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水 利 学 报
2022年6月 SHUILI XUEBAO 第 53卷 第6期
文章编号：0559-9350（2022）06-0631-14
高拱坝混凝土振捣机器人系统研发及应用
王晓玲 ，王 栋 ，任炳昱 ，陈文夫 ，谭尧升 ，关 涛 1
2，3
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（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；
2. 中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都 610041；3. 中国长江三峡集团有限公司，北京 100038）
摘要：常态混凝土浇筑人工振捣施工存在工作强度高、作业主观性强等不足，现有振捣监控方法主要进行振捣位
置、振捣时间等参数监控，且均依靠人工经验评估振捣是否密实，难以实现混凝土振捣质量的精确评估。针对上
述问题，研发了融合表面图像机器视觉识别的混凝土振捣机器人系统，该系统包括振捣机器人本体、云端监控平
台以及通讯子系统。基于工业机器人、自动化控制、机器视觉等技术研制振捣机器人本体，实现高拱坝仓面混凝
土无人振捣作业；同时，建立基于改进残差网络（Residual Network，ResNet）的混凝土振捣表面图像的分类模型，
实现振捣密实性的科学分析。此外，基于 B/S架构研发云端监控平台，并通过无线通讯子系统实现与振捣机器人
本体之间信息的传输与交互，实现振捣作业信息的可视化与远程控制。现场试验验证了振捣机器人系统的可靠性
和可行性。研究成果为高拱坝混凝土振捣实现无人化作业、精细化质量控制提供了新的思路和技术手段，也可用
于其它大体积混凝土施工中，具有十分重要的应用和推广价值。
关键词：高拱坝；混凝土振捣；振捣机器人系统；机器视觉；改进ResNet；表面图像分类
中图分类号：TV53 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20220010
1 研究背景
混凝土振捣是常态混凝土浇筑密实的关键环节 ［1-2］ ，其施工质量对于混凝土坝坝体结构抗震、防
渗、抗冻等性能具有重要的影响。混凝土振捣主要是通过振捣器的高频振动，使得可塑性混凝土内
部组成进行空间重构，进而排出混凝土中夹杂的空气，以达到密实的过程。常态混凝土拱坝建设主
［3］
要依靠人工操控机械或者手持振捣器进行施工作业 ，其中，人工振捣作业存在工作强度高、效率
低、主观性强等不足；此外，质量控制主要通过监理旁站方式评估振捣操作和混凝土表面图像特征
是否满足规范要求 ［4-5］ 。该方式受旁站人员经验差异的影响，振捣施工质量难以得到有效控制。随着
我国高混凝土坝建设逐渐向高寒、高海拔等地区转移，恶劣的施工环境带来的人机效率下降、劳动
力短缺等难题进一步给浇筑质量控制带来了巨大挑战。此外，新一代信息化、智能化筑坝技术的兴
起驱动着新理论、新技术、新装备的快速发展，推动传统人工施工方式迫切需要转型升级。因此，
亟待突破现有仓面人工振捣施工技术瓶颈，研究可替代人工振捣作业的混凝土振捣机器人技术，研
发混凝土振捣机器人系统对于解决这一关键问题具有重要的科学与现实意义。
近年来，机器人技术的飞速发展以及与建筑领域学科知识深度融合为解决该问题带来了曙光 ［6-7］ 。
世界最早用于施工的建筑机器人可追溯至 1982 年日本清水公司研发的名为 SSR-1 耐火材料喷涂机器
［8］
人 。此后，大量建筑机器人研究内容围绕建筑全生命周期的各个环节展开，包括施工前准备工作、
收稿日期：2022-01-06；网络首发时间：2022-02-27
网络首发地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220225.1408.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51879186，51909187）；中国长江三峡集团公司科研项目（BHT/0835）；天津市研究生科
研创新项目（2020YJSB095）
作者简介：王晓玲（1968-），博士，教授，主要从事水利工程智能建设研究。E-mail：Wangxl@tju.edu.cn
通讯作者：任炳昱（1985-），博士，副教授，主要从事水利水电工程建设过程仿真与优化研究。E-mail：renby@tju.edu.cn
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