用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统及压实方法

摘要

本发明提出了用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统及压实方法，属于路面施工技术领域，其包括摊铺厚度制定系统、GPS基准站、GPS流动站、激光基准站和自动摊铺控制系统，通过本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统能够实现路面摊铺压实的精准控制，可以精确控制摊铺厚度和平顺度，保证了路面的摊铺压实质量。

权利要求

1.用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其特征在于，包括摊铺厚度制定系统、GPS基准站(1)、GPS流动站(3)、激光基准站(4)和自动摊铺控制系统(5)，所述摊铺厚度制定系统用于根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统(5)；

所述GPS基准站(1)实时向GPS流动站(3)发送差分信号；

所述激光基准站(4)实时采集所处位置摊铺压实路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站(3)；

所述GPS流动站(3)接收GPS基准站(1)发送的差分信号和激光基准站(4)发送的高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成解算后数据，并将该解算后数据发送给自动摊铺控制系统(5)；

所述自动摊铺控制系统(5)接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，并将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业；

实际单层摊铺厚度的确定方法为：

根据摊铺压实经济优化公式：

确定最优的x1值；

其中，a为单次摊铺经济系数，取值范围为0.2‑0.6；b为压实遍数经济系数，取值范围为

0.1‑0.5；c为摊铺层数压实经济修正系数，取值范围为1.0‑1.2；a、b和c均是根据土质决定的，土质越硬，a值越大，土质越难压实，b值越大，摊铺层数越多，c值越大；h为设计摊铺总厚度，单位为m；x1为单次摊铺压实经济厚度，单位为m；y为摊铺压实综合经济值；

根据摊铺厚度标准公式：

确定x2值；

其中，t为测量的已摊铺好的单次摊铺厚度，单位为㎜；λt为单次摊铺厚度为t时对应的单次标准压实系数；λx为设计单次标准压实系数；x2为单次摊铺标准厚度，单位为㎜；

若x1≥x2，则x＝x2；若x1＜x2，则x＝x1；

其中，x为实际单层摊铺厚度。

2.如权利要求1所述的用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其特征在于，所述用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统还包括无线电发射器(2)，所述GPS基准站(1)通过无线电发射器(2)实时向GPS流动站(3)发送差分信号。

3.如权利要求2所述的用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其特征在于，所述GPS基准站(1)为毫米级GPS基准站，所述GPS流动站(3)为毫米级GPS流动站。

4.如权利要求3所述的用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其特征在于，所述自动摊铺控制系统(5)包括接收机、控制器和摊铺机，所述接收机接收GPS流动站(3)发送的实际单层摊铺厚度和解算后数据，根据解算后数据生成实际三维坐标数据，并将该实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度发送给控制器；

所述控制器接收实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度，并将实际三维坐标数据与实际单层摊铺厚度进行对比，生成高程修正信息，同时将高程修正信息换算成比例驱动信号，通过比例驱动信号控制摊铺机进行摊铺施工作业。

5.基于权利要求4所述的用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统的压实方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)摊铺厚度制定系统根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统(5)；

2)GPS基准站(1)实时向GPS流动站(3)发送差分信号；

3)激光基准站(4)实时采集所处位置摊铺路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站(3)；

4)GPS流动站(3)接收差分信号和高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成结算后数据，并将该结算后数据发送给自动摊铺控制系统(5)；

5)自动摊铺控制系统(5)接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业。

说明书

用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统及压实方法

技术领域

[0001] 本发明属于路面施工技术领域，涉及沥青路面摊铺技术，具体为用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统及压实方法。

背景技术

[0002] 路面摊铺是指在修筑公路或者维修公路时，在公路的上基层上方铺设混凝土层、沥青层或其他材料的施工作业过程。现有技术中常用的路面摊铺方法有滑靴法和平衡梁法；滑靴法是将滑靴悬挂在牵引杆上，在滑靴上安装距离传感器，使滑靴在牵引杆的牵引下沿着路面滑行，通过距离传感器测量滑靴距离路面的竖直距离，继而判断路面的摊铺厚度是否均匀；平衡梁法是先要在公路上确定一个基准面，在路基上方搭一个平衡梁，在平衡梁上设置一个传感器，通过传感器控制基准面从而达到自动找平的目的，继而判断路面摊铺的是否平整。现有的这两种方法可实施性都非常好，但是其存在以下问题：

