CC BY
27УДК 004.89
Andrey P. Prokop'ev
METHODOLOGICAL BASIS FOR THE DEVELOPMENT OF INTELLIGENT CONTROL SYSTEMS FOR THE COMPACTION OF ASPHALT MIXTURES
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia prok1@yandex.ru
A description of a new class of organizational and technical systems is given - intelligent road-building compaction control systems, the principles of operation of which provide for ensuring a given quality of compaction of asphalt mixtures in the process of road construction. The development of systems of that class is due, in the first place, to the transition to digital and intelligent control systems in construction. A scientific problem related to the relevance of creating methods for intelligent control of compaction of asphalt mixtures that affect the quality of road surfaces was formulated. To succeed, the usage of neural network structures was proposed. The usage will allow real-time monitoring of changes in the compaction quality index and efficient controlling of road machines using both the driver's manual means and the automatic compaction control system. The properties of the system under study - which determine the principles of its functioning: intelligence, informativity, speed, interconnectedness of subsystems, controllability and modularity - were presented. The above principles of the functioning of the proposed system, which are part of the methodology for managing the quality of asphalt compaction of pavement roads, were implemented in a set of methods and algorithms. Among them should be noted a new method of intelligent continuous control of compaction in the process of laying asphalt mixtures, an advanced method of intelligent prediction of compaction quality by vibrating rollers.
Key words: asphalt mixture, compaction, paver, road roller, intelligent control system, control system
DOI 10.36807/1998-9849-2022-63-89-84-87
Введение
При устройстве верхних слоев дорожных покрытий наибольшее распространение получили асфальтобетонные смеси (АБ) благодаря технологичности строительства, простоте ремонта и высоким транспортно-эксплу-атационным показателям [1]. Для укладки и уплотнения верхних слоев АБ смесей используется звено машин, состоящее из асфальтоукладчика (АУ) и нескольких дорожных катков. Реальные сроки службы дорог снижаются до 4-5 лет, а нередко и до 3-х [2]. Одной из значимых причин такого состояния является недоуплотнение асфальтобетонного слоя смеси. За счет качественного уплотнения АБ смеси асфальтоукладчиками и дорожными катками можно устранить до 50% недостатков покрытий и увеличить срок их службы [3].
Рабочий процесс АУ зависит от режимных параме-
Прокопьев А.П.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УПЛОТНЕНИЕМ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия
prok1@yandex.ru
Приводится описание нового класса организационно-технических систем - интеллектуальных дорожно-строительных систем управления уплотнением, принципы функционирования которых предусматривают обеспечение заданного качества уплотнения асфальтобетонных смесей в процессе строительства автомобильных дорог. Разработка систем этого класса обусловлена, в первую очередь, переходом к цифровым и интеллектуальным системам управления в строительстве. Сформулирована научная проблема, связанная с актуальностью создания методов интеллектуального контроля уплотнения асфальтобетонных смесей, влияющих на качество дорожных покрытий. Для этого предлагается использовать нейросетевые структуры, что позволит в режиме реального времени отслеживать изменение показателя качества уплотнения и эффективно управлять дорожными машинами, используя как ручные средства машиниста, так и систему автоматического управления уплотнением. Представлены свойства исследуемой системы, обусловливающие принципы ее функционирования: интеллектуальность,
информативность, быстродействие, взаимосвязанность подсистем, управляемость, модульность. Вышеуказанные принципы функционирования предлагаемой системы, входящие в состав методологии управления качеством уплотнения асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, реализованы в совокупности методов и алгоритмов. Среди них следует отметить новый метод интеллектуального непрерывного контроля уплотнения в процессе укладки асфальтобетонных смесей, усовершенствованный метод интеллектуального прогнозирования качества уплотнения вибрационными катками.
