GPS系統(tǒng)在工程機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

張 健

(黑龍江省伊春高速公路管理處)

1 前 言

GPS 自投入運(yùn)行以來逐步向民用開放，為各行各業(yè)服務(wù)。因此美、日各大汽車公司相繼在自己的產(chǎn)品上配裝新一代的信息系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)。徠卡公司推出了世界上首臺通用型機(jī)械控制系統(tǒng)MC1200，可以應(yīng)用于各類推土機(jī)、平地機(jī)、攤鋪機(jī)及銑刨機(jī)等的自動(dòng)控制，也可以在不同種類的設(shè)備上使用，使客戶的投資最大限度地得到充分回報(bào)。

2 3D GPS 控制系統(tǒng)

(1)定位設(shè)備。定位設(shè)備由GPS 或TPS(自動(dòng)全站儀)組成，根據(jù)定位設(shè)備的不同，3D 控制系統(tǒng)可以分為3D GPS控制系統(tǒng)和3D TPS 控制系統(tǒng)，分別適用于不同精確度要求的工程。3D GPS 控制系統(tǒng)主要用于土方工程，如推土機(jī)、平地機(jī)、挖掘機(jī)等;3D TPS 控制系統(tǒng)主要用于精度要求較高的公路面層或機(jī)場工程，如平地機(jī)、瀝青攤鋪機(jī)、穩(wěn)定土攤鋪機(jī)、水泥混凝土滑模攤鋪機(jī)、銑刨機(jī)等。3D GPS 控制系統(tǒng)中的定位設(shè)備由GPS 基站和安裝在機(jī)械上的GPS 接收器組成，GPS 基站通常安裝在一個(gè)固定的、半永久性的位置上，能夠覆蓋10 km 的范圍，同時(shí)控制在區(qū)域內(nèi)工作的所有安裝了GPS 接收器的施工機(jī)械。

(2)通訊設(shè)備。由無線電發(fā)射裝置和調(diào)制解調(diào)器組成，實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備和機(jī)載計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)機(jī)載計(jì)算機(jī)。機(jī)載計(jì)算機(jī)可以把輸入的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成三維數(shù)字地形模型，根據(jù)收到的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出工程機(jī)械的實(shí)際位置和方向，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，并把校正信息輸出到控制設(shè)備，對機(jī)械進(jìn)行調(diào)整。徠卡3D GPS 控制系統(tǒng)中的機(jī)載計(jì)算機(jī)為適應(yīng)施工現(xiàn)場的要求，采用堅(jiān)固耐用的觸摸屏設(shè)計(jì)，能夠防震、防塵、防水。

(4)控制設(shè)備。由一系列控制器和傳感器組成，根據(jù)安裝部位的不同，測量控制機(jī)械自身和鏟刀的橫坡、縱坡、傾斜度等，并根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)傳來的校正信息對機(jī)械的鏟刀進(jìn)行控制，最終達(dá)到施工的設(shè)計(jì)位置。

