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清华大学学报 (自然科学版)
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大型填筑工程 ３D 打印技术与应用
刘天云
(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 １０００８４)
摘
要:为探索快速、高效的填筑工程建造方法,该 文 介 绍
了一项填筑工程 ３D 打印技术及其多种机器人装备 系 统.该
技术系统由填筑工程 ３D 打印技术调 度 系 统 和 ３D 打 印 流 水
线机器人作业系统两部分组成.基于填筑工程 ３D 数 字 设 计
模型,３D 打印技术调度系统根 据 施 工 组 织 设 计 进 度 对 填 筑
工程 ３D 数字设计模型进行分层“切片”,获得单层施 工 填 筑
料信息,规划配 料 路 径,存 入 填 筑 工 程 调 度 数 据 库 以 便 共
享.填筑料开采、配送、智能摊铺与碾压环节的工程 机 器 人
根据任务进行高效的流水线作业,在线检测填筑质量,实时
２０ 世纪末提出 的 ３D 打 印 技 术 从 过 去 的 “减 料
加工”跨越到“添 料 加 工”,使 制 造 效 率 得 到 极 大 的
提高,推 进 了 制 造 业 数 字 化 历 史 性 的 变 革.同 时,
医疗、汽车、航天等领域的科学家和工程师也将 ３D
打印 技 术 理 念 引 入 到 各 自 领 域,成 功 地 推 动 了 ３D
打印技术广泛应用和快速发展.
工程建设行业为了降低建设成本、实现快速施
工、提 高 施 工 质 量、便 于 工 程 项 目 管 理,也 逐 渐 引
反馈施工状态信息.填筑工程 ３D 打印系统完全在调 度 控 制
进了 ３D 打印技术理 念,并 从 建 筑 设 计 到 施 工 都 开
建造.
印多层简易结 构 房 屋 等.由 于 实 际 建 筑 结 构 复 杂、
下逐层填筑,层层循环,直至完成 整 个 填 筑 工 程 的 ３D 打 印
关键词:填筑工程;工程机器人;无人驾驶技术;人工智能
中图分类号:U４５
文献标识码:A
DOI:１０．
１６５１１/
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２０２２．
２５．
０４５
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展了探索研究,如 ３D 打印简单混凝土桥 梁、３D 打
体积庞大,模仿制造 业 的 ３D 打 印 技 术 至 今 还 没 有
获得实际应用.
但工程建设行业中有一类建造工艺相对单一的
填筑 工 程,如 水 利 大 坝、高 速 公 路、填 方 机 场 等 工
程,其 建 造 过 程 与 ３D 打 印 过 程 “天 生”的 相 似 [１].
例如,土石坝工 程 建 造 过 程 以 二 维 CAD 设 计 图 纸
为指导,从 图 纸 中 提 取 施 工 信 息,并按施工组织计
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划在填筑坝面上进行流水线作业,包括坝料开采、坝
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料运输、坝料摊铺以及坝料碾压 ４ 个部分:坝料开采
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单位通过平面图计算各种坝料的需求量,分 配 给 各
料场进行坝料开采;待备料完成,坝料运输单位根据
填筑施工断面的大小、施工环境、上坝交通环境安排
调度运输车辆进场运输,并在现场调度下卸料;待卸
料完成,推土机对坝料进行摊平;然后,碾压机根据
碾压参考遍数、参考值在填筑面上进行碾压,最后用
合适的方法在填筑面上的抽样点进行压实质检实验,
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保证每一施工段的施工质量符合碾压要求.
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收稿日期:２０２２
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作者简介:刘天云(
１９６８—),男,副研究员.
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基金项目:国家自然科学基金重点资助项目 (
４１９６１１３４０３２)
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清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
２
由此 可 见,填 筑 工 程 流 程 与 ３D 打 印 技 术 理 念
要途径是机器学习 [３],需要特别说明的是深度 学 习
划调度决策和运行操作决策主要依赖管理者、调度
习则是实现机器智能决策的最有效方法.工程建设
一致,但不同的是填 筑 建 造 过 程 运 行 管 理 决 策、计
已经在信息感知方面获得了极大成功 [４],而强 化 学
员、工程师等技术型 工 作 者 人 工 操 作,受 人 为 因 素
装备智能化,尤其是研发无人驾驶的工程建设机器
影响大,经常导致如下问题:
人 [５]更是引领未来的一项新技术.
