北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在公路工程建設(shè)中的應(yīng)用解析

蘇 晉 東

(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

0 引言

作為地區(qū)區(qū)域綜合建設(shè)的命脈，采用了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的公路工程建設(shè)勘察工作壓力及作業(yè)強(qiáng)度有所減緩，工程建設(shè)效率有所提高，且它打破了傳統(tǒng)GPS的技術(shù)壟斷地位，在定位精度上已經(jīng)無(wú)限接近于GPS-Ⅱ指標(biāo)，在我國(guó)高速公路工程應(yīng)用上發(fā)揮了巨大作用。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的新型定位技術(shù)，在2000年逐步完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，并在2012年開(kāi)始在亞太地區(qū)大部分地區(qū)正式提供大面積覆蓋定位服務(wù)。目前我國(guó)的北斗系統(tǒng)按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)展開(kāi)，其中第一步為試驗(yàn)系統(tǒng)、第二步為區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)、第三步為全球覆蓋目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，第三步預(yù)計(jì)將在2020年實(shí)現(xiàn)。

從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成來(lái)看，它就包括了空間段、地面段、用戶段三大部分。其中空間段包含由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星群，它們是系統(tǒng)定位的關(guān)鍵基礎(chǔ)；地面段則包含了中控站、監(jiān)測(cè)站以及注入站，專門(mén)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為用戶生成并傳遞報(bào)文文件，是系統(tǒng)的核心中樞；用戶段則兼容北斗終端系統(tǒng)，專門(mén)負(fù)責(zé)捕捉衛(wèi)星信號(hào)，全面解算定位對(duì)象位置并獲取動(dòng)態(tài)信息。

1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比GPS綜合定位系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為新研發(fā)的定位技術(shù)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)GPS存在應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先它的定位精度優(yōu)于10 m，測(cè)速精度可控制在0.2 m/s左右，還擁有較高的授時(shí)精度(50 ns)，這相比于GPS民用C/A碼目的提高了12 ns左右。

在覆蓋范圍方面，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)完全覆蓋中國(guó)全境甚至是其他周邊國(guó)家地區(qū)，基本做到了中國(guó)境內(nèi)無(wú)縫覆蓋以及與它國(guó)的無(wú)縫連接。在抗干擾能力方面，北斗在我國(guó)境內(nèi)明顯比GPS表現(xiàn)良好，信號(hào)強(qiáng)度更高。

在有源與無(wú)源結(jié)合體制方面，北斗擁有專門(mén)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)、授時(shí)系統(tǒng)以及短報(bào)文通信系統(tǒng)，三大系統(tǒng)功能集于一體，在定位實(shí)現(xiàn)位置共享報(bào)告方面有利于監(jiān)控指揮技術(shù)發(fā)揮，這也是GPS所不具備的技術(shù)功能。

總體來(lái)看，北斗系統(tǒng)作為我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)在中國(guó)境內(nèi)的安全穩(wěn)定性與抗干擾能力方面均表現(xiàn)出色，且性價(jià)比較高，在當(dāng)前的高速公路工程建設(shè)領(lǐng)域中，北斗發(fā)揮了極大功能作用[1]。

2 實(shí)際工程建設(shè)的北斗技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

2.1 工程概況

本高速公路工程以太原東二環(huán)高速公路為背景，其施工路段為凌井店到龍白段，目前已經(jīng)全線開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)在2020年完工并正式通車。整個(gè)工程項(xiàng)目路段整體為南北走向，路線全長(zhǎng)為33.199 km，公路路段擁有雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，其中還存在多個(gè)高速公路十字交叉點(diǎn)。

2.2 工程建設(shè)問(wèn)題與數(shù)字化施工設(shè)備系統(tǒng)選擇

該路段工程建設(shè)存在諸多問(wèn)題，例如它在軟基處理方面就存在檢測(cè)不全面、監(jiān)測(cè)指標(biāo)無(wú)法量化、計(jì)量方式精度偏低且施工數(shù)據(jù)報(bào)告滯后等等問(wèn)題。

而在路基填筑方面則采用傳統(tǒng)推土機(jī)粗平、平地機(jī)精平等等施工工藝完成整平作業(yè)，在整體控制方面難以做到均勻準(zhǔn)確，特別是在路基施工中不能保證施工方向與設(shè)計(jì)方向一致，其中會(huì)設(shè)置一條中線，方便控制施工方向，在設(shè)置過(guò)程中未能嚴(yán)格控制中線偏位現(xiàn)象，導(dǎo)致偏位超過(guò)路基施工標(biāo)準(zhǔn)，造成返工。

在刷坡方面，該路段希望摒棄傳統(tǒng)的挖機(jī)粗略刷坡技術(shù)，而是采用人工精準(zhǔn)修整方式進(jìn)行刷坡作業(yè)。考慮到刷坡過(guò)程環(huán)節(jié)較多且必須由測(cè)量員進(jìn)行人工檢測(cè)，人工檢測(cè)不但容易造成較大誤差、影響施工質(zhì)量而且成本較高(特別是在精平階段)，因此要對(duì)刷坡測(cè)量技術(shù)加以改善，以有效控制施工成本，同時(shí)把握施工質(zhì)量精準(zhǔn)控制。

綜上所述，為了滿足上述公路路段工程建設(shè)施工技術(shù)要求，該工程全線劃分為6個(gè)標(biāo)段，圍繞項(xiàng)目施工過(guò)程中所存在的工程難點(diǎn)率先提出了三大數(shù)字化施工設(shè)備，它們分別為：北斗TX63挖掘機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)、北斗TD63推土機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)以及北斗TC63路基連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)。