3 3D GPS 控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

(1)同傳統(tǒng)施工方法的比較。傳統(tǒng)的施工方法要求先對項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行初測，然后開始項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)地打樁放樣，工程機(jī)械施工，測量打樁放樣，工程機(jī)械再施工，再次測量打樁放樣……如此反復(fù)直至施工至設(shè)計(jì)位置。這種方法需要測量人員的大量工作，并且在反復(fù)的測量打樁放樣過程中造成了工程機(jī)械的閑置;機(jī)械駕駛員也要在駕駛機(jī)械的同時(shí)，以打好的樁為參照物，反復(fù)操作調(diào)整機(jī)械鏟刀一求施工接近設(shè)計(jì)位置，對駕駛員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)提出了很高的要求，也對施工現(xiàn)場的安全產(chǎn)生了隱患。使用徠卡3D GPS 控制系統(tǒng)，由于能夠直接把設(shè)計(jì)資料輸入機(jī)載計(jì)算機(jī)，控制機(jī)械進(jìn)行施工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)位置，真正實(shí)現(xiàn)了無樁施工，省去了測量人員的現(xiàn)場打樁放樣工作，減少機(jī)械閑置時(shí)間，駕駛員也可以專注于機(jī)械駕駛，由3D 控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鏟刀的控制工作，并能夠在很短時(shí)間內(nèi)精確達(dá)到最終的設(shè)計(jì)位置，對駕駛員的工作強(qiáng)度和技能要求大大降低。同時(shí)，任何設(shè)計(jì)上的更改都可以由駕駛艙中的機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，施工后的結(jié)構(gòu)也可以輸出到項(xiàng)目辦公室，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫鏈結(jié)。使用徠卡3D 控制系統(tǒng)，能夠徹底改變傳統(tǒng)的施工程序。經(jīng)過實(shí)際工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)，使用3D 控制系統(tǒng)，至少提高了30%的施工效率。

(2)GPS 解決方案的優(yōu)越性。使用徠卡3D GPS 控制系統(tǒng)，直接把工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)用于施工，減少了不必要的誤差;GPS 基站和施工機(jī)械之間不需要保持通視，特別適合大型土木工程項(xiàng)目;系統(tǒng)一次設(shè)置就可以保證連續(xù)施工;利用一個(gè)基站，能夠同時(shí)控制多臺設(shè)備，控制范圍達(dá)到10 km，還可以根據(jù)需要擴(kuò)大控制范圍;3D GPS 控制系統(tǒng)能夠全天候施工，不受天氣和光線的影響;隨著施工效率的提高，顯著縮短工期;系統(tǒng)精確度達(dá)到30 mm，能夠節(jié)約大量施工材料，提高施工質(zhì)量。徠卡3D GPS 控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無樁施工，大大減少了工作量，同時(shí)GPS 接收器還可以單獨(dú)用于前后的現(xiàn)場測量工作，是全站儀之外的一個(gè)高端測量儀器。

4 GPS 控制系統(tǒng)的發(fā)展情景

(1)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)完全控制。在控制室內(nèi)真正的3D 顯示及控制機(jī)械，非常顯著的減少測量和土地平整檢查工作，大大提高機(jī)械的利用率。在控制室內(nèi)，操作手可以看到整個(gè)工地的土方平整度。沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地方用不同顏色表示出來，使操作手無須測量人員的幫助，自己就清楚如何進(jìn)行下一步的工作。操作手通過3D 顯示，導(dǎo)航機(jī)械，在無樁的情況下，準(zhǔn)確知道機(jī)械是否在設(shè)計(jì)及施工范圍內(nèi)工作。

(2)加快工作循環(huán)。在最少的監(jiān)測下，操作手自己知道下一步如何施工，減少很多不必要的工作環(huán)節(jié)，加快工作循環(huán)，節(jié)約時(shí)間，加快工期。

(3)減少重復(fù)工作?？稍诳刂剖覂?nèi)第一時(shí)間直接得到設(shè)計(jì)信息，并可據(jù)此直接更改設(shè)計(jì)不合理之處，減少重復(fù)工作，降低工作成本。

(4)改善材料利用率。精確的土方平整度，確保不浪費(fèi)基層材料，大大提高收益。材料的節(jié)省直接反饋到經(jīng)濟(jì)效益。

(5)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能。使用裝有GPS 的工程機(jī)械，在控制室內(nèi)裝有專用的控制箱和顯示器，使用數(shù)據(jù)卡可以實(shí)時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，接受任何軟件設(shè)計(jì)的圖紙到系統(tǒng)中。

［1］鐘仁福. GPS RTK 在工程放樣中的應(yīng)用研究［J］. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，(5).

［2］盧吉鋒. RTK 和全站儀在線路工程橫斷面測量中應(yīng)用［J］. 河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，(1).