１)土石坝施 工 主 要 依 赖 于 对 二 维 平 面 设 计 图
的阅读,要求读图人 要 有 一 定 的 识 图 能 力,在 施 工
现场,施工人员的识 图 水 平 不 一,只 有 少 部 分 施 工
人员能比较准确并快速地完成读图,所以易影响施
工质量,出现施工材 料 不 能 得 到 充 分 利 用、施 工 误
差较大、施工效率低等问题;
２)施工信息 的 提 取 主 要 基 于 工 程 设 计 二 维 平
面图,坝料需求量的 提 取 方 法 比 较 粗 糙、精 确 度 不
高、信息误差较大;
３)运输车辆 卸 料 主 要 依 靠 施 工 人 员 在 现 场 协
调安排完成,施工人员根据施工平面设计图在施工
面上划分卸料区域,再 进 行 现 场 的 卸 料 指 挥,指 挥
运输车在指定位置完 成 卸 料,整 个 过 程 中,施 工 人
员规划卸料点的参考是施工设计平面图,容易导致
卸料点位置模糊、施工误差大的问题;
综上所述,将人 工 智 能、工 程 装 备、工 程 技 术
与工程科学深度交叉融合,实现填筑工程智能建造
的 ３D 打印技术时机 已 经 成 熟.本 文 作 者 及 其 团 队
研发了多 种 人 工 智 能 机 器 人 协 同 作 业 的 填 筑 工 程
[]
３D 打印装备 技 术 系 统 １ ,并 开 展 了 多 项 示 范 工 程
实践.本 文 将 介 绍 部 分 探 索 成 果:首 先,是 填 筑 工
程 ３D 打印技 术 的 整 体 框 架 与 智 能 调 度 系 统 平 台;
其次,是多种工程建 设 智 能 机 器 人 的 研 发,实 现 工
艺的 程 序 化、标 准 化 与 自 动 化;再 次,是 填 筑 质 量
的实 时 在 线 检 测 技 术 的 研 发;另 外,是 土 石 坝、碾
压混凝土坝与高速公路等 填 筑 工 程 采 用 ３D 打 印 技
术的工程实践 与 示 范;最 后,介 绍 填 筑 工 程 ３D 打
印技术目前亟需解决的关键问题.
１ 填筑工程智能调度管理与决策
４)碾压机碾 压 坝 料 过 程 中 碾 压 路 线 主 要 依 靠
驾驶员控制,在完成 参 考 碾 压 遍 数 的 前 提 下,对 施
具挑战的问题,亟 需 实 现 机 器 决 策 代 替 人 工 决 策,
工面抽样点进行现场质检实验,整个过程基本靠人
改变目前建造过程运行管理决策、计划调度决策和
工完 成,易 导 致 施 工 精 度 不 高、质 量 控 制 无 法 保
运行操作决策主要依赖人工完成的现状.填筑工程
证、施工效率较低等问题;
的 ３D 打印技术系统 如 图 １ 所 示,包 括 工 程 建 设 调
５)土石坝施 工 过 程 各 工 序 交 叉 作 业 极 易 出 现
安全问题.
因此,填筑建造的复杂过程仅依靠人工决策与
操作 已 经 无 法 满 足 工 程 建 造 的 要 求,亟 需 借 鉴 ３D
复杂的填筑建造过程的优化决策调度一直是极
度中心系统和 ３D 打 印 流 水 线 作 业 系 统.其 中,工
程建设调度中心系统在土石坝填筑工程中起着中枢
的作用,通过无线网络和现场施工流水线作业的施
工设备进行数据交互,控制和调度土石坝的施工和
打印技术理念,采用 计 算 机 统 一 调 度 与 控 制,即 使
进度,调度各个施工工序在施工工作面上做高效的
用机器感 知 代 替 人 为 感 知、机 器 决 策 代 替 人 工 决
流水线作业,并实时 监 控 施 工 现 场 施 工 质 量.土 石
策、机 器 自 动 驾 驶 代 替 人 工 驾 驶.这 样,可 将 作 业
坝 ３D 打印技术调度系统 的 核 心 是 利 用 计 算 机 对 工
人员 从 繁 重、重 复、危 险 的 环 境 中 解 脱 出 来,既 能
弥补高技能从业劳动力资源短缺的问题,又能避免
建造过程受人为因素影响,实现填筑工程建造过程
程建设 ３D 数字模型“切 片”为 一 系 列 工 序,并 组 织
与调度相关的工序;现 场 ３D 打 印 流 水 线 施 工 作 业
的标 准 化、精 细 化、智 能 化,进 一 步 提 升 质 量 与 安
全保障.
