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            三一重工智能碾壓系統在路面施工中應用研究
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            三一重工智能碾壓系統在路面施工中應用研究
            2022年07月29日    閱讀量:85193    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

            摘 要

            三一重工研發的智能碾壓技術是通過在壓路機上安裝智能監測與控制體系,實時獲得路面碾壓各項數據,實現對路面壓實度、滲水、構造深度均勻性進行控制。對溧高高速公路路面智能碾壓段中間帶邊緣、路肩邊緣和行超車道內隨機取樣,其滲水系數、構造深度均值、方差假設檢驗P值均大于0.05,說明其滲水、構造深度均值、方差均相等,表明路面碾壓均勻,而在普通碾壓段內相應位置取樣,得到結果完全相反。對智能壓實值與壓實度關系研究發現智能壓實值與壓實度相關關系較弱,但其仍可準確地反映路面壓實效果瀝青網sinoasphalt.com。由此得出結論:智能碾壓技術對路面壓實效果優于普通碾壓,智能壓實值可以作為路面碾壓過程控制重要參數,這一技術值得推廣應用。


            關鍵詞

            道路工程 | 智能碾壓系統 | 壓實均勻 | 假設檢驗 | 滲水系數 | 構造深度 | 壓實度


            溧陽至高淳高速公路全長36km,路面結構型式為:8cm粗粒式瀝青混凝土Sup-25+6cm中粒式SBS改性瀝青混凝土Sup-20+4cmSBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA-13S。瀝青路面施工采用三一重工研發的路面智能碾壓輔助系統,該系統是在壓路機上配備相應設備,通過溫度傳感系統獲取混合料溫度信息、通過GNSS導航系統獲取壓路機軌跡信息和碾壓遍數信息、通過加速度傳感器獲取壓路機行駛速度信息和路面壓實效果信息,并將這些信息存儲在云端,實現路面各項碾壓信息實時查詢、實時控制以及事后追蹤溯源[1]。三一智能碾壓系統核心技術是通過安裝在壓路機鋼輪上的加速度傳感器,根據路面與振動壓路機相互動態作用原理,連續量測壓路機振動輪豎向振動響應信號,建立檢測評定與反饋控制體系,實現對整個碾壓面壓實質量實時動態監測[2]。


            智能碾壓系統應用研究內容


            普通碾壓與智能碾壓壓實度比較研究


            一套合理碾壓組合是保證路幅全斷面壓實均勻的前提,碾壓后路面壓實度將會在規范允許偏差、均值以及目標值附近小范圍波動。溧高高速公路瀝青上面層壓實度控制范圍為(94%,96.5%),目標值為96%。路面施工采用兩種碾壓組合方式,即傳統非智能碾壓組合方式(普通碾壓)和智能碾壓組合方式。


            分別研究普通碾壓段和智能碾壓段壓實度檢測數據分布特征,通過分析壓實度平均值、標準差、變異系數、過程性能指標等,確定壓實度在路幅全斷面均勻性。同時,過程性能指標還可以反映普通碾壓和智能碾壓壓實度控制水平優劣。


            普通碾壓段和智能碾壓段滲水系數和構造深度研究


            路面壓實均勻性另外兩項評價指標是滲水系數和構造深度。在攤鋪機攤鋪后瀝青混合料均勻前提下,選擇合理碾壓組合方式是保證滲水系數、構造深度均勻的重要條件。


            分別研究普通碾壓段和智能碾壓段滲水系數、構造深度檢測數據在路幅全斷面分布特征,對比均勻性。


            智能壓實值與壓實度之間相關性研究


            智能壓實值即路面對鋼輪振動所產生的抗力與壓路機鋼輪振動的激振力之比。研究路面壓實度與智能壓實值是否存在相關關系。


            假設檢驗技術原理和方法


            假設檢驗原理


            統計分析中,當比較兩個總體之間差異時,通常用到假設檢驗技術。對于判斷“采用智能碾壓技術后,路面均勻性是否有所提高”,需要在普通碾壓段和智能碾壓段分別取樣,通過樣本觀測數據分布情況,用假設檢驗方法去推斷這兩個總體均值和方差是否相等。


