激光雷达测距传感器在路缘石滑模摊铺机的改造与应用

激光雷达测距传感器在路缘石滑模摊铺机的改造与应用

张航  ,黄方麒

中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830

【摘　要】在我国的市政道路建设中，路缘石滑模摊铺机得到广泛的应用。本文以金简仁快速路项目路缘石施工为例，介绍了在传统滑模摊铺机上加装自适应找平系统并成功用于实践生产，并基于此总结了一些经验。经过实践证明，改装后的滑模摊铺机在路缘石的施工效率，外观质量上具有很好的经济效益。

【关键字】滑模摊铺机；找平；路缘石；

一、工程概况

金简仁快速路二期项目设计为一级公路标准、时速为80km/h，工期为一年。本标段（SG14）分为两段施工，第一段，起于太平桥镇永平村与草池镇君桥村交界处，起点桩号K39+600，向南进入草池镇，本段止于草池镇团林寺村，止点桩号K45+800，长6.2km，标准路幅宽48m。路缘石尺寸设计为50*17cm，采用C40标号混凝土，沿中央分隔带及侧分带设置。

本项目路缘石采用滑模摊铺机施工，采用江苏四明工程机械有限公司生产的SMC-4000多功能路缘石滑模机。由于该机械采用钢丝线找平法，在施工作业过程中需要人为调整模具标高进而会导致生产效率较低、质量控制效果不佳、人力成本升高。本项目通过对该设备基于激光雷达技术进行自动找平升级，进而提高生产效率，节约人力成本，保证路缘石外型美观、线性平整。

二、找平方案对比

2.1钢丝线找平法

传统的路缘石滑模机采取钢丝线找平法，以钢丝线为找平基准，通过人工不断调整设备施工高程以达到较好的施工效果【1】。该方法是比较原始和传统的找平方法，由于基准线不受下层平整度影响，虽然纵坡能很好地符合设计要求，但是由于路缘石模具高度不变，故而当下层（即上基层）不平或标高差距较大时会严重影响模具工作；由于在作业开始前要提前做好测量放线，根据测量点线设置支撑架，然后计算出设计高程，按要求将钢丝线调整到要求的高程，需要有一定的人力和材料投入，每次摊铺前都要重复做同一项工作，长期施工会加大成本；且控制点受到人为因素影响和外界因素干扰，影响精度。导致采用这种方法施工想要达到较好平整度的要求十分困难，同时施工效率较为低下，无法满足施工进度要求。

2.2非接触式找平法

非接触式找平装置与钢丝找平系统相比，从根本上对设备的测量传感器 和控制系统进行了改革非接触式找平装置具有更多优点：体型小巧、操作简易，数字控制、不产生机械误差，适用于狭窄、复杂路面的施工，处理对接缝和井盖时效率更高，能够和各种型号的滑模机对接，非接触式找平装置运用计算机进行控制操作，在对距离、 输出量、误差大小、内部参数等信息进行设定后，设定数据能够直接被显示出来，通过按键可以直接设置模具的工作高度。

2.3找平方案确定

基于以上，本项目对现有的传统路缘石滑模机进行了加装自适应找平系统的自动化改装，旨在最大程度上利用现有资源，以实现良好的经济效益。自适应找平系统以非接触式测距传感器为核心，电机驱动模具高程变化为实现手段。自适应找平系统包含距离检测子系统，计算子系统，控制子系统三大系统。本项目核心器件为检测子系统的激光雷达测距传感器，在考察对比多家设备厂家后，选择了上海兰宝PDB-CC50DGR激光测距传感器。该传感器体积小巧，所需安装控件小，重量轻便，易于安装，是移动物体上安装的理想之选，相对于分体式架构，减少空间需求，降低故障点。主要性能如下：

输出方式：1路推挽输出 +RS485（支持 ModBus 协议）、1路推挽输出 +4mA~20mA 模拟电流

检测范围：35mm~500mm；

线性度：±0.3%F.S.；

响应频率：500Hz；

电源电压：10~30 VDC；

重复精度：Min.±25μm

三、滑模摊铺机设计

3.1自适应找平系统的设计

自适应高度调整系统是新型路缘石滑模机的重要组成部分【2】，集控制技术、机械设计、检测与转换技术等于一体，主要由找平仪检测装置和控制系统等组成。当作业路面不平时，滑模机通过高度调整系统在找平仪调高范围内实时调整高度适应路面变化，使滑模机达到最佳作业效果。

滑模机作业时，首先由检测系统检测出本作业面采样点的高度控制信号，由计算系统计算出采样点与模具高差，高差信号输入控制系统并控制电机调整模具到输入高度后出料。程序图见图1

计算系统将采集设备运行速度，模具转动角位移，采样点高程。这些控制信号经专家PID控制算法控制滑模机的升降电机，使滑模模具上升或下降，对滑模机位置进行及时调整，实现滑模机的自适应高度变化，以保证作业效果。本控制系统运行实践结果表明：控制器的鲁棒性好，控制精度高，能很好地适应外界条件变化，有较强的抗干扰能力，在控制过程中专家PID控制器的控制与决策符合人的思维逻辑，有较高的人工智能效果【3】。