目前,人工智能技 术 正 在 改 变 人 类 学 习、工 作
和生活方式,推动 人 类 社 会 步 入 智 能 化 时 代 [２].基
于物质、能量的动力工具是农业文明时代和工业文
明时代人 类 的 主 要 生 产 工 具,并 得 到 了 极 大 地 发
展,在 当 下 的 人 工 智 能 时 代,基 于 知 识、信 息 和 数
据的人工智能工具应运而生,已然发展成为人类的
一种新的劳动工具.研发人工智能技术与装备的主
图 １ 填筑工程 ３D 打印技术系统示意图(以土石坝为例)
刘天云:
大型填筑工程 ３D 打印技术与应用
系统的核心是基于卫星定位和现场通信网络,多机
种、多集群智能工程 建 设 机 器 人 进 行 协 同 作 业,如
图 ２ 所示.
３
３)进行土石坝 ３D 打印过程仿真与预报分析.
４)实 现 筑 坝 流 水 线 优 化 调 度,形 成 复 杂 任 务
规划方法 库,实 现 异 常 工 况 智 能 预 测 与 自 校 正 控
制、安全防范技术等.
５)进 行 料 源 开 采 、坝 料 运 输 、质 量 检 测 规 划 ,
创建地图、路由寻径、车辆调度、料号查询与跟踪等.
６)形 成 土 石 坝 增 强 现 实 技 术、视 频 危 险 识 别
技术.
７)形 成 土 石 坝 填 筑 质 量 评 估 理 论 与 方 法、信
息分析自动化技术等.
图 ２ 填筑工程 ３D 打印定位通信网络系统
１．
１ 工程建设调度中心系统平台
实现土石 坝 ３D 打 印 的 关 键 技 术 之 一 是 基 于 建
筑信 息 模 型(
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技术理念,使土石坝施工信息模型结构化,建立一个
土石坝信息模型(至少为工程 ３D 设计数字模型),然
后在集成软件 Wamp
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r平台下,利用 My
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数据库,使用 PHP 语言设计动态网页,建立一套基
图 ３ 填筑工程 ３D 打印调度管理平台
１．
２ 填筑工程现场道路数字地图
在填筑场地路径规划与导航中,首 先 需 要 建 立
地图合理的数据模型,而面向对象的整体 数 据 模 型
于 My
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l＋PHP 的动态网页数据库管理系统.这样,
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能够很好地满足这一要求.利用面向对象 的 思 想 和
面如图 ３ 所示,具体实现功能如下:
类,这样利用有限元软件实现道路模型创建与应用.
便可实现土石坝 ３D 建造技术的调度[６],系统平台界
方法,将空间点和道路抽象为有限元的结点类和单元
１)形 成 土 石 坝 ３D 设 计 数 字 模 型 基 础,满 足
“切片”、填料需求等.
填筑现场道路模型将道路信息抽象成点、单元
２)进行土石坝分期 分区 分层 ３D 打印过程规
划,使 ３D 打印管理调度优化.
和截面,并保存到路 网 模 型 的 数 据 库 中,利 用 有 限
元的思想来形成一 维 变 带 宽 存 储 的 整 体 刚 度 矩 阵,
为路径搜索提供基础.搜索方法主要 有 整 体 路 径 规
图 ４ 填筑工程场地道路数字地图示例
清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
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字模型进 行 切 片 处 理,精 确 分 析 单 层 填 筑 相 关 信
D 算法的避 障 局 部 路 径 规 划 算 法.将 路 网 模 型 和
息、控 制 施 工 进 度、规 划 施 工 环 境,调 度 施 工 设 备
搜索算法 相 结 合 就 可 以 得 到 任 意 两 点 间 的 最 优 路
进行高效的流水线作 业,逐 层 施 工,能 实 现 大 坝 建
线,从而为导航控制提 供 基 础.图 ４ 为 典 型 填 筑 场
造的快速化、高效化、精准化、智 能 化.土 石 坝 ３D
１．
３ 填筑工程 ３D 数字模型切片与 ３D 建造流水线
切片处理,得到施工 单 层 模 型,按 施 工 工 序 数 目 沿
在填筑工程开始每一层填筑之前,工程建设调
坝轴线把施工单层分为几个施工区段,分别获取每
∗
地道路数字地图以及规划导航路线实例
.