            假設檢驗是根據樣本觀測值是否落入應該拒絕的域做出統計判斷。假設檢驗兩個基本原理是“帶有概率性質的反證法原理”和“小概率事件的原理[3]”。數理統計目的是利用抽樣獲取數據去推斷總體情況[4]。在進行假設檢驗時,首先應建立原假設H0和備擇假設H1。為了檢驗H0是否正確,需要先假定它正確,看由此會出現何種結果,如果樣本觀測值出現了一個與H0應有結果明顯矛盾情況,則表示“H0正確”這一假設錯誤,于是拒絕H0;若未出現矛盾,則說明“目前還沒有找到足夠理由拒絕H0”。反證法意義就在于,如果想證明H1成立,則需要證明H0不成立,如果沒有充分理由拒絕H0,那么就必須接受H1。小概率事件原理是指,在一般情況下小概率事件不可能發生,如果它竟然發生了,只能說明當時假定H0并不正確,因此應該拒絕H0。


            假設檢驗一般步驟


            (1)建立假設。將滲水系數、構造深度和混合料篩分取樣點分成3個區域:行車道、超車道為A區域,超車道外側距離路緣石10cm左右帶狀區域為B區域,行車道外側距離路肩內側10cm左右帶狀區域為C區域。


            建立均值μ和方差σ2一系列假設,見表1。

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            (2)選擇假設檢驗統計量,確定拒絕域形式。如果比較總體均值μ,則可以由樣本均值引出檢驗統計量;如果比較總體方差σ2,則應該從樣本方差引出檢驗統計量[5]。根據檢驗統計量值,把樣本空間分成拒絕域和接受域,當樣本落在拒絕域中就拒絕原假設,否則就接受原假設。


            (3)確定檢驗顯著性水平α。由于樣本隨機性,出現統計誤判概率不能超過某一水平α,由此給出檢驗水平為α的顯著性檢驗,稱α為顯著性水平[6],通常取α為0.05。


            (4)根據樣本觀測值,計算檢驗統計量值并進行判斷。用P(發生概率)值檢驗法進行判斷,當P值大于0.05時,接受原假設,當P值小于0.05時,拒絕原假設。


            過程性能指數


            過程能力指數(用Cp表示)是六西格瑪管理重要過程評價指標[7],它表示施工過程滿足規范要求能力。它將過程可控性(控制圖無異常)和過程波動性(標準差)都予以考慮,能夠更合理地反映施工水平高低。


            當一個過程處于穩態時(即控制圖無異常,或者數據呈正態分布),過程能力指數Cp可以通過下式計算。

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            對于長期能力,也可采用過程性能指標Pp表示。過程性能指標計算公式與過程能力指標計算相似,只是標準差σ直接使用樣本標準差s,不需要進行修偏。


            由于公路工程具有材料變差大、工程內在質量形成機理復雜等特殊性,對過程能力指數Cp和過程性能指數Pp要求不宜過高[8]],當Cp 或Pp 達到0.6時,其過程合格率約為90%,當Cp 或Pp 達到0.67時,其過程合格率已超過95%,如果Cp 或Pp達到1.0時,過程合格率就已經達到了99%。


            取樣方法


            (1)取樣方式。壓實度取芯位置為在碾壓路幅內按路線長每100m隨機選取1點方式進行。在對壓實度與智能碾壓壓實值進行對比時,智能壓實值取值為芯樣點前后各100cm范圍內隨機抽取6個智能壓實值平均值;滲水系數、構造深度則在A、B、C三個區域內隨機取樣。


            (2)最小樣本量確定。統計推斷結論是否可靠,最基本條件之一是樣本量要足夠。最低樣本數可以通過MinitAB軟件雙樣本中“樣本數量檢驗”來確定。經MinitAB軟件計算,得出滲水系數假設檢驗最小樣本量為106個,構造深度假設檢驗最小樣本量為60個;壓實度假設檢驗最小樣本量為68個。在進行回歸分析和相關性分析時,取樣數不低于25個。


            在取樣時,以不低于最低樣本數量前提下進行。


            數據分析


            路面均勻性假設檢驗


            壓路機碾壓后路面是否均勻,可以通過滲水系數和構造深度檢測數據驗證。首先在普通碾壓段和智能碾壓段各自A、B、C區域內隨機取樣,判斷其滲水系數和構造深度數據分布是否均勻,并分析智能碾壓和普通碾壓組合優劣。


            (1)智能碾壓段路面均勻性分析。以智能碾壓段A區域和B區域滲水系數均值和方差假設檢驗為例來研究智能碾壓段路面壓實后均勻性。


            在A、B、C三個區域滲水取樣數量各為156個,滿足最小樣本量要求。


            用MinitAB對其假設檢驗。進入統計>基本統計量>雙樣本(T),選擇原假設H0:μA-μB=0,備擇假設H1:μA-μB≠0。軟件輸出見表2。由表2可以看出,通過兩種方法判斷智能碾壓段A 區域與B 區域滲水系數均值相等。一種是置信區間法,原假設差值=0,正好位于其95%置信區間(-2.19,1.84)內,可以認為,二者均值相等。另一種方法是P 值檢驗法,P 值=0.863=>0.05,則接受原假設。