[0003] 1、滑靴法主要控制摊铺厚度，平衡梁法主要控制平顺度，但是其对摊铺厚度以及平顺度的控制精度均较差。

[0004] 2、这两种方法均属于机械式测量方法，现场需要的施工人员均较多，施工劳动量大。

发明内容

[0005] 针对上述滑靴法和平衡梁法，其对摊铺厚度以及平顺度的控制精度均较差的问题，本发明提出了用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统及压实方法，其具体技术方案如下：

[0006] 用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，包括摊铺厚度制定系统、GPS基准站、GPS流动站、激光基准站和自动摊铺控制系统，

[0007] 所述摊铺厚度制定系统用于根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统；

[0008] 所述GPS基准站实时向GPS流动站(3)发送差分信号；

[0009] 所述激光基准站实时采集所处位置摊铺压实路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站；

[0010] 所述GPS流动站接收GPS基准站发送的差分信号和激光基准站发送的高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成解算后数据，并将该解算后数据发送给自动摊铺控制系统；

[0011] 所述自动摊铺控制系统接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，并将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业。

[0012] 进一步限定，所述用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统还包括无线电发射器，所述GPS基准站通过无线电发射器实时向GPS流动站发送差分信号。

[0013] 进一步限定，所述GPS基准站为毫米级GPS基准站，所述GPS流动站为毫米级GPS流动站。

[0014] 进一步限定，所述自动摊铺控制系统包括接收机、控制器和摊铺机，[0015] 所述接收机接收GPS流动站发送的实际单层摊铺厚度和解算后数据，根据解算后数据生成实际三维坐标数据，并将该实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度发送给控制器；

[0016] 所述控制器接收实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度，并将实际三维坐标数据与实际单层摊铺厚度进行对比，生成高程修正信息，同时将高程修正信息换算成比例驱动信号，通过比例驱动信号控制摊铺机进行摊铺施工作业。

[0017] 基于上述用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统实现用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实方法，包括以下步骤：

[0018] 1)摊铺厚度制定系统根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统；

[0019] 2)GPS基准站实时向GPS流动站发送差分信号；

[0020] 3)激光基准站实时采集所处位置摊铺路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站；

[0021] 4)GPS流动站接收差分信号和高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成结算后数据，并将该结算后数据发送给自动摊铺控制系统；

[0022] 5)自动摊铺控制系统接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业。

[0023] 进一步限定，所述步骤1)实际单层摊铺厚度的确定过程为：

[0024] 根据摊铺压实经济优化公式：

[0025]

[0026] 确定最优的x1值；

[0027] 其中，a为单次摊铺经济系数，取值范围为0.2‑0.6；b为压实遍数经济系数，取值范围为0.1‑0.5；c为摊铺层数压实经济修正系数，取值范围为1.0‑1.2；h为设计摊铺总厚度，单位为m；x1为单次摊铺压实经济厚度，单位为m；y为摊铺压实综合经济值；

[0028] 根据摊铺厚度标准公式：

[0029]

[0030] 确定x2值；

[0031] 其中，t为测量的已摊铺好的单次摊铺厚度，单位为㎜；λt为设计单次标准压实系数；λx为单次摊铺厚度为x2时对应的单次标准压实系数；x2为单次摊铺标准厚度，单位为㎜；

[0032] 若x1≥x2，则x＝x2；若x1＜x2，则x＝x1；

[0033] 其中，x为实际单层摊铺厚度。

[0034] 进一步限定，所述步骤5)具体为：

[0035] 接收机接收GPS流动站发送的实际单层摊铺厚度和解算后数据，根据解算后数据生成实际三维坐标数据，并将该实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度发送给控制器；

[0036] 控制器接收实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度，将实际三维坐标数据与实际单层摊铺厚度进行对比，生成高程修正信息，并将该高程修正信息换算成比例驱动信号，通过比例驱动信号控制摊铺机进行摊铺施工作业。

[0037] 进一步限定，所述步骤2)中GPS基准站通过无线电发射器实时向GPS流动站发送差分信号。

[0038] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0039] 1、本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其包括摊铺厚度制定系统、GPS基准站、GPS流动站、激光基准站和自动摊铺控制系统，摊铺厚度制定系统用于根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统，GPS基准站和激光基准站分别向GPS流动站发送差分信号和高程信息，GPS流动站对差分信号和高程信息进行解算处理，形成解算后数据，将该解算后数据发送给自动摊铺控制系统，通过自动摊铺控制系统控制摊铺机进行路面摊铺施工作业。通过本发明的3D智能化数字摊铺压实系统可系统固定误差降至2毫米以下，将水准控制点误差降至1毫米以下，实现路面摊铺压实的精准控制，可以精确控制摊铺厚度和平顺度，保证了路面的摊铺压实质量。