[
７]
度中心系统根据施工进度 规 划 对 土 石 坝 ３D 数 字 设
计模型进行分层处理,即 ３D 打 印 技 术 的 “切 片”处
理,如图 ５ 所示,实现切片的步骤如下 [６]:
１)３D 设计模型“切 片”处 理,应 用 的 原 理 是 面
建造技术调度系统对土石坝三维数字模型进行分层
一施工区段填 筑 料 信 息 (料 类 及 其 料 需、压 实 密 度
信息、卸料坐 标 信 息 等),并 在 工 作 面 模 型 上 规 划
碾压路径,根据 施 工 进 度 计 划,自 动 向 ３D 建 造 流
水线作业的各施工设备发送指令以及任务信息,调
与体的交运算,即用施工层的上下层面切三维数字
度施工设 备 在 现 场 施 工 面 上 开 展 高 效 的 流 水 线 作
模型,切 得 施 工 层 模 型.首 先,在 碾 压 机 上 预 装 了
业,按 需 开 采 坝 料,精 准 配 送 坝 料,无 人 驾 驶 碾 压
GPS 定 位 装 置,可 以 通 过 无 线 通 讯 技 术 向 土 石 坝
成形,高效完成单层 的 填 筑 施 工,并 通 过 无 线 通 讯
通过数值转化就能得到碾压机碾压轮与填筑面的接
环施工,逐层填筑,完成土石坝填筑.
３D 建造技术调度系统实时发送碾压机的位置坐标,
触面上的点,即填筑 面 碾 压 点 的 坐 标,由 此 得 到 一
技术对施工进度和质量进行实时监控,依次层层循
获得 填 筑 层 信 息 后,系 统 启 动 ３D 建 造 流 水 线
系列的填筑面坐标集,通 过 点 生 成 面,作 为 施 工 层
作业,包 括 坝 料 按 需 开 采、坝 料 精 准 配 送、智 能 摊
的底面,再根据每一层的施工厚度得出施工层的顶
铺和无人驾驶碾压成形 ４ 个施工环节,各施工工序
面,其中施工厚度由 碾 压 实 验 得 出,通 过 这 两 个 面
的施工设备都得到调度系统的调度安排,根据调度
与土石坝三维数字模型的切割,得出施工层的三维
系统提供的施工任务信息,井然有序地完成各自施
数字模型.
工任务,并实时向调度系统发送实际施工信息和进
２)获 得 施 工 层 模 型 后,系 统 将 自 动 获 取 施 工
度,使土石坝 ３D 建 造 技 术 调 度 系 统 对 工 程 建 设 全
量、坝料配送位置坐标信息以及在数字模型上规划
３D 流水线作业 上 各 工 程 机 器 人 通 过 机 载 无 线
层模型所 包 含 的 施 工 信 息,包 括 各 种 料 类 的 需 求
后的碾压轨迹坐标信息,将这些信息存于系统数据
库中,以便 ３D 流水 线 作 业 各 施 工 单 位 对 系 统 数 据
库里的数据进行提取.
填筑 工 程 分 层 施 工 与 ３D 打 印 技 术 完 全 一 致,
可充分利用土石坝三维数字模型,对土石坝三维数
过程进行实时监控,并实时存储所有施工信息.
通讯设备与土石坝 ３D 建 造 技 术 调 度 系 统 进 行 数 据
交换,首先接收土石 坝 ３D 建 造 技 术 调 度 系 统 里 的
施工信息数据,按要求完成施工,同时向土石坝 ３D
建造技术调度系统实时发送现场实际施工信息.填
筑工程 ３D 流水线如图 ６ 所示.
２ 工程智能建造机器人自主作业
填筑工程的 ３D 打印 流 水 线 需 要 各 种 工 程 建 设
机器 人 协 同 作 业.以 碾 压 机 器 人、摊 铺 机 器 人、无
人驾驶卡车和挖掘机器人等为代表的工程建设智能
机器人具备深度感知、有效决策和精准控制为一体
的能力,在 实 践 中 已 经 达 到 甚 至 超 过 人 工 作 业 水
平,特别是在周围环 境 危 险 的 情 景 中,其 表 现 远 远
优于传统作业方式.要 想 实 现 填 筑 工 程 ３D 打 印 机
器人群体协同作业,应进 行 如 下 ３ 方 面 的 转 变:１)
确定条件 的 人 工 智 能 转 变 为 非 确 定 条 件 的 自 主 智
图 ５ 填筑施工 ３D 模型切片作业图
能;２)以特 定 任 务 为 导 向 的 人 工 智 能 转 变 为 以 多
任务适应性 为 导 向 的 自 洽 智 能;３)单 机 自 主 的 智
刘天云:
大型填筑工程 ３D 打印技术与应用
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强现实 功 能;自 动 控 制 系 统 基 于 CAN(
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rk)总 线 由 机 载 上 位 控 制 计 算 机 与 下 位
控制器组成,下位控 制 器 包 括 发 动 机 控 制 器、行 驶
控制 器、铲 斗 作 业 控 制 器、故 障 诊 断 控 制 器 等.本
文发明的自主 ３D 挖掘施 工 机 器 人 可 由 人 工 驾 驶 或
遥控操作.图 ７ 为一 款 填 筑 工 程 施 工 自 主 ３D 挖 掘
机器人.
