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水 利 学 报
2021 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 2 期
文章编号：0559-9350（2021）02-0203-12
基于元胞自动机与改进 A*算法的
砾石土摊铺实时监控作业路径规划
焦 铮，王佳俊，王晓玲，崔 博，佟大威，关 涛
（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）
摘要：砾石土摊铺是心墙堆石坝施工的重要环节，其厚度和平整度是表征摊铺质量的关键指标。然而，现有的摊
铺作业路径规划高度依赖人工经验，存在主观性强的缺陷，因而摊铺质量难以得到有效控制。针对上述问题，本
研究提出了一种基于元胞自动机与改进 A*算法的砾石土摊铺实时监控作业路径规划方法。该方法通过改进 A*算
法中的轨迹距离度量函数并引入避障冗余距离优化全局路径的规划和选取，同时结合质量评价函数优化局部动态
路径规划方法，从而实现摊铺作业全局-局部混合路径规划。此外，通过建立砾石土摊铺质量元胞自动机模型，
将施工机械的实时监控数据转化为仓面各网格的质量信息，实现质量信息的实时更新。工程应用表明，本研究提
出的方法在保证施工效率的前提下，能够控制摊铺厚度在 0.27 m 左右，有效避免超厚超薄现象的发生，且平整度
相较人工提高了 22.6%。
关键词：砾石土摊铺；元胞自动机；混合路径规划；A*算法；实时监控
中图分类号：TV523.1 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200734
1 研究背景
土石坝填筑施工的基本作业包括卸料、摊铺、碾压以及质量检查等多个环节。砾石土摊铺是大
坝主体工程的重要环节，通常采用自卸车运输卸料再由推土机推土铺平的方式进行施工，且摊铺厚
度与平整度直接影响后续的碾压施工，并对大坝施工质量产生重要影响。然而，砾石土摊铺具有较
大的灵活性，尤其是推土机作业需要操作手根据经验选择作业路径，人的主观性较大，易出现质量
［1］
不达标返工的情况。因此，开展推土机的摊铺作业路径规划对保证摊铺质量具有重要的意义 。
近几年来，国内外对于摊铺质量的研究取得了较为丰富的成果。在沥青摊铺领域中，Chang G K
［2］
等 通过在压路机和摊铺机上安装 GNSS、加速度计以及热扫描仪等测量仪器，通过采集施工过程中
的位置、厚度、温度等信息实现了对沥青混凝土摊铺质量的事中控制，并且借助测量仪器减小了人
［3］
为因素的影响，提高了摊铺质量控制的精度；虞将苗等 在港珠澳大桥的施工过程中采用同步摊铺的
［4］
铺筑工艺，通过改进施工方式，提高了摊铺施工效率和摊铺质量控制的精度；刘东海等 研制了便携
式测温测厚仪，可在施工过程中对作业面的厚度，平整度，温度等信息进行监测，在方便测量的同
［5］
时也可对公路沥青摊铺厚度、温度等进行可视化实时管理。在砾石土摊铺领域中，钟登华等 提出了
心墙堆石坝摊铺施工实时监控方法，实现了对推土机实时位置的监控，并可在摊铺结束后生成图形
［6］
报告反映施工质量；Zhong D 等 利用 K 近邻算法解决了摊铺过程中推土机未接触区域的厚度估计问
题，再结合获取到的机械设备定位信息，实现了全仓面的厚度监控。综上所述，现有的针对摊铺工
收稿日期：2020-09-17；网络首发时间：2020-12-10
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201208.1038.002.html
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基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目（U1965207，U1765205，U1865204）
作者简介：焦铮（1996-），硕士生，主要从事摊铺智能监控研究。E-mail：jiaozheng0907@163.com
通讯作者：王晓玲（1968-），博士，教授，主要从事大坝智能建设研究。E-mail：wangxl@tju.edu.cn
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