Ключевые слова: асфальтобетонная смесь, уплотнение, асфальтоукладчик, дорожный каток, интеллектуальная система контроля, система управления
Дата поступления - 19 сентября 2022 года Дата принятия - 28 сентября 2022 года
тров: скорости укладки, частоты и амплитуды колебаний рабочего органа. Уплотняющая способность современных асфальтоукладчиков, по данным исследований зарубежных и российских ученых, позволяет добиться заданных значений коэффициента уплотнения, которые могут соответствовать нормативным [4-6]. Важно отметить, что процесс уплотнения АБ смеси укладчиком происходит при температуре 130-140 °С, когда сопротивление АБ смеси меньше, чем при уплотнении дорожными катками легкого, среднего и тяжелого типов (при 80-120 °С). В случае реализации укладчиком 100% плотности комплект дорожно-строительных машин (ДСМ) может уменьшиться до одного типа тяжелого вибрационного (статического) катка, что обеспечивает экономический эффект уменьшением количества и типоразмеров катков, а также сокращением количества проходов. Хотя бы один стати-
ческии тяжелый каток нужен для закрепления достигнутого уплотнения и повышения структурной прочности асфальтобетона за счет усиления распора его частиц с одновременным закреплением этого распора повышающейся клеящей способностью битума при понижении его температуры [6].
Традиционный контроль качества АБ покрытий заключается в том, что проверка проводится выборочно и не дает необходимой полноты информации о степени уплотнения по ширине и длине автомобильной дороги, а также не позволяет осуществлять непрерывный контроль уплотнения. Этот недостаток можно устранить за счет использования методов неразрушающих технологий.
Системы непрерывного контроля и управления процессом уплотнения АБ смесей разработаны только для вибрационных и статических катков зарубежного производства. Асфальтоукладчики (АУ) оснащаются системами автоматического управления (САУ) нивелированием и температурным контролем дорожного покрытия. Для автоматизации дорожных катков ведущие зарубежные компании разработали фирменные системы, реализующие неразрушающие технологии интеллектуального уплотнения (Intelligent Compaction, IC) и непрерывного контроля уплотнения (Continuous Compaction Control, CCC). Физический смысл технологии IC/CCC заключается в наличии функциональной зависимости степени уплотнения дорожного материала от его жесткости. Изменение жесткости материала оценивается по амплитудам и частотам гармонических колебаний вибрационного вальца [7-10].
Повышение требований к качеству АБ покрытий, тенденции современного дорожного строительства по применению автоматизированных машин, обусловливают создание систем непрерывного контроля (САК) качества уплотнения и САУ для асфальтоукладчиков [11, 12]. Использование в асфальтоукладчиках интеллектуальных систем непрерывного контроля (САК) позволит повысить эффективность управления рабочими процессами, уменьшить нагрузку на машинистов при принятии решений.
В настоящей статье рассматривается новый класс организационно-технических систем - интеллектуальные дорожно-строительные системы управления уплотнением (ИДССУУ) асфальтобетонных смесей. Автоматизированное управление уплотнением асфальтобетонных смесей направлено на обеспечение жизненного цикла автомобильных дорог в парадигме цифровой экономики. Идея работы заключается в обосновании и разработке методов автоматизированного контроля качества уплотнения, новых алгоритмов синтеза систем управления на основе методов модального управления и искусственного интеллекта, для обеспечения заданного качества уплотнения асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Цель работы - создание методологических основ управления уплотнением асфальтобетонных смесей как системы принципов, методов и алгоритмов непрерывного контроля и управления уплотнением асфальтобетонных смесей асфальтоукладчиками и дорожными катками, которые работают в составе интеллектуальной системы и позволяют повысить эффективность управления уплотнением звеном дорожных машин, осуществляемого в разнообразных условиях строительства, и получить требуемое качество АБ покрытий автомобильных дорог.
Задачи для достижения поставленной цели:
- предложить структуру интеллектуальной дорожно-строительной системы управления уплотнением асфальтобетонных смесей;
- осуществить системный анализ интеллектуальные дорожно-строительные системы управления уплотнением (ИДССУУ);
- разработать методологию управления качеством уплотнения асфальтобетонных смесей в процессе строительства автомобильных дорог.
