刘福生¹  孙天野²  高文元¹  党建涛¹  燕军乐¹

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024；

2.清华大学水利水电工程系，北京 100084）

 

编者按：

　　清华大学水利水电工程系智能建造团队一直致力于推进水利工程信息化，提高碾压混凝土大坝施工质量，克服施工问题，保障工程的经济与社会效益，努力在水利工程施工中实现智能建造。陕西省引汉济渭工程建设有限公司联合清华大学将无人驾驶智能碾压混凝土技术应用于三河口碾压混凝土重力坝的施工过程中，并开展无人驾驶摊铺技术的研究。本研究是国内外第一次在碾压混凝土拱坝上使用无人驾驶碾压筑坝技术，这不但能够形成一套碾压混凝土大坝无人驾驶碾压施工方法，而且也能为行业与企业学习并掌握这种新技术提供实际工程示例。

　　本刊特邀清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室孙天野博士携“无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究”技术团队，将无人驾驶智能碾压新技术在引汉济渭三河口水利枢纽建设中的应用成果以系列论文形式分享给行业，以期共同促进我国水利工程施工智能建造技术的进步。

 

摘要：碾压混凝土拱坝不但体型复杂，而且还埋有大量监测仪器的预埋件，以及施工临时设施，这对于碾压混凝土大仓面连续施工是不利的。对于可以事先设计好预埋件的位置，在无人驾驶碾压过程中增加避障功能。但还存在大量施工过程中临时增加的障碍物，这是无人驾驶碾压作业面临的艰巨困难。如何让碾压机能够探测或感知这些障碍物，且能够采取有效措施是需要解决的关键问题。本文对在引汉济渭三河口水利枢纽建设中，预埋件的规避方法进行了探讨。

 

关键词：碾压筑坝；无人驾驶；预埋件规避；引汉济渭

中图分类号：TV512  文献标识码：A

基金项目：陕西省水利科技项目，无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究(2018SLKJ-2)。

 

0 引言

随着我国经济的发展以及科学技术水平的提升，水利工程智能化技术的应用得到社会各界的高度重视。在高拱坝无人驾驶碾压筑坝技术施工过程中，不断地探索曲线碾压、作业区域规划与碾压避障的安全措施，无人驾驶碾压技术由GPS基站、无人驾驶碾压机、通讯中继站和远程监控中心构成，具有无线局域网通讯、自主运行管理等特点，明显提高了碾压混凝土施工质量与筑坝效率，实现了水利工程的电气化、数字化、网络化、智能化。

 

１ 引汉济渭工程概况

　　引汉济渭工程总体开发方案为：以汉江较为丰富的可利用水资源，及其支流子午河可利用水资源作为供水水源；汉江黄金峡水库和支流三河口水库作为供水的调蓄水库，以黄金峡泵站、三河口泵站、秦岭输水隧洞为调水主体工程，完成调水至关中受水区的工程规划调水任务^[1]。其调水工程布局如图１所示。

图１ 引汉济渭工程布局图

 

2 无人驾驶碾压筑坝技术

　　清华大学水利水电工程系智能建造团队基于土石坝施工发明了一种智能碾压机器人^[2]，即给碾压机再增加一个控制作用的“大脑”，使其不但能通过GPS等传感器知道自己的位置与状态，而且还能通过主动控制来达到自主碾压作业的目的。图2是无人驾驶碾压机系统示意图。当分配给无人驾驶碾压机任务后，碾压机将自主巡航、自主在线检测压实指标、自主完成筑坝碾压任务，不存在任何人为因素的干扰，完全实现了筑坝碾压作业的自动化。对于海量筑坝信息采用在线机器学习方法进行处理。无人驾驶碾压机群作业在洛阳前坪水库土石坝建设工程实践取得成功。

图2 无人驾驶碾压机系统示意图

 

3 碾压仓面预埋件规避方法研究

　　碾压混凝土拱坝体型复杂，埋有监测仪器预埋件，并在大量施工过程中临时增加的障碍物。清华大学智能建造团队在无人驾驶智能碾压过程中增加了避障SICK雷达功能，使得碾压机能够探测或感知障碍物，并根据障碍物的距离采取相应的防碰撞措施。

　　在智能曲线无人碾压模式下，在碾压机运行轨迹取点时，绕开一定的障碍物以及预埋件。仓面的预埋件主要包括监测坝体温度的传感器，管线，以及诱导缝的预制混凝土块。这些预埋件的位置可以转换到无人驾驶碾压的坐标系中，也现场通过手持GPS接收机采集坐标。

 

4 在引汉济渭三河口水利枢纽工程上的应用

　　陕西省引汉济渭工程建设有限公司联合清华大学将无人驾驶智能碾压混凝土技术应用于三河口碾压混凝土重力坝的施工过程中，并开展无人驾驶碾压技术的研究。清华大学在引汉济渭三河口拱坝工程中完成了整个系统的开发、建设、测试。布置了无人驾驶系统的“大脑中枢”：无人驾驶碾压监控中心，图3所示为无人驾驶碾压远程监控中心。为了实现碾压机等施工机械的主动控制，施工机械进行智能化改造，碾压机装配GPS监测系统可跟踪碾压作业轨迹、碾压遍数等来保障施工质量。

图3 远程监控中心

　　整体上，针对引汉济渭三河口碾压混凝土双曲拱坝建设，首先从施工机械智能化改造入手，加装测控装备，使其具有感知环境，自主决策作业进度的功能，图4为进行改装的悍马无人驾驶碾压机。其次，结合碾压混凝土工艺的特点，开发施工控制系统，模拟施工人员工作环节，符合施工规范的要求。最后，开发碾压机群作业研究，实现无人驾驶碾压筑坝机群作业。针对坝上预埋件等碾压障碍物，设计研究新型预埋方法，研究有利于大范围机械化施工的仓面条件^[3]，图5为施工现场效果图。

图4 改装后的无人驾驶碾压机    

图5  施工现场效果图

 

5  总结

　　本项目通过探索适合碾压混凝土拱坝碾压作业区域规划与碾压避障的安全措施，对碾压混凝土的碾压全过程进行自动控制，完全克服以往人工碾压作业的各种不足，保证与提升碾压混凝土拱坝碾压施工质量。清华大学已完成了整个系统的开发、建设、测试。布置了无人驾驶系统的“大脑中枢”，远程监控中心；完成了覆盖整个大坝库区的无人驾驶碾压机通讯网建设与调试；现场左右岸分别加装了微波通信天线。两岸通信为双链路模式，主链路通讯，副链路备用，主副链路切换低时延，保证通讯的可靠性。碾压机在整个大坝上运行， 做到左右岸网络通讯无缝漫游切换。通过安装雷达以及对预埋件进行位置标定等方式，实现了预埋件的规避。

 

参考文献

[1] 高璐.北京市城市多水源配置研究[D].辽宁师范大学，2017．

[2] 刘天云, 张庆龙, 李益多, 等. 一种智能碾压机器人:中国, 201510293529.1 [P]. 2015-06-01.

[3] 清华大学水利水电工程系，无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究——中期报告[R].北京：清华大学，2019.

 

作者简介：刘福生，男，硕士，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程建设管理。 

(责任编辑：休鱼）