Page 82 - 水利学报2021年第52卷第2期

息和规则的离散个体，只受自身状态以及周围元胞状态的影响，公式如下所示：
A~(S，T，V ) （1）

式中：A 为一个包含规则的元胞；S 为 A 元胞的状态信息，在本文中，元胞的状态信息包括坐标位
置、激活值、高程、厚度等；T 为其状态转移规则，此规则可以由元胞自发执行，也可以由外部（如
机械设备影响等）引发执行；V 为 A 元胞周围邻居的状态信息。
可将仓面划分为 1 m×1 m 的方形网格，每个网格对应一个元胞，元胞中储存对应网格的位置坐
标、高程、厚度等信息，元胞的每个状态信息都对应着其状态转换规则，元胞中各状态的转移按照
以下顺序进行：
（1）元胞坐标在仓面划分阶段取得之后就不再变化；
（2）元胞激活值是通过获取实时监控数据以及周围元胞激活状态信息确定的。未激活的状态值为
0，当推土机空间位置坐标与元胞坐标重合时激活值为 1，当周围有元胞激活值为 1 时，该元胞的激
活状态值变为 1.1。当自卸车空间位置坐标与元胞坐标（x ，y）重合时此元胞激活值变为 2，同时将元
胞坐标为（x，y-1）和（x，y+1）的激活值变为 2，以此确定土堆的宽度上存在的元胞的激活值全部更新

为 2，为保证土堆的长度上所有元胞按位置激活，可根据图 3 所示的卸料过程图，将元胞坐标为（x+
1 ，y）的激活值变为 2.01，以此类推，有元胞的激活值为 2+0.01n（0<n<16），则其 y 方向上两侧元胞的
激活值同样变为 2+0.01n，x+1 位置处的激活值变为 2+0.01（n+1）；
（3）高程可根据该元胞的激活值有不同的获取方法，当激活值为 1 或 2 时，高程等于推土机或自
卸车的实时监控数据中的高程值。当激活值为 1.1 时，由于此元胞处于推土机下方，因而高程值等于
此时激活值为 1 元胞的高程值。当激活值为 2+0.01n（0<n<16）时，各个元胞对应的是卸料堆的各个位
置，根据 3.2 节摊铺工艺分析中介绍的自卸车卸料模式以及图 4 所示的卸料过程图，应根据式（2）更
新：
ìH old + 0.15n 0 ≤ n ≤ 4
ï ï
H = í H old + 0.6 0 < n < 4 （2）
ï ï H + 2.4 - 0.15n
î old 0 ≤ n ≤ 4
式中：H 为该元胞的更新后的高程，m；H old 为该元胞的更新前的高程，m。
（4）厚度一般根据该元胞中高程值进行更新，由于厚度更新为元胞状态更新的最后一个步骤，因
此进行完厚度更新后，将激活状态值设置为 0。厚度状态转移应满足式（3）：
h = H - H start （3）
式中：h 为厚度，m；H 为该元胞的更新后的高程，m；H start 为整个仓面的起始高程，m。

首先，根据 3.3 节所述的方法获取仓面初始信息，根据仓面角点坐标及初始高程等信息，建立模
拟仓面；其次，将仓面划分为等大的方格，每个网格对应一个元胞。元胞将对应网格的坐标、激活
状态、高程、厚度等存储为状态信息。当施工机械行进至某个元胞对应的网格时，该元胞会激活并
判断机械类型（推土机或是自卸车）。若为推土机，该元胞通过分析本节 3.3 中的方法获取到推土机监
控数据，根据上述的状态转换规则，计算得到受影响区域元胞的高程及厚度信息并更新。若为自卸
车，同样需要根据本节 3.3 所述方法获取到卸料信息，再根据相应的状态转移规则对受影响区域元胞
的各个状态值进行更新，由此收集并反馈卸料情况的影响。
综上所述，建立了砾石土摊铺质量元胞自动机模型，将仓面网格划分，利用元胞自动机获取实
时监控数据，再根据状态转移规则转化为各位置处的摊铺质量信息并存储在对应元胞中 ［22］ 。由此将
施工机械行动与摊铺质量联系起来，为路径规划提供了高精度且实时的数据源。
3.2 砾石土摊铺工艺分析 摊铺作业是指通过边界点测量、自卸汽车卸料、推土机推平的方式进行
施工，最终实现整个施工单元铺料厚度和平整度均达标的作业方式。由于实际施工中仅有自卸车和
推土机以及少量现场管理人员在场，因而可以假定仓面各位置处的厚度仅受自卸汽车和推土机的影
响。摊铺作业中最重要的是推土机对整个仓面中土料分布的影响。选取工程中最常见的履带式推土

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