Разработка интеллектуальной системы управления уплотнением
Предлагается интеллектуальную дорожно-строительную систему управления уплотнением разрабатывать на базе известных систем интеллектуального уплотнения (1С) / непрерывного контроля уплотнения (ССС), которые представляют собой комплекс взаимодействующих систем, функции которых направлены на обеспечение непрерывного информирования машинистов, дорожных мастеров, руководителей строительства, заказчиков и передачи данных на внешние серверы о результатах строительства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Структурная схема жизненного цикла автомобильных дорог с выделением места на ней ИДССУУ представлена на рис. 1.
Террито-
риальное Проекти-
плани- рование
рование
Дорожное
строительство
Эксплуа- Демонтаж
ИДССУУ (асфальтоукладчики -дорожные катки)
Рис. 1. Место системы в жизненном цикле автомобильных дорог
Интеллектуальная система управления уплотнением асфальтобетонных смесей содержит следующие подсистемы:
- система непрерывного контроля уплотнения в процессе укладки определяет в режиме реального времени, на основе методов искусственного интеллекта, показатель качества уплотнения асфальтобетонных смесей асфальтоукладчиком, создает информационные сигналы и передает их с помощью сетей беспроводной связи (радиосигналы, WiFi, ЫиеШо^) в системы управления и блоки управления машинистов укладчиков и катков (с использованием технологии интернета вещей), а также верхние уровни иерархии управления строительством;
- система непрерывного контроля уплотнения в процессе уплотнения определяет в режиме реального времени на основе методов искусственного интеллекта показатель качества уплотнения АБ смесей вибрационным катком, создает информационные сигналы и передает их с помощью сетей беспроводной связи (радиосигналы, WiFi, Ыие№о№) в системы управления и блок управления машиниста катка, а также верхние уровни иерархии управления строительством;
- система автоматического управления уплотнением в процессе укладки обеспечивает изменение частоты ударов трамбующего бруса рабочего оборудования АУ для поддержания качества уплотнения (коэффициента уплотнения) на заданном уровне;
- система автоматического управления уплотнением асфальтобетонных смесей дорожными катками обеспечивает изменение частоты колебаний вибратора в вальце дорожного катка для поддержания качества уплотнения (коэффициента уплотнения) на заданном уровне.
Структурно-функциональная схема предлагаемой системы управления уплотнением отрядом дорожных машин приведена на рис. 2.
Здесь: g - задающее воздействие (уставка); e -ошибка регулирования; u и у - регулирующий вход и регулируемый выход объекта соответственно; f - внешние возмущения, приложенные к входу объекта; ОУ - объект управления; Р - регулятор; САКУ - система автоматического контроля уплотнения; ИПР - блок интеллектуального принятия решения; НКУ - блок непрерывного контроля уплотнения; Д - прибор распознавания аномалий; у1, у2, У3, У4, У5 - переменные на входе САК уплотнения, показа-
Рис. 2. Структурно-функциональная схема системы управления уплотнением асфальтобетонных смесей отрядом дорожных машин
тель типа смеси, скорость укладчика, усилие в толкателе трамбующего бруса, частота трамбующего бруса, толщина слоя, соответственно; v1, V,, V,, V,, V,. - переменные на входе блока ИПР, коэффициент уплотнения, скорость катка, температура смеси, температура воздуха, частота вибрации, соответственно. Индексы: а - асфальтоукладчик; к - дорожный каток.
Задающее воздействие САУ уплотнением асфальтоукладчика - коэффициент уплотнения, определяется на этапе подготовки проекта производства работ, с учетом наличия дорожных катков, максимальной уплотняющей способности укладчика.
Регулирующим параметром является частота ударов трамбующего бруса. Выходной параметр САУ укладчиком уа - коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси, определяется в блоке интеллектуальной САК уплотнения и в режиме реального времени беспроводными средствами передается на вход САУ уплотнением вибрационных катков.