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            智能碾壓段A、B區域滲水系數方差是否相等。進入MinitAB,統計>基本統計量>雙方差(A),原假設σ2/σ2=1,備擇假設σ2/σ2≠1,軟件輸出見表3。


            由表3可以看出,通過置信區間法和P值檢驗法獲得智能碾壓段A、B區域方差相等結論。A、B區域滲水系數均值和方差均相等,認為A、B區域滲水系數均勻。用同樣方法,對表1中所列Z1、Z2、Z3、Z4其他情況進行假設檢驗,得出了智能碾壓段滲水系數、構造深度在A、B、C三個區域內均值和方差均相等,說明智能碾壓段路面鋪筑均勻。

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            (2)普通碾壓段路面均勻性分析。以普通碾壓段A區域和B區域滲水系數均值和方差假設檢驗為例來研究普通碾壓段路面壓實后均勻性。


            普通碾壓段A、B、C三個區域滲水取樣數量各為156個,滿足最小樣本量要求。


            用MinitAB完成其假設檢驗。進入統計>基本統計量>雙樣本(T),原假設H0:μA-μB=0,備擇假設H1:μA-μB≠0。軟件輸出見表4。

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            由表4可以看出,原假設差值=0,不在(-9.55,-4.03)區間內,且P值=0.000<0.05,拒絕原假設,接受備擇假設,說明普通碾壓段A、B區域滲水均值不相等。


            同樣方法,可以通過置信區間法和P值檢驗法獲得普通碾壓段A、B區域方差不相等結論。


            普通碾壓段A、B區域滲水系數均值和方差均不相等,認為普通碾壓段A、B區域滲水系數不均勻。


            對表1所列P1、P2、P3、P4其他情況進行假設檢驗,得出了普通碾壓段滲水系數、構造深度在A、B、C三個區域內均值和方差均不相等,說明普通碾壓段路面鋪筑不均勻。


            (3)驗證智能碾壓段和普通碾壓段滲水系數哪個更優。對表1中ZP1和ZP2兩個假設進行檢驗。按上述方法,對于均值檢驗,H0:μ智-μ普=0,H1:μ智-μ普<0檢驗P值=0.024<0.05,則拒絕原假設;對于方差檢驗,H0:σ2智-σ2普=0,H1:σ2智-σ2普<0檢驗P值=0.015<0.05,則拒絕原假設。由此得出結論,智能碾壓段路面滲水確實優于普通碾壓段路面滲水情況。


            路面均勻性變異源分析


            研究認為智能碾壓段路面均勻程度優于普通碾壓段。影響瀝青路面均勻性因素有很多,如混合料級配均勻性、攤鋪機攤鋪均勻性以及碾壓溫度等因素。如何才能確定路面壓實均勻性是由壓路機組合原因導致,從兩個步驟來分析路面均勻性變異產生原因。


            (1)確認在壓路機組合碾壓之前,混合料在A、B、C三個區域內都均勻。分別在智能碾壓段和普通碾壓段攤鋪機攤鋪后隨機抽取混合料,在A、B、C三個區域取4次/d,每次隨機取3個點抽提篩分,共取10d。然后進行假設檢驗。


            以普通碾壓段為例,將取得的樣品抽提篩分,通過篩孔13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm。然后建立原假設和備擇假設,分析比較A、B、C三個區域內樣本各篩孔通過率均值和方差是否相等,如果相等,則說明攤鋪機攤鋪后路面均勻。反之亦然。經假設檢驗,得到P值>0.05,說明方差和均值均相等。路面不均勻是由碾壓組合引起。


            同理,智能碾壓段也得出了同樣結論。實際上,只需證明普通碾壓段攤鋪機攤鋪后路面均勻即可。


            (2)變異源多變異圖[9]。分別在智能碾壓段和普通碾壓段隨機做滲水試驗,取15點/d,連續取10d。將檢測數據用MinitAB做變異源分析。進入統計>質量工具>多變異圖,輸出圖形見圖1。

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            由圖1可以看出,滲水系數在每次檢測之間有差異,但差異最大的還是智能壓路機與普通壓路機之間差別。