图 ６ 填筑施工 ３D 流水线作业图
能机器人转变为群体协同的智能机器人
.
[
６]
因此,需要 解 决 多 种 机 器 人 协 同 工 作 的 控 制、
软硬件集成等共性问题,已开展的研发主要包括:
１)群体智能机器人的协同控制理论与算法;
２)环境/场景适应的异构综合推理方法;
３)感知与行为的机器理解认知(开放环境中不
确定条件);
４)机器学习 新 理 论 与 方 法 (如 深 度 强 化 学 习、
类脑/类自然学习等);
５)作业工序流程规划算法;
６)机器人作业动作智能控制系统;
７)自动驾驶与安全避障算法(长期规划与行为
预测);
１—防撞雷达;２—回转传感器;３—集成控制器;
４—通信收发天线;５—摄像机对;６—卫星定位接收机组;
７—动臂升降传感器;８—斗杆位置传感器;
９—铲斗位姿传感器;１０—调度管理服务器;
１１—接受发天线;１２—定位基准站;１３—导航卫星
图 ７ 填筑施工自主 ３D 挖掘机器人
开始填筑时,各料场的坝料的自主挖掘机
器人通过土石坝 ３D 建造 技 术 调 度 系 统 的 数 据 库 获
取由三维 模 型 “切 片”处 理 而 得 的 施 工 层 的 料 需 信
息,即 坝 料 订 单,根 据 坝 料 订 单 按 需 开 采 坝 料,并
配合运输卡车装料,以便在填筑工程中进行流水线
作业.
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２．
２ 无人驾驶卡车精准配送填筑料 ９
坝料运输的无人驾驶自卸卡车获取运送坝料需
８)作 业 质 量 在 线 检 测 技 术(级 配、密 实 度、平
整度等实时检测技术).
求以及坝料配送位置坐标信息,自主进行运料上坝
２．
１ 自主 ３D 挖掘装载机器人
精确 运 料 上 坝,实 现 坝 料 精 准 配 送.同 时,运 输 卡
[
８]
自主 ３D 挖 掘 施 工 机 器 人 利 用 机 器 视 觉、卫 星
施工.在这个过程中,运输卡车运用 GPS 定位装置
车通过无线通讯技术把实际运输信息实时发送给土
定位与自动控制装置、３D 数字模型等 实 现 自 动 化、
智能化,开展 ３D 挖 掘 装 料 施 工 作 业,在 指 定 的 非
石坝 ３D 建造技 术 调 度 系 统,存 入 数 据 库.图 ８ 为
利用机器视觉系统感知与认知作业环境信息,自主
槽、滑轮 组、支 座 轴、钢 索 等.转 动 溜 槽 是 带 有 两
决策挖掘机器人行驶 路 线、行 驶 速 度、铲 斗 作 业 位
侧翼板的 车 厢 后 挡 板,车 厢 侧 板 后 顶 端 安 装 动 滑
姿等.其中,卫星定位 系 统 采 用 卫 星 定 位 接 收 机 组
轮,在车厢后沿动支 座 轴 上 安 装 动 滑 轮 组,定 滑 轮
实时感知挖掘机器人的位置与姿态;机器视觉系统
组固定在车大梁的定支座轴上,钢索连接溜槽与动
采用固定基线摄像机对挖掘机器人周围环境实现增
定动滑轮组,使 溜 槽 可 随 车 厢 升 降 绕 支 座 轴 转 动.
结构化区域内,利 用 卫 星 定 位 系 统 测 量 位 姿 信 息,
研发的无人驾驶卡车自动卸料防分离原理图.
无人驾驶卡车自动卸料防离析装置包括转动溜
清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
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自动 就 位、自 主 导 航、自 主 作 业 等 功 能.本 文 发 明
的道路自动摊铺机器人是一种无人化、智能化道路
施工 装 备,可 随 时 切 换 自 动、遥 控、人 工 摊 铺 作 业
模式,尤其适合高原、隧 道 等 缺 氧 或 不 适 合 人 工 摊
铺作业的情况.