Входные данные САУ уплотнением вибрационного катка: коэффициент уплотнения после асфальтоукладчика; скорость дорожного катка; частота колебаний вибратора вальца; температура поверхности слоя; температура воздуха. Уставка gк определяется в блоке интеллектуального принятия решения.
Регулируемая переменная дорожного катка - коэффициент уплотнения, определяется в режиме реального времени системой непрерывного контроля уплотнения после каждого прохода по одному следу. В главной обратной связи САУ для обнаружения рассогласования параметров сигналов и преобразования этого рассогласования в сигнал, удобный для дальнейшей обработки, используется блок распознавания аномалий.
Системный анализ интеллектуальной системы управления
На основе свойств дорожно-строительных систем и интеллектуальных систем сформулированы принципы функционирования ИДССУУ.
1. Интеллектуальность обусловлена наличием в ее структуре машиниста, дорожного мастера, а также системы интеллектуального непрерывного контроля уплотнения (НКУ). При этом система НКУ способна оказывать вспомогательные действия машинисту и формировать его управляющие воздействия по отношению к дорожным машинам. Под интеллектуальностью ИДССУУ понимается величина функции качества уплотнения АБ смеси, определяемая с использованием методов искусственного интеллекта в режиме реального времени.
2. Информативность определяется полнотой и достоверностью ее входных данных, включающих физико-механические свойства АБ смеси, параметры дорожной машины, а также выходных данных САК уплотнения. Для обучения искусственной нейронной сети важны пол-
нота и достоверность базы данных.
3. Быстродействие характеризуется скоростью обработки информации, которая обеспечивает функционирование дорожно-строительной системы (асфальтоукладчик - дорожные катки) в реальном масштабе времени. Для обеспечения непрерывного процесса строительства дорожных покрытий актуальны операции непрерывного сбора и анализа данных.
4. Взаимосвязанность подсистем предусматривает участие всех машин отряда (асфальтоукладчик - дорожные катки) в обеспечении управления процессами уплотнения, а также обмена данными между ними на этапах укладки и завершающего уплотнения дорожных покрытий в режиме реального времени.
5. Управляемость системы предполагает эффективную реализацию процесса уплотнения асфальтобетонных смесей комплектом дорожных машин, что обеспечивается управляющими воздействиями машинистов (асфальтоукладчика, дорожных катков), непрерывной нейросетевой системы контроля уплотнения и системы управления уплотнением.
6. Модульность системы характеризуется использованием универсальных платформ технических средств автоматизации для асфальтоукладчиков и катков, что создает предпосылки для внедрения в дорожно-строительную отрасль.
Рассмотренные принципы работы ИДССУУ направлены на эффективное ее функционирование, основным показателем которой является коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси.
Методологические основы управления
уплотнением
Методология ИДССУУ представляет (рис. 3), реализацию системы на базе взаимосвязи принципов, методов и алгоритмов, направленных на повышение качества уплотнения АБ смесей.
Рис. 3. Структурно-функциональная схема методологии управления качеством уплотнения АБ смесей: П1 - П6 -принципы функционирования системы управления уплотнением;
М1 - М4 - методы автоматического контроля и управления уплотнением; А1 - А4 - алгоритмы автоматического контроля и управления уплотнением
Методы нейросетевого непрерывного контроля уплотнения (рис. 3) в процессе укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей (М1, м2) базируются на принципах интеллектуальности системы (П1), информативности (П2), быстродействия (П3), взаимосвязанности (П4) и модульности (Пб). Методы управления уплотнением в процессе укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей (М3, М4) используют принципы быстродействия системы (П3), управляемости (П5) и модульности (П6).
