自主型压路机:道路建设工程的革新

不需要人的帮助便能自主驾驶的汽车尚未出现在我们的日常生活中,但是它们已经触手可及。在其他生活领域,与自主行驶或作业相关的产品和服务也像雨后春笋般地涌现;如割草或擦窗机器人。在建筑机械行业则不同,到此为止还很少有自主行驶的机械设备。不过,建筑领域的辅助系统正在征服各种设备。在压实技术方面,HAMM AG属于那种引领潮流并最先采用新技术以进一步改进压路机的企业。现在,以技术为核心的企业HAMM再次确立了重点 – 这次是开发自主行驶的压实设备。

当前尚在测试路段划定区域内所发生的一切,正是未来项目“自主型压路机”的一部分。HAMM压路机还需要经过很多年的时间才能完全自主地行驶和压实。但是有一点已在HAMM的分析和试验中得到验证:利用自主行驶的压路机可以显著提高压实的质量和经济性。目前,在现代客车和货车中,辅助系统使用的增速很快。用于导航、巡航控制、距离保持、车道辅助、驻车及转向辅助或近光灯自动开关的GNSS系统得到了越来越普遍的使用。很多国家甚至已将其作为新车的标准装备。这些辅助系统是测试路段中自主行驶货车及客车的基础,由行业先驱开发。

“这种开发不会止步于建筑机械。沥青和土方压实压路机将成为第一批大面积使用这类系统的设备。其原因是:与其他类型的机械设备相比,它们在更多的方面与汽车类似。正是由于这一原因,我们在HAMM对这个主题进行了较长时间的研究。”

Stefan Klumpp博士,HAMM AG技术董事

HAMM:自主行驶压路机的潮流引领者

HAMM是这方面的领先企业,机械制造工程师Klumpp对此继续说明道:“目前,我们在这一行业还未听说其他企业有自主行驶的压路机。我们通过调查了解到,我们的客户可通过这类压路机提高压实质量和经济性。而且,其他一些在自己领域中领先的企业已对“自主型工地”的机遇和影响进行了深入研究。因此,早在很久之前我们就已与一些客户就这一主题进行了对话。我们的目标是,一方面在可用的专业人员有限的背景下进一步优化建造过程,另一方面高质量、高效地使用机械设备,并节约资源。”

设计研究已经在进行

自主行驶的压路机可能长什么样,HAMM研发负责人Axel Römer博士已经和他的团队进行了调研:“我们对技术、设计和经济方面进行了观察并分成不同的课题进行了评估。其结果是:一台没有驾驶员的压路机不需要驾驶台,但是需要明显更多的传感器,这些传感器除了监控压实参数外,还要监控压路机的周围环境。我们对这些要求进行了综合,发现了很多新的设计可能性。例如,我们可以为自主型压路机配备直径明显更大的钢轮、更大的水箱,并为电驱动压路机提供蓄电池所需的空间。这对质量、环保和效率都有好处。”

HAMM经过与工业设计师的合作研究并制定出了相应的方案及设计研究课题。结果令人印象深刻 – 尤其是9吨机械设备的钢轮直径可达近2米。而且,机械设备的总高度比带有驾驶室或车顶的现有机械设备明显降低。

有关自主型压路机的设计研究

大钢轮直径、大水箱和电驱动空间 - 自主型压路机可能就是这样的。

辅助系统现已投入使用

要让这样的机械设备成为现实,道路还很长 – HAMM认为这可能需要数十年的时间。但是这一征程却早已开始,其标志就是大量辅助系统的使用。人们所熟知的首先是HCQ导航器。它能利用压路机的车载计算机和实时GNSS数据显示何处已压实几次以及压实的程度。此外还有各种行驶功能(如自动换向或巡航控制)及安全功能(如倒车摄像头)。它们全都能减轻驾驶员的负担,而且现在已经有助于提升压实质量。另外,HAMM开发人员已开始致力于其他系统的开发,如车道辅助系统、新增的转向辅助以及HCQ导航器的后续研发。

复杂的传感系统和编程

为了令压路机在高质量压实的同时能够完全自主行动,所需的传感器要比今天的压路机多得多,并且需要有更加智能化的软件。利用这些传感器从压路机的周围采集所有相关数据。包括空间位置、行驶方向、与其他物体间的距离、当前所需压实区域的材料参数(例如温度和刚性)或天气信息(例如风或冷却速度)。压路机必须将这些数据与针对该区域的规定进行比较(哪里需要压实?),与压路机方案进行比较(多少台哪种机型压路机共同作业?),或者与所需的压实度进行比较(将力争达到怎样的孔隙率?)。此外要制定压实策略以及关于换向前如何打方向、边缘处理、行驶速度、激励系统的使用等方面的操作说明。简而言之:这是一项复杂的任务。