[0040] 2、本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其整个过程是通过自动化设备进行控制的，不需要施工人员进行人为控制，降低了施工人员的劳动强度。

附图说明

[0041] 图1为GPS测量系统的示意图；

[0042] 其中，1‑GPS基准站，2‑无线电发射器，3‑GPS流动站，4‑激光基准站，5‑自动摊铺控制系统。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

[0044] 本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统，其包括摊铺厚度制定系统、GPS基准站1、无线电发射器2、GPS流动站3、激光基准站4和自动摊铺控制系统5，GPS基准站1为毫米级GPS基准站，GPS流动站为毫米级GPS流动站，激光基准站4为PZL‑1激光高程基准站；摊铺厚度制定系统用于根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统5；GPS基准站1通过无线电发射器2实时向GPS流动站3发送差分信号；激光基准站4实时采集所处位置摊铺压实路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站3；GPS流动站3接收GPS基准站1发送的差分信号和激光基准站4发送的高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成解算后数据，并将该解算后数据发送给自动摊铺控制系统5；自动摊铺控制系统5接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，并将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业。

[0045] 其中，自动摊铺控制系统5包括接收机、控制器和摊铺机，接收机接收GPS流动站3发送的实际单层摊铺厚度和解算后数据，根据解算后数据生成实际三维坐标数据，并将该实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度发送给控制器；控制器接收实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度，并将实际三维坐标数据与实际单层摊铺厚度进行对比，生成高程修正信息，同时将高程修正信息换算成比例驱动信号，通过比例驱动信号控制摊铺机进行摊铺施工作业。

[0046] 上述实际单层摊铺厚度的确定方法为：

[0047] 根据摊铺压实经济优化公式：

[0048]

[0049] 确定最优的x1值；

[0050] 其中，a为单次摊铺经济系数，取值范围为0.2‑0.6；b为压实遍数经济系数，取值范围为0.1‑0.5；c为摊铺层数压实经济修正系数，取值范围为1.0‑1.2；a、b和c均是根据土质决定的，土质越硬，a值越大，土质越难压实，b值越大，摊铺层数越多，c值越大；h为设计摊铺总厚度，单位为m；x1为单次摊铺压实经济厚度，单位为m；y为摊铺压实综合经济值；

[0051] 根据摊铺厚度标准公式：

[0052]

[0053] 确定x2值；

[0054] 其中，t为测量的已摊铺好的单次摊铺厚度，单位为㎜；λt为单次摊铺厚度为t时对应的单次标准压实系数；λx为设计单次标准压实系数；x2为单次摊铺标准厚度，单位为㎜；

[0055] 例如：土质为粘性土质，则a＝0.5、b＝0.2、c＝1.1、设计摊铺总厚度h＝1，绘制摊铺压实经济优化曲线，根据摊铺压实经济优化曲线确定x1＝0.33m＝330m；同样的粘性土质，在实际施工中测量上一段以摊铺压实好的路段单次摊铺厚度t＝200㎜，根据《沥青路面项目施工工艺规范标准》查取对应的单次标准压实系数λt＝0.97，设计单次标准压实系数λx＝0.95，则对应的单次摊铺标准厚度x2＝208.5㎜，则x1＞x2，确定实际单层摊铺厚度x＝x2＝208.5㎜。

[0056] 上述摊铺厚度制定系统、GPS基准站1、无线电发射器2、GPS流动站3、激光基准站4、接收机和控制器均为市场上的市售设备，摊铺厚度制定系统为HC‑1‑N5，GPS基准站1拓普康公司的毫米级GPS基准站，无线电发射器2的型号为Plc‑501‑N4，GPS流动站3为拓普康公司的毫米级GPS流动站，激光基准站4的型号为PZL‑1，接收机的型号为MC‑R3，控制器的型号为GX‑60。

[0057] 路面的铺设压实过程是分多段进行，传统的摊铺压实是施工前先在铺设的道路上设置一个试验段，将试验段铺设压实至达标，然后全程按照试验段的标准进行铺设压实，在这样进行施工做操时，在很长的路面上，其在实际施工时难免存在多个施工段之间路面地基的高度有差别，如果按照同一个试验段的标准施工，对于路面地基稍高的，铺设压实好的路面就会高，对于地面地基稍低的，铺设压实好的路面就会低，就会存在路面的平整度差的问题，同时整个铺设压实过程可控性差，没有办法精确控制铺设压实高度，若铺设的稍厚一点点，压实的次数稍多，相应的费用就高，无法满足经济性，若铺设的稍薄一点点，压实的次数稍少，就到不到路面质量的要求。本发明的用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统以及用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实方法，其实际单层摊铺厚度是根据经济分析和摊铺厚度标准综合确定，使每一段的铺设压实厚度既能够满足经济要求，又能够满足质量要求，且单次摊铺标准厚度是根据上一段的单次摊铺厚度计算的，铺设好的路面平整度较好。

