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水 利 学 报

２０２４年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０３ － ０２５３ － １３

基于 ＣＡ － ＲＬ的堆石坝填筑仓面碾压作业动态路径规划

崔 博，钟 航，王佳俊，谭添文，林威伟，佟大威
（天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 ３００３５０）

摘要：碾压作业是堆石坝填筑仓面施工的关键工序，科学合理规划碾压路径能够在保障碾压质量的前提下提高碾
压效率。在当前路径规划研究基础上进一步考虑碾压机数量变化、压实质量感知等动态要素可以提高路径规划模
型面对复杂动态的仓面施工环境的适应性。本文通过建立基于元胞自动机的填筑仓面信息模型、提出条带整体压
实质量评价方法，解决压实质量等仓面信息的储存更新的问题；通过建立基于强化学习的碾压作业路径规划模
型、构建碾压机状态集和动作集、设计奖励函数和探索利用策略，解决碾压机数量变化的路径分配的问题；耦合
上述两种模型，实现堆石坝填筑仓面碾压作业动态路径规划。结合国内某堆石坝工程开展了工程应用，结果表
明：本方法可动态考虑碾压机数量变化、压实质量感知等要素，路径规划结果在保障碾压质量的前提下路径长度
相较现场施工实际路径平均缩短 ２２．３％，能够有效提升碾压效率。
关键词：堆石坝填筑；仓面碾压作业；动态路径规划；元胞自动机；强化学习
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０３１９
中图分类号：ＴＶ５３

１ 研究背景

碾压作业是堆石坝填筑仓面施工中的关键工序，在保障碾压质量的前提下提高碾压效率是减少大
坝建设工期、降低成本投入的重要方式 ［１］ 。我国堆石坝碾压质量智能化控制研究快速发展 ［２ － ５］ ，现场
碾压施工主要根据碾压遍数进行施工，对碾压质量的控制可能存在不足，影响大坝整体施工效率。因
此，有必要进行综合考虑压实质量感知、碾压机数量变化的碾压机群作业动态路径规划，保证堆石坝
碾压作业高质量高效率完成。
当前，国内外关于土石材料压实质量实时评价方面已有较多研究成果，且评价结果精度较高，能够
有效指导碾压作业。压实质量评价的研究方法主要有两种，一是通过智能算法建立压实质量评价模型，
将料源参数、碾压参数等作为输入参数，实现压实质量评价 ［６ － ８］ ；二是利用加速度传感器得到滚轮振动
信号，提出与压实质量强相关的指标，例如 ＣＶ、ＣＭＶ、ＣＣＶ等，实现压实质量的实时评价 ［９ － １１］ 。
元胞自动机具有离散化储存以及状态可转移等特点，基于元胞自动机建立填筑仓面信息模型，能
够解决填筑仓面中压实质量等信息储存更新的问题，为路径规划提供环境模型。路径规划研究中广泛
应用元胞自动机，李姗等 ［１２］ 在无人机路径规划研究中融入元胞自动机原理，自定义元胞自动机演化规
则，解决了无人机路径规划中复杂空间限制问题，提高了路径流畅度。焦铮 ［１３］ 根据摊铺施工中推土机
作业特点，建立了摊铺作业的元胞自动机模型，自定义各状态的转移规则，实现了推土机实时监控数
据向摊铺质量实时分析的转换。孙佳恩等 ［１４］ 结合元胞自动机原理将复杂仓面的环境数据定义为障碍
物、厚度等元胞状态，构建了摊铺路径规划的动态环境。Ｎａｒａｎｊａｎｉ等 ［１５］ 通过设置加权因子构建符合
三维地形的元胞自动机模型，实现三维规划转换为二维规划，解决了多目标三维路径规划问题。Ｐｅｉ

收稿日期：２０２３ － ０５ － ３１；网络首发日期：２０２４ － ０１ － １６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０１１５．１５３３．００２．ｈｔｍｌ
作者简介：崔博（１９８３ － ），教授，主要从事水利水电工程智能建设与智慧管理。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｕｉｂ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：佟大威（１９８２ － ），博士，副教授，主要从事结构仿真与抗震研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｔｏｎｇｄｗ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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