Предложенные методы реализуются алгоритмическим и программно-техническим обеспечением ИДССУУ:
1) прогнозирование показателя качества уплотнения в процессе укладки асфальтобетонных смесей (А1);
2) прогнозирование показателя качества в процес-
се уплотнения (А2);
3) управление уплотнением асфальтобетонных смесей асфальтоукладчиком (А3);
4) управление уплотнением асфальтобетонных смесей дорожными катками (А4).
Представленная в работе совокупность идей построения интеллектуальной дорожно-строительной системы управления уплотнением асфальтобетонных смесей, направлена на повышение качества асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Отличительной особенностью этой системы является совокупность методов и алгоритмов интеллектуального непрерывного контроля качества уплотнения в процессе укладки и завершающего уплотнения асфальтобетонных смесей, автоматизация управления показателем качества уплотнения с учетом заданного значения показателя, рабочих режимов объекта управления и внешних возмущений.
Заключение
В статье рассмотрен новый класс организационно-технических систем - интеллектуальная дорожно-строительная система управления уплотнением, функционирование которой имеет целью обеспечение заданного качества уплотнения асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Анализ интеллектуальной дорожно-строительной системы управления уплотнением позволил выявить свойства и принципы ее функционирования, на основе которых разработаны методы и алгоритмы, реализующие методологические основы управления качеством уплотнения. Предложенные в статье методологические основы направлены на решение актуальной научно-технической проблемы повышения качества асфальтобетонных покрытий, осуществляемых в разнообразных условиях дорожного строительства. В основе содержатся методы непрерывного контроля уплотнения, прогнозирования и оперативной корректировки рабочих режимов дорожных машин с учетом изменения физико-механических свойств дорожных материалов уплотняемого слоя и действующих внешних факторов.
Литература
1. Обзор современных мировых тенденций развития асфальтобетонов // Дороги России. №1(115). 2020. С. 7-23.
2. Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. Актуальные проблемы ресурсосбережения и качество // Четвёртый Всероссийский дорожный конгресс «Перспективные технологии в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог». Сб. научн. тр. МАДИ. 2015. С. 178-187.
3. Захаренко А.В., До Суан Тхань, Чан Ван Лыонг. Рабочий орган асфальтоукладчика // Вестник Иркутского гос. техн. ун-та. 2013. № 10 (81). С. 157-161.
4. Böhmer P. Untersuchunger uber die Verdichtung - swirkung von Schwarzdeckenfertigern // Baumaschine und Bautechnik. 1974. № 7-8. S. 233-238.
5. Буртыль Ю.В., Леонович И.И. Взаимозависимости ровности покрытия и прочности дорожной одежды // Труды БГТУ: Лесная и деревообраб. пром-сть. 2011. №
2. С. 86-92.
6. Костельов М.П., Пахаренко Д.В., Бринкс
3.К. Как правильно выбрать и настроить асфальтоукладчик. Дорожная техника. 2007: кат.-справ. СПб.: ООО «Славутич». 2007. Вып. 70.
7. Donghai L., Lei G. Analysis and improvement of roller Vibration behavior-based indexes for monitoring compaction quality of earth-rock dams[J]. // J. Hydroel. Eng. 2018. Vol. 37(4), P. 111-120.
8. Sivagnanasuntharam S., Sounthararajah A., Ghorbani J., Bodin D., & Kodikara J. A state-of-the-art review of compaction control test methods and intelligent
compaction technology for asphalt pavements. Road Materials and Pavement Design. 2021. P. 1-30.
9. Li S., Ye Y., Tang L., Cai, D., Tian, S.j Ling X. Experimental Study on the Compaction Characteristics and Evaluation Method of Coarse-Grained Materials for Subgrade // Materials. 2021. Vol. 14. 6972.
10. Zhang Q., An Z., Huangfu Z., Li Q. A Review on Roller Compaction Quality Control and Assurance Methods for Earthwork in Five Application Scenarios. Materials. 2022. Vol. 15. 2610.
