3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)mmGPS在公路施工中的應(yīng)用

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3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)mmGPS在公路施工中的應(yīng)用

達(dá)德昌，蒲文文

(甘肅省恒通路橋工程有限公司，甘肅 蘭州 730071)

mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)是一種專門用于對(duì)施工作業(yè)面進(jìn)行高精度整平的光機(jī)電液一體化3D自動(dòng)控制系統(tǒng)，是專門與相關(guān)施工機(jī)械配套并提高其自動(dòng)化水平的重要手段，也是當(dāng)今世界上先進(jìn)的整平作業(yè)技術(shù)。mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)集成了多種定位/傳感技術(shù)、專業(yè)化軟件和強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攤鋪機(jī)的精確控制、熨平板的實(shí)時(shí)定位，以及完全自動(dòng)化的施工作業(yè)，從而滿足垂直曲線、過(guò)渡點(diǎn)、超高曲線和復(fù)雜站點(diǎn)等要求苛刻的公路工程建設(shè)需要。本文以SCMC ABG攤鋪機(jī)型為例，論述mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

一、系統(tǒng)配置

mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)由基準(zhǔn)站設(shè)備、機(jī)載設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備3個(gè)主要部分組成。其中基準(zhǔn)站設(shè)備包括1臺(tái)GNSS接收機(jī)和2～4臺(tái)激光發(fā)射器；機(jī)載設(shè)備包括1～2個(gè)GNSS/激光接收器、1個(gè)坡度傳感器、1個(gè)控制器和1個(gè)GNSS接收機(jī)；檢測(cè)設(shè)備包括1套GNSS/激光流動(dòng)站系統(tǒng)。

1. GNSS接收機(jī)

GNSS基準(zhǔn)站接收機(jī)配備有外置或內(nèi)置發(fā)射電臺(tái)，將其架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上或經(jīng)過(guò)聯(lián)測(cè)的已知坐標(biāo)點(diǎn)上，通過(guò)RTCM格式或廠家自定義格式播發(fā)RTK改正數(shù)據(jù)。其作用是為機(jī)載設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備提供厘米級(jí)高精度3D定位基準(zhǔn)。本項(xiàng)目采用了1臺(tái)帶內(nèi)置電臺(tái)和基準(zhǔn)站配置的Topcon HiperV GNSS接收機(jī)(如圖1所示)。

圖1　GNSS基準(zhǔn)站接收機(jī)

2. 激光發(fā)射器

在mmGPS系統(tǒng)中，型號(hào)為L(zhǎng)Z-T5的激光發(fā)射器被架設(shè)在已知高程控制點(diǎn)上，通過(guò)Topcon的LaserZone技術(shù)(如圖2所示)向外發(fā)射1000 rpm、360°旋轉(zhuǎn)、±5 m的激光墻，為半徑300 m內(nèi)的激光接收器提供毫米級(jí)高程基準(zhǔn)。LZ-T5激光發(fā)射器具有自動(dòng)對(duì)點(diǎn)和自動(dòng)整平功能。

圖2　LaserZone毫米級(jí)高程控制技術(shù)

3. GNSS/激光接收器

圖3顯示了一個(gè)典型的mmGPS機(jī)載系統(tǒng)的構(gòu)成。GNSS/激光接收器(型號(hào)PZS-MC)包括一體化的GNSS接收天線和具有360°激光接收能力的激光接收元件。它可以同時(shí)接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)和由激光發(fā)射器發(fā)射的激光信號(hào)，并通過(guò)電纜線將信號(hào)傳遞給GNSS接收機(jī)。GNSS/激光接收器通常安裝在自動(dòng)或手動(dòng)可升降的桅桿上，并與攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行剛性連接。GNSS/激光接收器與熨平板底部的固定偏差在系統(tǒng)安裝時(shí)會(huì)進(jìn)行精密量測(cè)和校準(zhǔn)。在實(shí)際操作中，由于相對(duì)固定的幾何關(guān)系，由GNSS相位中心和激光接收元件的幾何中心可以精確推算出熨平板底部的實(shí)時(shí)3D位置與高程，從而可以與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)控制攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)熨平板進(jìn)行升/降控制，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)高程精度。攤鋪機(jī)與GNSS/激光接收器的安裝與連接如圖4所示。

圖3　mmGPS系統(tǒng)所包含的機(jī)載設(shè)備

圖4　GNSS/激光接收器的安裝

4. 坡度傳感器

坡度傳感器作為一個(gè)系統(tǒng)選項(xiàng)可以對(duì)熨平板的坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，精度可達(dá)±0.025%。通常，坡度傳感器可以用來(lái)替代第2個(gè)GNSS/激光接收器，利用單邊GNSS/激光接收器加上坡度傳感器對(duì)整個(gè)熨平板進(jìn)行高程和坡度的控制，從而構(gòu)成一個(gè)較低成本的簡(jiǎn)化mmGPS系統(tǒng)。本項(xiàng)目系統(tǒng)使用了2個(gè)GNSS/激光傳感器，因此未采用坡度傳感器。