１—定支座轴;２—定滑轮;３—动支座轴;４—动滑轮;
５—紧绳器A;６—滑轮;７—后挡板;８—翼板;
９—紧绳器B;１０—弹簧式舌条;１１—钢索
图 ８ 无人驾驶卡车填筑料自卸防分离工作原理图
这种随车厢升降而自动启闭的转动溜槽,即有车厢
后挡板作用,又具有 卸 料 防 离 析 的 溜 槽 功 能,是 一
种被动、无源的机械自动控制装置.
２．
３ 自主作业摊铺机器人无人化摊铺与平整
根据不同填筑工程的工艺需求,研发了两种智
能摊铺机:自 主 推 土 机 器 人 [１０]与 道 路 自 动 摊 铺 机
器人 [１１].
自主推土机器 人 (图 ９),依 靠 环 境 感 知、卫 星
定位、机器视觉与自动控制等装置实现自主规划行
驶路径、自动推土作 业、自 主 在 线 作 业 质 量 评 估 功
能,是 一 种 无 人 化、智 能 化 的 建 筑 施 工 机 械.自 主
推土机器人根据任务与作业区域,利用卫星定位测
量位姿和机器视觉感知与认知作业环境,自主决策
推土机器人任务顺序、行驶路线、铲刀位姿,同时,
依据 视 觉 测 量 作 业 效 果,评 估 作 业 质 量.其 中,卫
１—卫星定位接收机组;２—通信收发天线;
３—摄像机对;４—铲刀升降传感器;
５—铲刀倾斜传感器;６—发动机调速驱动器;
７—倒车防撞雷达;８—集成控制器;９—行驶电磁驱动器;
１０—定位导航卫星;１１—数传电台和定位基准站;
１２—远端收发天线;１３—调度服务器
图 ９ 自主推土机器人
星定位系统采用卫星定位接收机组实时精确感知推
土机器人的位姿;机器视觉系统采用固定基线摄像
机感知推土机器人周围环境,评估推土作业质量状
况;自动控制系统基于现场总线由上位机与下位控
制器组成机载自动化控制网络.自主推土机器人可
由人工驾驶或遥控操作.
道路自动摊 铺 机 器 人 (图 １０)主 要 由 摊 铺 机 与
感知、控 制 决 策、执 行、无 线 通 信 单 元 构 成,其 自
主导航采用卫星、激光距离传感器结合道路设计信
息实现摊铺定位与转向;摊铺作业利用料位超声雷
达自主决策输料速度与行驶速度;摊铺厚度与平整
度利用激光雷达测量路基、摊铺路面高差自动调平
装置.控 制 决 策 单 元 由 上 位 机、下 位 机 群、机 载 现
场总线组成,上位机 与 工 程 调 度 中 心 通 信,下 位 机
群根据指令实 现 摊 铺 机 器 人 自 动 点 火、自 动 熄 火、
１—摊铺机;２—无线通信单元;３—卫星定位接收机组;
４—调平油缸;５—控制决策单元;６—激光雷达;
７—激光测距传感器;８—驱动大臂;９—液压马达
图 １０ 道路自动摊铺机器人
刘天云:
大型填筑工程 ３D 打印技术与应用
７
[
]
２．
４ 碾压机器人智能碾压作业 １２１３
工程建造调度系统在对土石坝三维模型“切片”
处理后,对施工 工 作 面 进 行 了 碾 压 轨 迹 规 划 设 计,
并把规划碾压轨迹坐标及对应的碾压参数信息实时
存储于系统数据库中,碾压自主机器人从数据库中
读取施工层的规划碾压路径坐标,以及与坐标相应
的碾压参数 信 息,并 运 用 GPS 定 位 技 术 使 碾 压 机
按规划路径坐标进行 精 确 碾 压,碾 压 过 程 中,实 时
通过拾振器获取碾压点的振动频率,由此推算碾压
点的 密 实 度,并 智 能 判 断 填 筑 质 量,如 果 不 合 格,
就安排重压,直至碾 压 合 格 为 止,完 成 一 层 的 填 筑
施工.在这个过程中,碾 压 设 备 通 过 无 线 通 信 技 术
向土石坝 ３D 建造技术调 度 系 统 数 据 库 发 送 实 际 碾
压施工信息,以便生 成 实 际 碾 压 轨 迹 图、实 际 碾 压
施工质量坐标图等,并存储于数据库中.