11. Прокопьев А.П., Набижанов Ж.И., Емельянов Р.Т., Иванчура В.И. Новый метод нейросетевой системы контроля уплотнения асфальтобетонных смесей // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2021. № 09. С. 65-69.
12. Прокопьев А.П., Набижанов Ж.И., Иванчура В.И., Емельянов Р.Т. К вопросу создания системы непрерывного контроля уплотнения дорожных материалов для асфальтоукладчиков // Программная инженерия. Т. 12. № 8. 2021. С. 413-419.
References
1. Obzor sovremennyh mirovyh tendencij razvitija asfal'tobetonov // Dorogi Rossii. №1(115). 2020. P. 7-23.
2. Rudenskij A.V. Dorozhnye asfal'tobetonnye pokrytija. Aktual'nye problemy resursosberezhenija i kachestvo // Chetvjortyj Vserossijskij dorozhnyj kongress «Perspektivnye tehnologii v stroitel'stve i jekspluatacii avtomobil'nyh dorog» Sb. nauchn. tr. MADI. 2015. P. 178-187.
3. Zaharenko A.V., Do Suan Than', Chan Van Lyong Rabochij organ asfal'toukladchika // Vestnik Irkutskogo gos. tehn. un-ta. 2013. № 10 (81). P. 157-161.
4. Böhmer P. Untersuchunger uber die Verdichtung - swirkung von Schwarzdeckenfertigern. Baumaschine und Bautechnik. 1974. № 7-8. P. 233-238.
5. Burtyl' Ju.V., Leonovich I.I. Vzaimozavisimosti rovnosti pokrytija i prochnosti dorozhnoj odezhdy // Trudy BGTU: Lesnaja i derevoobrab. prom-st'. 2011. № 2 P. 86-92.
6. Kostel'ovM.P., Paharenko D.V., Brinks Z.K. Kak pravil'no vybrat' i nastroit' asfal'toukladchik // Dorozhnaja tehnika - 2007: kat. - sprav. SPb.: OOO «Slavutich». 2007. Vyp. 70.
7. Donghai L., Lei G. Analysis and improvement of roller vibration behavior-based indexes for monitoring compaction quality of earth-rock dams[J]. J. Hydroel. Eng., 2018, 37(4), pp. 111-120.
8. Sivagnanasuntharam S., Sounthararajah A., Ghorbani J., Bodin D., & Kodikara J. A state-of-the-art review of compaction control test methods and intelligent compaction technology for asphalt pavements. Road Materials and Pavement Design. 2021, pp. 1-30.
9. Li S., Ye Y., Tang L., Cai, D., Tian, S., Ling X. Experimental Study on the Compaction Characteristics and Evaluation Method of Coarse-Grained Materials for Subgrade. Materials. 2021. 14. 6972.
10. Zhang Q., An Z., Huangfu Z., Li Q. A Review on Roller Compaction Quality Control and Assurance Methods for Earthwork in Five Application Scenarios. Materials. 2022. 15. 2610.
11. Prokop'ev A.P., Nabizhanov Zh.I., Emel'janov R.T., Ivanchura V.I. Novyj metod nejrosetevoj sistemy kontrolja uplotnenija asfal'tobetonnyh smesej // Sovremennaja nauka: aktual'nye problemy teorii i praktiki. Serija: Estestvennye i tehnicheskie nauki. 2021. № 09. P. 65-69.
12. Prokop'ev A.P., Nabizhanov Zh.I., Ivanchura V.I., Emel'janov R.T. K voprosu sozdanija sistemy nepreryvnogo kontrolja uplotnenija dorozhnyh materialov dlja asfal'toukladchikov // Programmnaja inzhenerija. Tom 12. № 8. 2021. P. 413-419.
Сведения об авторе
Прокопьев Андрей Петрович, канд. техн. наук, доцент каф. строительных материалов и технологии строительства; Andrey P. Prokop'ev, Ph.D (Eng.), Associate Professor of building materials and construction technology department, prok1@yandex.ru