2.3 數(shù)字化施工基本思路

東二環(huán)高速工程施工路段采用數(shù)字化施工，其施工技術(shù)不僅僅局限于對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的有效交換，還在技術(shù)手段中合理運(yùn)用自然資源和工地資源，實(shí)施全方位的信息有效收集，實(shí)現(xiàn)信息管理與共享，全面提高施工工地運(yùn)作效率。在該路段施工中，就希望結(jié)合計(jì)算機(jī)、GNSS、傳感器、全站儀等等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械可控化與數(shù)字化要求，達(dá)到機(jī)械指導(dǎo)人施工的科技標(biāo)準(zhǔn)效果，優(yōu)化施工質(zhì)量。

2.4 施工項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用——對(duì)北斗TX63挖掘機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用

在太原東二環(huán)項(xiàng)目施工過(guò)程中是存在大量的邊坡工程的，其邊坡施工精度要求在5 cm～10 cm左右，整體來(lái)講對(duì)挖掘機(jī)操作技術(shù)人員的要求相對(duì)偏高，而且需要至少6人同時(shí)展開(kāi)施工才能完成。在應(yīng)用北斗TX63以后，只需要事先制作電子數(shù)據(jù)并導(dǎo)入系統(tǒng)，這一環(huán)節(jié)就能節(jié)省一名施工技術(shù)引導(dǎo)人員。而在施工中還配套使用到LS7道路放檢系統(tǒng)，可再節(jié)省一名檢核測(cè)量人員，且能夠?qū)⒌缆贩艡z精度控制在2 cm～3 cm以內(nèi)，解決夜晚無(wú)法施工的問(wèn)題，全面降低安全風(fēng)險(xiǎn)與勞動(dòng)強(qiáng)度，提高整體工作效率。

2.5 對(duì)北斗TD63推土機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用

如圖1所示，該工程項(xiàng)目中還應(yīng)用到了北斗TD-63推土機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)，它其中包括了挖斗傳感器、小臂傳感器、大臂傳感器、車身傳感器、顯示屏、定位主機(jī)以及定位定向天線等分支結(jié)構(gòu)，主要用以解決道路施工中所存在的路基整平難點(diǎn)問(wèn)題。新的TD63系統(tǒng)同樣需要在前期做好電子數(shù)據(jù)并導(dǎo)入系統(tǒng)，如此可保證工程測(cè)量精度被控制在2 cm～3 cm以內(nèi)，且完全免除平地機(jī)技術(shù)操作，也不需要提前打樁放樣。整個(gè)路基整平施工中只需要一名推土機(jī)駕駛員和一名測(cè)量檢核人員，可大幅度減少人員及時(shí)間投入，提升施工效率與施工質(zhì)量，且施工中不受夜晚光線影響，可做到24 h不間斷施工。

2.6 對(duì)北斗TC63路基連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

工程中還采用了北斗TC63路基連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對(duì)施工中路基壓實(shí)環(huán)節(jié)所存在的檢測(cè)不全面、施工控制缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性以及全天候監(jiān)測(cè)不到位等等問(wèn)題。在應(yīng)用TC63系統(tǒng)過(guò)程中，可完全實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)化施工質(zhì)量管控，將傳統(tǒng)結(jié)果控制轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)工程施工成果溯源。再一點(diǎn)，在施工中可結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)與客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)施工項(xiàng)目中壓實(shí)軌跡、厚度、速度以及壓實(shí)遍數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效輸出，全面引導(dǎo)壓實(shí)作業(yè)順利推進(jìn)，確保壓實(shí)質(zhì)量均勻性，做到對(duì)施工檢測(cè)合格率的有效提高，縮短檢測(cè)周期。綜合上述各個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，該路段在施工中還運(yùn)用到了信息化管理平臺(tái)，平臺(tái)中可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示施工設(shè)備的具體位置與工作速度，并能夠進(jìn)行歷史錄像回放，主要通過(guò)顏色差異直觀了解壓路機(jī)本身的工作狀況，同時(shí)了解施工現(xiàn)場(chǎng)情況，有效降低返工風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)可能性。在系統(tǒng)后臺(tái)平臺(tái)還能為施工流程生成施工報(bào)告，總結(jié)一段時(shí)間內(nèi)的施工工作情況。例如在平臺(tái)上就能集成并生成路面信息化平臺(tái)，支持多臺(tái)壓路機(jī)在線聯(lián)動(dòng)，分析相關(guān)技術(shù)內(nèi)容[2]。

3 實(shí)際工程建設(shè)的北斗技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用效益分析

本工程以TX63挖掘機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)為例對(duì)本工程使用北斗后的整體效益進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。除上文所提到的在系統(tǒng)定位精度與使用便捷程度方面更勝一籌且大量節(jié)省人力物力與時(shí)間外，TX63系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)挖掘機(jī)在同等工作量方面效率提升100%，可至少節(jié)省一名引導(dǎo)員的人工支出，一個(gè)月的施工量可在半月完成，相比傳統(tǒng)施工在費(fèi)用支出上節(jié)省35 000元左右。

另外，在采用TX63系統(tǒng)進(jìn)行挖機(jī)刷坡后采用RTK檢測(cè)，其測(cè)量數(shù)據(jù)精度也有所提高，RTK實(shí)測(cè)高程基本相比設(shè)計(jì)高程在測(cè)量精度差值方面可保證在0.01～0.03范圍內(nèi)[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)已全面推廣應(yīng)用于國(guó)內(nèi)眾多大型工程現(xiàn)場(chǎng)，例如南水北調(diào)、土地平整、機(jī)場(chǎng)路面壓實(shí)等等，這說(shuō)明北斗可適用的工程建設(shè)范圍非常之廣，實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容具有一定深度，特別是為我國(guó)的公路工程建設(shè)水平質(zhì)量?jī)?yōu)化提供了有力支持。