振动碾压机自动驾驶系统与方法包括远程监控
装置与机载自动控制装置.远程监控装置 实 时 接 收
１—摄像头;２—RTK
ＧGPS接收机天线;３—数传电台天线;
—无线通信天线;
４
５—导航控制器;６—电动方向盘;
—电子调档;
—
７
８ RTKＧGPS 接收机;９—电子油门;
—电子制动刹车;
１０
１１—防撞雷达;１２—地速雷达;
—卫星;
—
基站;
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３
１
４ GPS
１
５—远程监控装置;１
６—通讯中转站
图 １１ 无人驾驶碾压机工作原理示意图
行驶速度、空间位置和转向姿态等碾压机 作 业 参 数
信息和在线作业环境影像信息,并能够实 时 将 自 动
３．
１ 精确测量激振荷载技术
导航数据和相关指令反馈给机载自动控 制 装 置,从
碾压机智能激振压实系统与压实方法主要解决
而实现远程控制碾压机作业,特别是在接 收 到 特 殊
碾压机压实土石材料时的实时智能监控问题,包括
请求后可以实现远程人工响应.该过程通 过 无 线 通
碾压机车架系统、碾 压 机 行 走 系 统,在 所 述 碾 压 机
讯方式将建设过程 ３D 数字模型中导航线路、规划作
业区域等信息传送给碾压机;机载自动控 制 装 置 获
取传感器、RTKＧGPS 等检测的位置、速度和姿态等
数据,通过与接收的远程实时自动导航信息对比,利
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车架系统的振动轮上设置加速度传感器,在所述碾
压机行走系统的振动轮的振动马达壳体上安装霍尔
转速传感器,在振动马达壳体内的转轴外径上安装
永磁式速度环;通过霍尔转速传感器和永磁式速度
环构成振动马达转动信号频率采集模块.根据系统
理偏差信息,控制碾压机的电动油门、电动方向盘和
控制设备提供的数据,直接测控施加土石层的激振
电动制动刹车等执行单元,完成预定的碾 压 作 业 任
力,实现对全碾压工 作 面 的 振 动 频 率、车 轮 与 土 石
务[６].本文发明中,自动驾驶与人工驾驶兼容.图１１
相互作用力进行实时监控;根据土石压实状态智能
为无人驾驶碾压机工作原理示意图.
调控激振频率,自主 决 定 碾 压 过 程;根 据 当 前 压 实
３ 填筑工程质量在线检测技术
状况自动调整振动频率,以最优频率实现碾压机智
虽然现场取样(或坑测法)测量填筑体的密实质
量概 念 清 晰 直 观、方 法 简 单 易 行,但 干 扰 施 工 作
业.检测与施工的矛盾是影响填筑工程进度的一大
难题,尤其是研发无人化智能碾压实时在线检测技
能压实.图 １２ 为 压 路 机 振 动 频 率 在 线 实 时 测 量 示
意图.
３．
２ 压沉量精确测量技术
采用激光扫描装置测量压路机碾压层的相对变
术是亟需解决的关键问题 [１４１５].
形,利用激光扫描装 置 射 线 速 度 快,以 及 光 电 转 化
MWD)是在压路机行 驶 速 度 一 定 的 条 件 下,实 时 在
线测量压路机钢轮与邻近土层的相对沉陷量与压路
量压路机前轮内侧已碾压与轮外未碾压路面相对距
移动 载 荷 变 形 法 (
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速度 快、分 散 度 小、测 量 距 离 精 度 高 的 特 性,来 测
离的差值,从而得出 压 路 机 碾 压 时 的 变 形 量,可 以
机施加静动压力,二者比值可作为土层压实状态的
减少压路 机 振 动 状 态 带 来 的 误 差,具 有 测 量 精 度
表征量;而压路机振动能量发生非连续变化则是另
高、实时性好的优点.图１３ 为压路机压沉相对变形
一种土层压实状态的表征量.
在线实时测量示意图.
８
清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
[ ]
３．
３ 振动能量法 １６
填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统包
括碾 压 机、速 度 拾 振 器、信 号 采 集 分 析 仪、卫 星 定
位接收机.在填筑层 碾 压 施 工 时,控 制 碾 压 机 行 驶
速度,保证振动作业 频 率 恒 定.碾 压 机 振 动 轮 振 动
信号被安装在其上的速度拾振器感知,然后被信号
采集分析仪采样形成 振 动 数 字 信 号;同 时,信 号 采
集分析仪也接收卫星定位接收机提供的与振动信号
相关的位置信号.对采集的振动信号进行速度峰值
捕捉,可计算振动轮 的 极 值 压 实 动 能.最 后 建 立 填
筑层位置、碾压 遍 数 与 极 值 压 实 动 能 之 间 的 关 系,
形成碾压 区 域 时 空 压 实 指 标 三 维 分 布 图.如 图 １４
所示为填 筑 工 程 压 实 质 量 的 振 动 能 量 在 线 检 测 系
统,与无人驾驶或自 动 驾 驶 碾 压 机 结 合,可 实 现 填
筑工程无 人 化、智 能 化 连 续 填 筑 压 实 流 水 线 施 工
作业.
