平地機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)在路基施工中的應(yīng)用

周春風(fēng)， 王 彤

（江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

引言

近年來隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)投入，我國(guó)的工程機(jī)械也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從2010 年開始，我國(guó)的科研院所相繼開展機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在2012 年推出了基于GNSS 的農(nóng)田土地坡面平整系統(tǒng)，有效改善了農(nóng)田的整型工作[1]。平地機(jī)作為路基土方工程施工主要的整平機(jī)械，也亟需這種自動(dòng)化控制技術(shù)，提高施工質(zhì)量。

1 平地機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)原理

1.1 技術(shù)原理

平地機(jī)在工作過程中，通過GNSS 技術(shù)實(shí)時(shí)采集鏟刀的空間三維坐標(biāo)，并與設(shè)計(jì)文件進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)偏差，系統(tǒng)會(huì)通過閥控制模塊對(duì)機(jī)械鏟刀進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整。從而保證平地機(jī)行駛至工作場(chǎng)地的任何位置，自動(dòng)判斷當(dāng)前所處的位置高程是否符合工程設(shè)計(jì)要求，并產(chǎn)生鏟刀調(diào)整方案，從而確保了路基的線形能夠按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行精確的修整，實(shí)現(xiàn)坡度、厚度、平整度的控制，確保施工質(zhì)量的一致性。

1.2 系統(tǒng)組成

平地機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)主要由坡度傳感器、GNSS 接收機(jī)、3D 控制箱、數(shù)字電臺(tái)等主要設(shè)備組成。設(shè)備參數(shù)見表1。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

420 省道金湖段依次穿越前鋒鎮(zhèn)、呂良鎮(zhèn)、金北鎮(zhèn)和陳橋鎮(zhèn)，全線均為新建。試驗(yàn)段落具體為K6+300 到K7+500，壓實(shí)區(qū)域?yàn)?6 區(qū)，試驗(yàn)段無構(gòu)造物施工，路基連續(xù)性，且包含超高段，可體現(xiàn)數(shù)字化施工的在復(fù)雜線型下的精度。

表1 平地機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備清單

2.2 系統(tǒng)安裝調(diào)試

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的平地機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)控制，使平地機(jī)鏟刀具有自動(dòng)找平的功能。平地機(jī)的改造過程為：系統(tǒng)室內(nèi)通電連接測(cè)試→支座焊接及安裝→車載系統(tǒng)線纜布設(shè)及連接→液壓系統(tǒng)改造→GNSS 接收機(jī)、電臺(tái)、車載計(jì)算機(jī)等主要部件安裝→狀態(tài)診斷連接、及調(diào)試校準(zhǔn)→三維建模及GNSS基站建設(shè)→安裝精度及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

2.3 精度驗(yàn)證

2.3.1 安裝精度測(cè)試方法

1）將平地機(jī)鏟刀在固定高程設(shè)置成為自動(dòng)模式，保證左右兩邊高程一致，如果高程為100.12 m。分別在左右鏟刀底做上標(biāo)記，并分別用卷尺量出底板參考點(diǎn)到鏟刀尖的高差，左側(cè)為0.053 m，右側(cè)為0.039 m。

2）分別記錄左右側(cè)數(shù)據(jù)顯示（鏟刀尖）。

3）移開鏟刀，分別記錄GNSS 在木板上參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。

4）采用木板參考點(diǎn)實(shí)際高程對(duì)比法，確定安裝誤差在5 cm 以內(nèi)及可接受。

5）左側(cè)驗(yàn)證：機(jī)器測(cè)量底板參考點(diǎn)實(shí)際高程為100.12-0.053= 100.067 m；GNSS 流動(dòng)站測(cè)量底板參考點(diǎn)高程為100.086 m，則左側(cè)機(jī)器實(shí)際測(cè)量誤差為100.086-100.067=0.019 m＜5 cm。具體驗(yàn)證過程如圖1-1 所示。

6）右側(cè)驗(yàn)證：機(jī)器測(cè)量底板參考點(diǎn)實(shí)際高程為100.12-0.039= 100.081m；GNSS 流動(dòng)站測(cè)量底板參考點(diǎn)高程為100.123 m，則右側(cè)機(jī)器實(shí)際測(cè)量誤差為100.123-100.081=0.042 m＜5 cm。具體驗(yàn)證過程如圖1-2 所示。

圖1 驗(yàn)證過程

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)精度測(cè)試

通過對(duì)平地機(jī)系統(tǒng)高程偏移量設(shè)置，測(cè)量人員采用GNSS 流動(dòng)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高程檢查，土方作業(yè)誤差在±2 cm 以內(nèi)，滿足施工要求?，F(xiàn)場(chǎng)精度測(cè)試如圖2 所示。

2.4 施工效果驗(yàn)證

在試驗(yàn)段落K6+300—K7+500 范圍內(nèi)，左幅采用傳統(tǒng)的整平工藝，右幅采用數(shù)字化自動(dòng)控制施工工藝。對(duì)比兩種不同施工方式下的施工效果，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)精度測(cè)試

圖3 任意橫斷面數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3 可知，數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)的平地機(jī)的安裝，不僅實(shí)現(xiàn)了精平，而且實(shí)現(xiàn)了厚度、坡度和平整度的精準(zhǔn)控制，保證了質(zhì)量的一致性。

3 結(jié)論

平地機(jī)數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)可以提高施工的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化水平，提高工作效率、避免返工。精確控制厚度、平整度，保證施工質(zhì)量的均勻性，真正實(shí)現(xiàn)施工的智能化控制，具有較廣闊的推廣應(yīng)用前景。