5. GNSS接收機(jī)

機(jī)載GNSS接收機(jī)(型號(hào)MC-R3，如圖5所示)是用于施工機(jī)械上的專業(yè)化GNSS設(shè)備，具有優(yōu)越的三防性能和內(nèi)置電臺(tái)等高端配置。它將GNSS/激光傳感器獲取的GNSS信號(hào)和激光信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出實(shí)時(shí)GNSS 3D坐標(biāo)和精密高程，并將其結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)控制器。

圖5　GX-60控制器

6. 控制器

控制器(型號(hào)GX-60，如圖6所示)是連接mmGPS系統(tǒng)和攤鋪機(jī)系統(tǒng)的核心部分。它既是mmGPS的人機(jī)界面，同時(shí)也是向攤鋪機(jī)系統(tǒng)發(fā)布指令的控制中心。通過(guò)3D-MC軟件，它能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的上傳，以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)與下載，能夠監(jiān)控整體作業(yè)情況及與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算出的偏差，并能夠根據(jù)施工工況和項(xiàng)目要求設(shè)置不同的精度等級(jí)。精度范圍可根據(jù)需要設(shè)置為1～20 mm。

圖6　機(jī)載GNSS接收機(jī)

7. 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備包括一個(gè)一體化的GNSS流動(dòng)站(型號(hào)Hiper+)、激光接收器(型號(hào)PZS-1)、控制手簿(型號(hào)FC-50)和Pocket-3D軟件。圖7為本項(xiàng)目使用的手簿軟件界面。

圖7　mmGPS檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備的用途是在施工過(guò)程中按照項(xiàng)目要求或施工需要對(duì)攤鋪結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢核。通過(guò)實(shí)測(cè)得到的GNSS RTK 3D位置信息和激光接收器得到的精密高程信息，可以檢核實(shí)際攤鋪結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的差異。

二、高程控制原理

激光發(fā)射器是由有源電池驅(qū)動(dòng)的一種激光發(fā)生裝置，它被安置在位于作業(yè)區(qū)域高程控制點(diǎn)上架設(shè)的三腳架上。激光發(fā)射頭在工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，速度高達(dá)1000 rpm，并可根據(jù)設(shè)定要求自動(dòng)達(dá)到水平面或斜坡面狀態(tài)。它發(fā)射的激光束可在作業(yè)面上形成一個(gè)激光光學(xué)平面，該平面即作為整平作業(yè)的基準(zhǔn)參照面。由于該參照面是處于一定空間高度的穩(wěn)定平面，因而不受機(jī)群作業(yè)和其他因素的干擾。

激光接收器的功用是接收激光發(fā)射器發(fā)來(lái)的含有高程信息的光信號(hào)，并根據(jù)相對(duì)基準(zhǔn)參照面的高度變化將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成變化的電信號(hào)，并傳輸?shù)娇刂破??？刂破鲗⒓す饨邮掌鱾鬟f來(lái)的電位信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理后轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制電磁比例換向閥通向熨平板提升或降低液壓缸的油量和方向，實(shí)現(xiàn)熨平板的自動(dòng)升降。

三、系統(tǒng)作業(yè)效率分析

攤鋪機(jī)在作業(yè)時(shí)通過(guò)滑靴沿著鋼絲繩行進(jìn)，并對(duì)熨平板進(jìn)行相應(yīng)的升降控制。采用mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)后，能夠消除放樣、設(shè)樁、掛繩等煩瑣的人工操作，降低了人為錯(cuò)誤出現(xiàn)的可能性和易受外界條件干擾的不利因素，尤其在進(jìn)行大面積作業(yè)時(shí)，作業(yè)周期明顯加快，施工質(zhì)量大幅提升，還減少了施工中所需的人工數(shù)量。

四、鋪筑成果展示及效能分析

圖8和圖9顯示了使用mmGPS系統(tǒng)進(jìn)行瀝青攤鋪所得到的平整度檢測(cè)和整體效果。效能分析見表1。

圖8　平整度檢測(cè)

圖9　鋪筑整體效果

五、結(jié)論

mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制技術(shù)在本項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)如下：

1) 過(guò)程化施工控制：實(shí)時(shí)顯示圖形和數(shù)據(jù)信息，攤鋪過(guò)程的實(shí)時(shí)連續(xù)控制。

2) 無(wú)樁化攤鋪：無(wú)需測(cè)量放樁和架設(shè)參考基準(zhǔn)線，且能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求靈活調(diào)整。

3) 精準(zhǔn)施工作業(yè)：系統(tǒng)根據(jù)施工要求，準(zhǔn)確按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，保證道面的平整度和厚度。

4) 全天候施工作業(yè)：系統(tǒng)施工不受光線的影響，可以全天候連續(xù)作業(yè)。

5) 操作流程化：系統(tǒng)操作系統(tǒng)化、流程化，設(shè)備簡(jiǎn)單易用。

表1　效能分析

國(guó)內(nèi)3D自動(dòng)控制技術(shù)在攤鋪機(jī)上的應(yīng)用雖然尚處于初始階段，但是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及工程施工要求的不斷變化，該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?，尤其在機(jī)群化作業(yè)施工中，mmGPS 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。

(本專欄由拓佳節(jié)豐圣和本刊編輯部共同主辦)