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水 利 学 报

２０２２年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１２ － １４２１ － １２

高心墙堆石坝原生集成式智能无人碾压系统研发及应用

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王佳俊 ，祁宁春 ，钟登华 ，佟大威 ，岳 攀 ，崔 博 １
（１．天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 ３００３５０；２．雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 ６１００５１）
摘要：无人碾压技术是大坝填筑施工研究的前沿，有助于提高堆石坝施工质量和效率。然而，目前缺乏对多料种
复杂施工环境条件下无人碾压系统的研究，且现有的无人碾压多基于 ＲＴＫ － ＧＮＳＳ和毫米波雷达对位姿与障碍物进
行感知，缺乏对压实质量、环境障碍物和位姿的多模态感知；现有的无人碾压多采用外挂执行机构的方式进行改
装，设备耐久性和稳定性难以得到保证。针对上述不足，采用感知设备、执行设备和控制设备统一设计和集成装
配的方式，自主研发了集成多模态智能感知、智能规划决策和智能控制等功能的无驾驶舱原生集成式智能无人碾
压系统。其中，智能感知采用 ＲＴＫ － ＧＮＳＳ、毫米波雷达和机器视觉等多种模态方法实现对车体位姿和环境障碍物
的精准感知；基于能量守恒原则，采用加速度计等实现对有效压实功率的精准感知；智能规划决策集成了事前的
全覆盖路径规划与事中的碾压参数动态优化等算法；智能控制中通过蝴蝶优化算法动态调控比例－ 积分－ 微分算法
的控制参数，实现了复杂条件下循迹的精准控制；此外，基于 Ｂ?Ｓ架构研发了原生集成式智能无人碾压数字孪生
平台，实现了碾压施工过程中物理空间与孪生空间的双向交互。研发的原生集成式智能无人碾压系统在两河口水
电站堆石区、过渡区和砾石土心墙区等复杂施工条件下开展了应用研究，结果表明，相较于传统碾压施工方法，
该系统一次碾压质量达标率提升 ２．４２％，效率提升 １５．２０％。
关键词：高心墙堆石坝；原生集成式智能无人碾压；多模态智能感知；多料种；有效压实功率；智能规划决策
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文献标识码：Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ ６ ４ １ ． ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０２５３
１ 研究背景

高心墙堆石坝碾压施工质量与效率关乎大坝运行安全和效益。传统的大坝碾压作业依靠人工驾驶
碾压机完成，并通过人工控制碾压施参数和试坑抽检法进行压实质量控制，难以保证大坝碾压的效率
与质量 ［１］ 。钟登华 ［２ － ４］ 与马洪琪 ［４］ 提出了数字大坝理论，并基于动态差分 － 全球导航定位（ＲｅａｌＴｉｍｅ
Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ － ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ ，ＲＴＫ － ＧＮＳＳ）等技术研发了心墙堆石坝碾压施工质量实时
监控系统，实现了碾压施工参数（碾压遍数、碾压速度、压实厚度和振动状态等）全天候、精细化、在
线实时监控，破解了人工控制碾压施工参数主观性强、耗时费力的难题。连续压实控制 ［５］ （ＣＣＣ，Ｃｏｎ
ｔｉｎｕｏｕｓＣｏｍｐａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ ）和智能碾压 ［６ － ７］ （ＩＣ，ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ）等技术通过在碾压设备上安装加
速度计和 ＲＴＫ － ＧＮＳＳ定位装置，实现了碾压施工参数的实时监控和压实质量的自动反馈，有助于减少
欠碾和过碾等质量缺陷并提高碾压效率。然而，ＣＣＣ与 ＩＣ方法均认为被碾材料的压实程度可由碾轮
振动特性反应，缺乏考虑被碾材料与碾轮之间的耦合程度 ［８］ ，难以适用于粒径分布宽、局部刚度差异
大的心墙堆石坝筑坝材料。同时，碾压参数和压实质量的实时监控技术均无法解决人为因素干扰大的
难题。

收稿日期：２０２２ － ０４ － ０５；网络首发日期：２０２２ － ０９ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０９１５．１３４８．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目（Ｕ１９６５２０７）；国家自然科学基金青年科学基金项目（５２００９０８９）
作者简介：王佳俊（ １９９１ － ），博士，助理研究员，主要从事水电工程智能建设技术研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｉａｊｕｎ＿２０１４＿ｂｓ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：钟登华（１９６３ － ），博士，教授，博士生导师，中国工程院院士，主要从事水利水电工程施工仿真与实时控制分析技术
研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｚｈｏｎｇ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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