Page 80 - 水利学报2021年第52卷第2期

艺的研究多集中于沥青摊铺领域，更关注于施工过程中的质量控制，利用先进的测量装置，改进的
施工工艺，可视化的管理等方式实现了高精度的事中控制。而砾石土摊铺领域停留在施工参数监控
的层面，仍然依赖人工经验选定推土机作业路径，未能实现对摊铺质量的有效控制。
实现推土机作业路径的规划首先应该解决实时信息的感知问题。摊铺过程中所有机械行动均是
以施工质量为导向的，仅仅依靠对机械的监控不足以反映全仓面的质量情况。元胞自动机具有规则
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化状态转移以及离散化更新存储的特点，可为该问题提供解决方案 。元胞自动机是一种基于元胞的
［9］
［8］
模型，其元胞以网格状结构表示 ，该方法在气体扩散 、土地利用演进 ［10］ 、城市发展 ［11］ 以及洪水演
进 ［12］ 的研究中广泛应用 ［13］ 。可通过状态转移规则将推土机等机械设备的行动转化为全仓面的厚度、
平整度等质量信息，以此为推土机路径规划提供可靠的信息来源。
目前在路径规划领域的研究中，全局-局部路径规划由于可通过全局路径规划综合考虑整个场区
的场景确定大致的行进路径、并利用局部路径规划处理行进过程中遇到的突发情况（如动态障碍物
等）的优势而被众多研究者关注 ［14］ 。Wang Ning 等 ［15］ 考虑 ASV 的动力学约束建立了一种具有全局-局部
结构的混合路径规划方案，利用全局路径规划生成最优的稀疏航路点，在每个航路点处利用局部路
径规划控制 ASV 避开障碍物前往下一个航路点；刘好 ［16］ 设计了基于优化 A*算法的全局路径规划算
法，提升了路径搜索效率，并提出了基于 MPC 的局部避障路径规划方法用于处理动态障碍物的问
题；在全局路径规划算法中，较为流行的算法主要有快速扩展随机树算法（RRT）、人工势场法（APF）
以及 A*算法，各个算法具有不同的特点，适用于不同类型的路径规划的情况，由于 A*算法具有较快
的计算速度，且规划出的路径轨迹长度为最优，因而被广泛应用。而局部路径规划算法更关注对于
小范围内作业过程的处理 ［17］ 。时梦楠等 ［18］ 提出了满足搭接法和错矩法施工原理的碾压运动模型进行
子作业面的路径规划，把无人碾压作业划分为往复碾压和条带错矩两种工作模式并分别建模计算，
以此实现局部作业路径的规划。综上所述，混合路径规划的方式能够综合考虑路径规划的全局走向
以及局部动态调整从而取得良好效果。
本文开展了砾石土摊铺实时监控作业路径规划方法的研究，需要依次解决以下两个问题：（1）如
何将施工机械信息转化为整个仓面的质量情况；（2）如何利用整个仓面中的质量情况指导施工。
针对问题（1），结合摊铺施工工艺和元胞自动机理论，建立砾石土摊铺质量元胞自动机模型，元
胞自动机将此监控数据转化为摊铺质量信息并存储至对应位置的元胞中，由此实现实时监控数据向
全仓面质量信息的转化。针对问题（2），基于砾石土摊铺质量元胞自动机模型，构建了考虑坝面复杂
环境和施工作业特点的推土机路径规划方法，主要包括基于改进的 A*算法的全局静态路径规划方法
和面向局部质量评价的动态路径规划方法两个部分，前者用于选择并前往最优的土堆，后者用于指
引推土机将土堆推平。利用该方法，可有效减小摊铺施工对人工经验的依赖程度。

2 研究框架及数学模型

2.1 研究框架 本文的研究框架分为参数获取、研究方法以及工程应用三部分 ［19］ ，如图 1 所示。

参数获取部分主要分为摊铺过程参数和仓面初始信息。摊铺过程参数由推土机实时位置信息以
及自卸车卸料信息构成。前者是通过在推土机上安装监控终端感知卫星系统的定位信息并加以处理
得到的实时位置信息，后者是通过在自卸车上安装定位终端以及卸料传感器获取到的卸料时间和位
置等信息。仓面初始信息是前序碾压工艺的平整度以及通过测量杆确定的仓面边界点坐标。
研究方法部分主要详细的阐述了本研究的理论方法。在元胞自动机模型的模块，通过耦合摊铺
施工工艺与元胞自动机理论，建立了砾石土摊铺质量元胞自动机模型，通过接收参数获取部分的输
入和邻居元胞的状态信息，再由状态转移规则处理得到元胞的状态信息，由此将获取到的摊铺参数
转化为全仓面各位置处的厚度和整体平整度等质量信息，并作为元胞的状态信息储存。在摊铺过程
推土机路径规划方法模块中，划分为考虑坝面复杂环境的全局静态路径规划以及考虑施工作业特点
的局部动态路径规划两部分，前者解决的是寻找并前往最优土堆的问题，后者解决的是推平指定土

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