辅助系统的中心角色

大量辅助系统在自主行驶的压路机中起着决定性作用。HAMM已在自己的测试路段上使用了多种此类系统,以便使无人驾驶的压路机能够安全地完成规定的程序,而不会发生碰撞。

永久性测试路段上运行1万个小时

HAMM已成功完成了第一步。不仅是在理论上,在实践中也已取得了具体进展,比如Tirschenreuth工厂内的永久性测试路段以及造出了可在没有驾驶员的情况下跟随前方机械设备行驶的“影子压路机”。永久性测试路段自2014年起投入使用。它在刚刚建成时主要是用于原型机的测试。在可复制的条件下,HAMM开发人员从新研制的原型机问世起便令其日夜不停地在测试路段上运行了数周 – 在没有驾驶员的情况下。为此,该机械设备自主完成了规定的程序,自行运行至加油站并在测试结束后自行停下。为了避免压路机与人员或物体碰撞,HAMM开发人员安装了全面的环境监控系统。“我们在这一测试路段上行驶了1万小时以上,对自主行驶有了一些了解”,参与该设备控制系统开发的硕士工程师Hans-Peter Patzner解释道。现在,他正面临着一个新挑战,因为目前HAMM正在建设第二条测试路段,以便在将来可以有两台压路机同时在这一场地上行驶。“为此,我们研制了一种碰撞监控系统,这标志着我们朝着自主行驶的方向又迈进了重要的一步”,这位自动化专家说道。

没有驾驶员的影子压路机

第二个项目的研发方向不同:通过与Osnabrück大学合作,我们成功地令一辆经过改装的无人驾驶压路机自动地跟随一辆模拟筑路机行驶。研发负责人工学博士Römer对此点评道:“如果沿着‘影子压路机’的思路进一步考虑,便能通过压实过程的自动化挖掘出诸多潜能。例如,通过保持速度窗口和轨迹来提升质量。通过有针对性地对压路机进行制动来避免超出压路区域,从而避免过度压实。再者,通过精确的压路机线路转换来防止挤压变形。同时,所有这些系统都会自动提高作业效率 – 尤其是当这些方案被应用于整个车队时。”

通过自动化实现更高的质量

无论自主压实如何设计 – 从今天的角度来看,都要通过各种各样的辅助系统才能实现目标。“这些辅助系统将在未来的几年里逐步减轻驾驶员的负担,它们的开发深受自主型压路机美好前景的鼓舞。当然,每一种新的辅助功能都对压实过程有着重大意义,这与自主型压路机的前景无关”,Klumpp博士解释道。在环境监控对完全自主行驶来说还不够精准的情况下,车上必须要有压路机驾驶员。他只需要在特定的情况下接管车辆,例如在加油、装料卸料时或在出现无法预见的事件时进行干预。当今航空领域已采用类似方式:在现代化的飞机中,自动驾驶仪和其他系统已承担了飞行过程中的大部分工作。飞行员自己仅在起飞和降落时以及在异常情况下操纵飞机 – 在其他时候,其主要任务是对过程进行监控。

迈向自主型压路机的第一步

在HAMM测试场地,自主行驶的压路机已行驶了1万小时以上。

新产品要求法律方面的框架条件

当压路机在“自主型工地”上进行压实前,除了技术外,还要关注各种相关的法律问题。例如,人们会提出以下问题:如果一台自动行驶的机械设备造成了损害,那么由谁承担责任:制造商,所有者,规划者?此外,在有疑问的情况下如何评价的问题,也有待澄清:控制系统的设计是应该优先保护周围环境中的对象,还是应始终优先考虑最优的压实质量?制造商和用户必须与项目委托单位、主管部门、政策部门和立法者就这些方面的问题进行讨论。

在建设过程中更有条理

由于自主型施工机械的开发需要制造商进行一定的投入,因此HAMM也考虑过应在何种边界条件下建立这些系统。Klumpp博士对此的意见是:“我们认为,50年后仍会需要并建造沥青和混凝土制成的道路。但是,为了能朝着自主行驶的机械设备这一方向迈出这一步,就必须对环境乃至建造过程作出改变。在我们这个行业中,诸如在采矿领域,就有自主行驶的机械设备。采矿作业时,人们在封闭的系统内执行高度标准化的操作,与外部世界的接触点很少,对作业过程没有什么不可预见的影响。在这样清晰界定的边界条件下,巨型卸料车目前已在大型矿山中以无人驾驶的方式对岩石进行数公里之遥的运输。在道路建设工程中,其流程与此相比有着更大的不确定性,可组织性也更低。每个工地都有所不同。而且与环境的接触也要多得多(因此便有着更多的潜在威胁),使用者的行为也不统一。为了能进一步挖掘自动化的潜力,必须在道路建设工程中采用诸如更大的项目单元和更高的标准化。这反过来又要求改变规划人员及施工企业的思路。”

“我们已拟定了我们的愿景。由此产生的各个项目都将朝着自主压实的方向逐步推进。也许我们的远期目标对有些人来说就像是科幻小说。但在20至30年后,其中的很多方面都将变成现实,或成为常态。最终,得益于我们的开发,未来的道路建设工程会变得更加经济、高效和更好。”

Stefan Klumpp博士,HAMM AG技术董事

从压路机驾驶员到压路机经理

最终,压路机驾驶员的职业形象发生变化。首先,进一步的自动化会缓解专业人员缺乏的问题。其次,当影子压路机或在很大程度上实现了远程控制的压路机主导了工地后,他们的职业形象将再一次发生变化:由操纵机械设备的驾驶员变为压路机经理,从而可以对整个机械设备车队进行参数设置和监控 – 甚至是在办公室里。这样的发展首先将在高薪国家发生 – 前提条件是,它们能带来质量上和经济上的好处。在这种情况下,将通过更少的人员和更高的效益达到节省成本的目的。此外,还可能会因质量的提高而令返工现象消失。当然,所有这一切都要求在规划人员和客户方面具有合适的接口和规划工具,以及相应的法律框架。必须在开发机械设备的同时构建起这样的环境。