連通性。因此，可以反映路面內部的級配離析情況。綜合測試情況可得如下結論：
(1) 常規(guī)工藝條件下混合料最大的級配極差為19.88％;構造深度平均值為0.8698mm，標準差為0.2238mm;滲透系數的標準差為55.81ml/min。
(2)采用瀝青混合料轉運車后，混合料最大的級配極差為6.85％，構造深度平均值為0.6478mm，標準差為0.0571mm，滲透系數的標準差為3.21ml/min。與未采用轉運車攤鋪的路面結構相比最大的級配極差改善了13.03％，構造深度的均勻性提高了3.92倍，滲透系數的均勻性提高了17.39倍。圖4的對比施工效果圖也說明了這一點。
5、施工機群智能監(jiān)控與調度系統(tǒng)
影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質量及施工成本的因素除施工工藝外,單機性能及機群協(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、長沙理工大學及北京機械工業(yè)自動化研究所研制了機群智能調度與監(jiān)控系統(tǒng)。圖5為該系統(tǒng)基本結構。整個系統(tǒng)由“調度與控制”、“機群定位”、“通信網絡”、“狀態(tài)監(jiān)測”、“故障診斷與維護”五個功能模塊組成。系統(tǒng)按空間位置布局由六個部分組成：中央控制室(管理與監(jiān)控中心)、移動通信車(距離較遠時)、攤鋪機群(轉運車、攤鋪機、壓路機)、攪拌站、自卸卡車車隊、遠程維護中心。
中央控制室：是整個智能化工程機械的中樞，與攪拌站毗鄰，負責對整個系統(tǒng)中的各種機械進行統(tǒng)一管理、監(jiān)控及調度。根據單機運行狀態(tài)信息和單機工藝模型，在最優(yōu)調度軟件支持下產生單機調度信息，機群內各單機運行及施工狀態(tài)均在控制中心大屏幕上顯示。中央控制室與遠程維護中心通過互聯(lián)網相聯(lián)。
攤鋪機群系統(tǒng)：主要包括攤鋪機、壓路機和轉運車，它們之間的協(xié)作控制是整個智能化機群系統(tǒng)的重點（圖6）。
物料運輸車隊：以GSM短信息形式與中央控制中心室聯(lián)系，按控制中心指令進行物料運輸與調配。
通信網絡系統(tǒng)：由無線局域網、數傳電臺、GSM和互聯(lián)網組成。攤鋪機群因相互位置鄰近，通過安裝在攤鋪機上的AP網橋形成局域網，局域網與控制中心通過無線數傳電臺聯(lián)系，當距離較遠時，需加移動通信車。
遠程維護中心：通過互聯(lián)網接收機群控制中心的維護請求及發(fā)出維護指導意見。
機群調度的優(yōu)化目標決定了機群作業(yè)模式的總價值，取決于各種目標因素的綜合考慮?？紤]問題的復雜性，本系統(tǒng)采用定量與定性相結合的方式，綜合考慮施工質量和施工成本雙重因素。主要考慮路面密實度和平整度，在機群調度中通過對運輸車輛的調度保證瀝青混合料的連續(xù)均勻供料，不允許攤鋪機出現停機待料和待攤鋪材料的過多積壓。通過對攤鋪機與壓路機工作狀態(tài)的監(jiān)測與協(xié)調，以最經濟的方式達到路面密實度指標。
6、結論
(1) 在現有瀝青混凝土路面鋪筑工藝模式下，材料的級配離析與溫度離析是制約瀝青路面鋪筑質量的不可控因素，在機群系統(tǒng)中增加具有二次攪拌功能的瀝青混合料轉運車是一種簡便可行的解決途徑，應引起有關管理部門和行業(yè)協(xié)會的重視。
(2) 在高等級路面施工項目中，由于施工機械品種及數量較多，各種機械的運行狀態(tài)具有一定的隨機性，施工機械的優(yōu)化配置及機器狀態(tài)的動態(tài)調節(jié)可為挖掘機器潛能提供技術手段。
(3) 利用網絡、通信、GPS定位等技術，實現施工機群的智能調度和施工環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)控與管理，使瀝青路面施工進入全新的數字化作業(yè)模式，將對我國公路建設和提高工程機械技術水平產生深遠的影響。