在滑模摊铺机上安装模具时确保模具与机身平行，滑模摊铺机现场就位后确保机身与基准线平行。在滑模现浇施工中为了保持整体外观质量美观及线性平整，有一些工作也必须由人工来完成，包括路缘石表面抹光、对路缘石缺口部位进行修补以及清理散落的混凝土等，实际配备的工人数量由具体的工作量来定。

3.2摊铺速度控制

传统的路缘石滑模机在施工前需要在施工路线上布设校多高程控制点，并布设钢丝线用于找平。滑模机在施工运行间需要报读高程数据并人工调节模具高度，严重影响施工速度。当钢丝线受到外界干扰造成较大误差时还需停止施工矫正高程，这就导致摊铺过程中断，不仅严重影响施工进度还不利于提高路缘石的平整度和线形精度。加装自适应找平系统后不需要提前布设高程控制点，设备由自带传感器感知高程并依据设计地形自动调整，由于不需要人工调整高度，故而加快了施工进度。由于该系统良好的算法调教，经过实地实验后摊铺时滑模机速度可以控制在3.5m/min以上，相对于传统滑模机1.5-2m/min的速度有较明显的提升。在多次实验后，调整PID算法参数可使得摊铺速度和供料速度合理匹配，最终有利于路缘石的整体线性保持平整、连续。

四、经济效益和社会效益

4.1经济效益对比

研究成果在金简仁快速路路缘石施工中得到应用，经过加装该系统，项目取得了一定的经济效益，并促进工程项目的积极性发展。通过前期对传统钢丝找平法施工流程的跟踪及统计与对加装自适应找平系统之后施工流程的统计得到以下表格（表1）。

                        （表1）

在施工准备阶段，传统的滑模机需要做较多的前期工作，需要3名技术人员测量高程控制点、钢丝线铺设；在加装自适应找平系统后仅需两名技术人员花费十分钟即可调试好设备。

在施工阶段,技术人员需要根据高程控制点不断调整模具位置，影响了设备铺设速度；在加装自动找平系统后，可省去一名调整标高的技术人员，由于不需要停止设备调整高程，故而摊铺速度得以提高，进而加快施工进度。在滑模机摊铺过程中由于底面不平整和模具高度调整误差较大的原因，可能会导致模具出料后出现质量缺陷，如底面不平导致的混凝土倒伏，模具与底面高差较大导致的混凝土大裂缝。在出现较大质量缺陷后需要安排辅助工及时处理，并停止路缘石铺设，由此会造成材料的浪费和施工节奏被打断。加装自动调平系统后，提高了模具与地面高差精准度，明显抑制了出料后混凝土倒伏与混凝土大裂缝的问题。由施工统计的数据大概估算可知，加装自适应找平系统前后平均每100m可减少4m倒伏，大裂缝路缘石混凝土。质量缺陷的减少不仅可以节约处理缺陷问题的辅助工还可以大大提高路缘石的施工进度，平均辅助工可减少3人，摊铺速度可提高1.5m/min。

4.2质量控制对比

在加装自适应找平系统后，路缘石施工质量得到了显著提升，通过前期对传统钢丝找平法施工流程的跟踪及统计与对加装自适应找平系统之后施工流程的统计得到以下表格（表2）。

（表2）

由于激光雷达测距传感器相对于传统的钢丝线具有更高的测量精度，故而该工艺生产的路缘石具有更美观，线性更流畅的优点，特别体现在其对路缘石顶面高程控制方面。

五、结语

由本项目研发的自适应找平系统成功应用与金简仁快速路SG14标段的路缘石施工。为项目部节约约90万元人工材料费，在工程质量得到提高的同时，减少施工工期约15日。

自适应调平系统为智能工地的一个重要组成模块，它不仅可以用于路缘石铺设，还可以用于水稳层与沥青路面铺筑、平地机作业等多方面。

在施工过程中，不断分析与探讨，总结特点与经验，并积极主动地采取针对性地改进措施，从而实现对滑模摊铺机现浇路缘石施工全过程的监督与管理，确保滑膜摊铺机现浇路缘石的整体施工安全与质量，为金简仁快速路的稳步推进提供保障。

参考文献

[1]蔡海霄.非接触——智能化摊铺机新宠[J].交通世界,2006(09):40-43+18.DOI:10.16248/j.cnki.11-3723/u.2006.09.007.

[2] 陈立东,陈秀宏,王卫东,郭广亮,刘荣昌,张亮,冯利臻,李国昉.新型路缘石滑模机的初步设计[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(10):106-110.

[3]陈立东,陈秀宏,王卫东,郭广亮,刘荣昌,张亮,冯利臻,李国昉.新型路缘石滑模机的初步设计[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(10):106-110.

作者简介

张航（1988-），男，四川成都，中国水利水电第十工程局有限公司，工程师，本科，从事公路工程施工与管理工作

黄方麒（1989-），男，四川都江堰，中国水利水电第十工程局有限公司，工程师，本科，从事公路工程施工与管理工作

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