１—振动马达;２—振动轮;３—旋转轴;
４—偏心块;５—霍尔传感器;６—速度环;
７—磁粒;８—磁粒处理区
图 １２ 压路机振动频率在线实时测量示意图
１—碾压机;２—卫星定位接收机;
３—信号采集分析仪;４—速度拾振器
图 １４ 压实质量的振动能量在线检测系统
与采集振动加速度法不同,振动能量方法应用
速度传感器采集振动轮速度.
因为速度直接与振动能量相关,可以由速度时
程计算振动轮竖向振动能量,判断最大动能的量级
来表示碾压机对土层的压实状态.
因为当碾压接近密实时,振动轮一般都有调离
地面的现象,这表明振动速度有本质变化.
当振动频率固定 时,总 能 量 为 常 数.在 这 种 情
况下,土 层 吸 收 能 量 多,则 振 动 轮 振 动 能 就 少,而
当土层密实后吸收能量少,振动轮动能就增加.
１—安装架;２—激光雷达;３—压路机;
４—机载信号分析仪;５—卫星定位接收机
图 １３ 压路机压沉相对变形在线实时测量示意图
４ 填筑工程示范与应用
４．
１ 土石坝工程
土石坝是大型填 筑 工 程,施 工 场 地 宽 阔,且 施
刘天云:
大型填筑工程 ３D 打印技术与应用
９
工工艺相对简单,大量重复的填筑流程非常适合采
用 ３D 打印技术 建 造.例 如,前 坪 水 库 心 墙 土 石 坝
获得了成功应用,在羊曲水电站镶嵌面板堆石坝的
建设也将应用这项技术,如图 １５ 所示.
图 １５ 土石坝 ３D 打印流水线工作示意图
４．
２ 碾压混凝土坝工程
碾压混凝土坝是另一种典型的 填 筑 工 程,特 别
是薄层填筑碾压工艺类似 ３D 打印技术,在三河口水
电站碾压混凝土双曲拱坝、黄 金 峡 部 分 碾 压 混 凝 土
重力坝工程建设中进行了成功实践,如图 １６ 所示.
清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
１０
图 １７ 高速公路 ３D 打印流水线工作示意图
５ 结
论
本 文 介 绍 了 一 项 大 型 填 筑 工 程 的 ３D 打 印 技
术 与 多 种 工 程 智 能 机 器 人 装 备 ,并 在 多 项 示 范 工
程 中 获 得 了 成 功 应 用 .这 项 ３D 打 印 技 术 着 眼 于 填
筑 工 程 智 能 化 建 设 流 水 线 全 过 程 ,着 重 解 决 了 填
筑 料 质 量 在 线 检 测 、单 机 器 人 作 业 在 线 控 制 、多
机器人群协同作业调控以及智能调度 决 策 系 统 集
成 等 诸 多 难 题 ,已 形 成 了 一 整 套 融 合 在 线 传 感 测
试 、卫 星 定 位 、无 线 通 信 、计 算 机 控 制 、人 工 智 能
等 技 术 的 填 筑 工 程 ３D 打 印 装 备 系 统 ,已 实 现 了 填
筑 工 程 过 程 的 数 字 化 、网 络 化 、智 能 化 与 无 人 化 ,
可 实 现“装 备 保 障 工 艺 、工 艺 保 障 质 量 、质 量 保 障
安 全 、安 全 保 障 发 展 ”的 工 程 智 能 建 造 的 主 要 目
标 ,也 有 利 于 推 动 工 程 智 能 建 造 新 方 法 和 新 技 术
图 １６ 碾压混凝土坝 ３D 打印流水线工作示意图
４．
３ 高速公路工程
高速公路工程中的路基与水稳层分别与土石坝
和碾压混凝土坝的填筑工艺相似,下面仅介绍路面
的 ３D 打印部分,如图 １７ 所示.
的 发 展 .未 来 ,３D 打 印 技 术 还 需 进 一 步 解 决 以 下
问题:
１)填筑料智能化开采需要进一步探索;
２)３D 打印的质量评估与检测技术 有 待 进 一 步
完善和实用化;
３)３D 打印建造 流 水 作 业 间 强 化 学 习、优 化 决
策等保障高效率的方法更需要重点关注.
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(责任编辑
汤梅)