            將方差分析數據繪制排列圖[10],見圖2。

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            由圖2可以看出,引起滲水變化主要原因亦即路面均勻性變異來源于壓實組合。


            壓實度過程能力分析


            為進一步分析智能碾壓與普通碾壓對于路面均勻性影響,還可采用過程性能指數判斷。過程性能指數越大,說明碾壓效果越好。比較智能碾壓段和普通碾壓段在壓實度方面優劣,通過變異系數和過程性能指數來判斷,變異系數大,說明壓實度越不均勻。


            分別在智能碾壓段和普通碾壓段隨機鉆取102個芯樣進行壓實度試驗。過程能力分析結果見圖3。

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            由圖3可以看出,計算得到普通碾壓路段壓實度變異系數Cv1=0.4%,過程性能指數Pp1=1.12;智能碾壓路段壓實度變異系數Cv2=0.3%,過程性能指數Pp2=1.39,說明智能碾壓段路面壓實度均勻且遠優于普通碾壓段。


            智能壓實值與壓實度的關系


            智能碾壓系統是通過壓路機與瀝青路面作用采集智能壓實值作為路面壓實控制值,智能壓實值與壓實度之間相關關系:


            現做以下試驗。在智能碾壓段隨機鉆取80個芯樣,記錄每個芯樣確切位置并檢測其壓實度。然后,從智能碾壓平臺中獲取這80個芯樣所對應位置前后6個智能壓實值平均值作為對應點智能壓實值。


            建立原假設H0:相關系數ρ=0;備擇假設H1:相關系數ρ≠0,用MinitAB做假設檢驗。得到相關系數r=0.251,P值=0.025<0.05,拒絕原假設,即相關系數ρ≠0,二者存在相關性[11]。由于相關系數過小,則認為這種相關關系非常微弱,對數據線性擬合,得到擬合優度R-Sq只有6.31%(一般情況下,擬合優度應至少大于70%),說明相關關系不強。另外,可以通過散點圖[12]分布來了解相關性,見圖4,壓實度與智能壓實值之間相關關系非常弱。

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            智能壓實值與壓實度之間為什么只存在微弱相關關系。將壓實度和智能壓實值原數據二次擬合,發現擬合優度R-Sq提升至21.7%,推斷與智能壓實值相關的除了壓實度外,還可能有其他材料特性與之相關,如材料剛度、結構層厚度等,這需要進一步研究。


            雖然智能壓實值與壓實度之間相關關系較弱,但仍可斷定智能壓實值可以全面地反映路面壓實質量好壞。這一結論可以從智能壓實值隨碾壓遍數變化情況中得到。


            每天獲取一次智能壓實值數據,共獲取5d。每次從碾壓第1遍開始至第8遍結束,每1遍獲取12個數據平均值作為本遍智能壓實值,然后進行趨勢分析,見圖5。從智能壓實值變化趨勢看,隨著碾壓遍數增加,智能壓實值也隨之增加,當智能壓實值達到最大值以后,會隨碾壓遍數增加而略減小。由此也可以斷定,碾壓遍數達到第5遍,壓實度也應該達到最大值,而繼續碾壓時,由于路面剛度增加,致使路面表面對鋼輪反彈力一部分變成了鋼輪勢能(鋼輪反彈高度增加),從而使智能壓實值減小。

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            雖然智能壓實值與壓實度相關性較弱,但仍然可以根據智能壓實值變化趨勢來定量地判斷路面壓實效果,可以作為路面的過程質量控制。


            結語


            智能碾壓輔助系統通過對碾壓溫度、速度實時控制以及對智能壓實值實時采集,實現了路面壓實自動分析、判斷和控制目的,對路面耐久性提高起到促進作用。


            (1)研究利用假設檢驗技術,通過對智能碾壓段和普通碾壓段滲水系數、構造深度以及壓實度分析對比,得到了“智能碾壓段路面均勻性優于普通碾壓段”。


            (2)通過相關性分析,得到“智能壓實值與壓實度之間存在弱相關但仍可以采用智能壓實值來進行路面壓實質量控制”結論。


            (3)智能碾壓系統必將成為未來公路路面工程施工質量過程控制必需設備。由于條件所限,對于智能壓實值與壓實后瀝青混凝土路面力學性能之間關系尚需進一步研究,如在一定壓實度條件下,智能壓實值與結構層厚度、路面剛度以及壓實度等之間是否存在線性或非線性相關關系等研究將對于智能碾壓系統更廣泛應用起到理論指導作用。

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            標簽:工程機械,綜合論文,技術中心
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