Page 30 - 2022年第53卷第12期

无人碾压技术通过替代人工驾驶碾压机作业，全面消除了碾压过程中人为因素的干扰，对提高大
坝碾压施工质量和效率具有重要的战略意义和广泛的应用前景，已成为研究前沿。卞永明等 ［９］ 对碾压
机进行改装，使得碾压机具备自动驾驶功能；Ｓｏｎｇ等 ［１０］ 对复杂条件下的控制算法进行了深入研究，
提高了循迹控制的精度；Ｙａｏ等 ［１１］ 改装冲击碾，提出了用于机场建设的无人压实系统；Ｚｈａｎｇ等 ［１２ － １３］
设计了一种应用于堆石坝的无人碾压系统，并构建了基于无人驾驶碾压机的大坝智能压实系统。然
而，已有的无人碾压大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，尤
其随着我国重大水利水电工程建设逐步向西南高海拔、高寒地区转移，恶劣的筑坝条件更是对设备的
耐久性和稳定性发起了挑战。
无人碾压系统从构成上可分为感知、规划决策和控制三大环节。在感知层，压实质量、障碍物和
碾压机位姿是感知的关键内容。目前压实质量感知主要基于碾轮振动特性反应被碾材料的压实程度，
如 ＣＭＶ（ＣｏｍｐａｃｔｉｏｎＭｅｔｅｒＶａｌｕｅ）、ＲＭＶ（ＲｅｓｏｎａｎｃｅＭｅｔｅｒＶａｌｕｅ）和 ＣＣＶ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｍｐａｃｔｉｏｎＶａｌｕｅ）
等 ［８］ 。然而，这类指标并不能实现粒径分布宽、局部刚度差异大的高心墙堆石坝多料种（如堆石料、
过渡料、砾石土心墙料等）压实质量的精准感知。上述无人碾压机障碍物感知多采用毫米波雷达进行
障碍物检测，无法精准检测障碍物的类型与位置；且无人碾压机位姿感知未能考虑 ＧＮＳＳ信号微弱条
件下的误差修正，易出现导航精度低等问题。在规划决策层，事前的全覆盖路径规划和事中的碾压参
数动态优化是规划决策的关键内容。在全覆盖路径规划方面，本研究团队已经实现无人碾压机碾压轨
迹的全覆盖路径规划 ［１４］ ；在碾压参数动态优化方面，已有研究实现了碾压遍数、车速和振动状态等碾
压施工参数的事前优化 ［１５］ ，但尚未实现在施工过程中碾压施工参数的动态优化，无法保证复杂条件下
碾压施工质量和效率。在控制层面，循迹控制算法是无人碾压技术的核心，直接影响到碾压作业精
［１７］
度。已有研究采用固定参数的 ＰＩＤ ［１６］ 、ＡＤＲＣ ［１０］ 和 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 等算法实现无人碾压机的循迹控制。
但固定参数的控制算法无法适应高心墙堆石坝复杂的坝面施工环境，难以保证循迹控制的精度。此
外，建立与无人碾压机双向通讯且交互友好、沉浸逼真的控制平台对碾压机运行性态及施工信息展示
具有重要意义。数字孪生通过综合运用感知、计算、建模等信息技术，对物理空间进行描述、诊断、
预测、决策，实现物理空间与虚拟空间的交互映射，目前已经成为全球信息技术发展的新焦点，是人
工智能快速发展的新生概念 ［１８］ ，然而目前在智能无人碾压领域的相关研究相对匮乏。
综上，本文开展多料种复杂施工环境条件下无人碾压系统的研究，需重点解决如下问题：（１）在
感知层，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，如何对压实质
量、环境障碍物和位姿进行多模态感知是一大挑战；（ ２）在规划决策层，如何在施工过程中实现碾压
施工参数的动态优化以保证施工质量和效率；（３）在控制层，如何动态调整控制参数以适应高心墙堆
石坝复杂的施工环境；（ ４）亟待研发基于数字孪生技术的交互平台，以友好、沉浸的方式展示碾压机
运行性态及施工信息。
针对上述问题，本研究深入剖析高心墙堆石坝施工特点，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，融合先进人工智能技术，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，并构建了相应的数字孪生平台，旨在提
升高心墙堆石坝碾压施工质量和效率。

２ 高心墙堆石坝原生集成式智能无人碾压系统

高心墙堆石坝原生集成式智能无人碾压系统可从 “原生” 和 “集成式” 两个方面解读。 “原生”
是指碾压施工过程中摒弃人的参与并实现自主碾压，在外形上最大的特征是移除了驾驶室；“集成式”
是指抛弃了使用外挂执行设备改造碾压机的理念，其中感知设备、执行设备和控制设备等由本团队统
一设计并在出厂前以集成装配的方式进行车体制造，以提升碾压施工设备的耐久性与稳定性； “原生
集成式智能无人碾压” 是指在本研究团队已有的智能感知、智能规划决策和智能控制等研究基础上研
发，其中车体的控制是本团队基于厂商提供的无驾驶舱车体底层控制协议根据 ＢＯＡ － ＰＩＤ研发的控制

— １ ４ ２ —
２