[0058] 基于上述用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统实现用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实方法，包括以下步骤：

[0059] 1)摊铺厚度制定系统根据摊铺压实经济分析和摊铺厚度标准确定实际单层摊铺厚度，并将该实际单层摊铺厚度传输给自动摊铺控制系统5；实际单层摊铺厚度的确定方法为：

[0060] 根据摊铺压实经济优化公式：

[0061]

[0062] 确定最优的x1值；

[0063] 其中，a为单次摊铺经济系数，取值范围为0.2‑0.6；b为压实遍数经济系数，取值范围为0.1‑0.5；c为摊铺层数压实经济修正系数，取值范围为1.0‑1.2；a、b和c均是根据土质决定的，土质越硬，a值越大，土质越难压实，b值越大，摊铺层数越多，c值越大；h为设计摊铺总厚度，单位为m；x1为单次摊铺压实经济厚度，单位为m；y为摊铺压实综合经济值；

[0064] 根据摊铺厚度标准公式：

[0065]

[0066] 确定x2值；

[0067] 其中，t为测量的已摊铺好的单次摊铺厚度，单位为㎜；λt为单次摊铺厚度为t时对应的单次标准压实系数；λx为设计单次标准压实系数；x2为单次摊铺标准厚度，单位为㎜；

[0068] 例如：土质为粉性土质，则a＝0.2、b＝0.1、c＝1.2、设计摊铺总厚度h＝1.5，绘制摊铺压实经济优化曲线，根据摊铺压实经济优化曲线确定x1＝0.19m＝190㎜；同样的粉性土质，在实际施工中测量上一段以摊铺压实好的路段单次摊铺厚度t＝220㎜，根据《沥青路面项目施工工艺规范标准》查取对应的单次标准压实系数λt＝0.96，设计单次标准压实系2
数λx＝0.92，则对应的单次摊铺标准厚度x2＝239.5㎜，则x1＜x ，确定实际单层摊铺厚度x＝x1＝190㎜。

[0069] 2)GPS基准站1通过无线电发射器2实时向GPS流动站3发送差分信号；

[0070] 3)激光基准站4实时采集所处位置摊铺路段的高程信息，并将该高程信息发送给GPS流动站3；

[0071] 4)GPS流动站3接收差分信号和高程信息，对差分信号和高程信息进行解算处理，形成结算后数据，并将该结算后数据发送给自动摊铺控制系统5；

[0072] 5)自动摊铺控制系统5接收实际单层摊铺厚度和解算后数据，将实际单层摊铺厚度和解算后数据进行对比，并根据对比结果进行施工作业。

[0073] 自动摊铺控制系统5包括接收机、控制器和摊铺机，步骤5)具体为：接收机接收GPS流动站3发送的实际单层摊铺厚度和解算后数据，根据解算后数据生成实际三维坐标数据，并将该实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度发送给控制器；控制器接收实际三维坐标数据和实际单层摊铺厚度，将实际三维坐标数据与实际单层摊铺厚度进行对比，生成高程修正信息，并将该高程修正信息换算成比例驱动信号，通过比例驱动信号控制摊铺机进行摊铺施工作业；这里的高程修正信息是一种偏差信号，通过这种偏差信号调整现场摊铺机牵引臂液压油缸的比例阀开度，使液压油缸使熨平板进行相应方向和角度的调整，从而使摊铺道面产生坡度和高程变化，弥补路面波动，实现设计要求的路面平整度和厚度。

[0074] 将本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统与现有的滑靴法和平衡梁法在相同的施工条件下进行试验对比，其结果见:表1和表2：

[0075] 表1：本发明与滑靴法和平衡梁法误差对比

[0076]

[0077] 表2：本发明与滑靴法和平衡梁施工平整度与平顺度对比

[0078]

[0079] 通过表1和表2分析可知，本发明用于路面施工的3D智能化数字摊铺压实系统与现有的滑靴法和平衡梁法相比，施工精度高，误差小，其系统固定误差小于2毫米，水准控制点误差小于1毫米，摊铺机系统稳定性误差小；能够对摊铺过程的高程进行准确控制，结合摊铺机的找平原理，平整度精度可小于2毫米。