3D自動化攤鋪系統mmGPS在公路施工中的應用

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3D自動化攤鋪系統mmGPS在公路施工中的應用

達德昌，蒲文文

(甘肅省恒通路橋工程有限公司，甘肅 蘭州 730071)

mmGPS 3D攤鋪自動控制系統是一種專門用于對施工作業面進行高精度整平的光機電液一體化3D自動控制系統，是專門與相關施工機械配套并提高其自動化水平的重要手段，也是當今世界上先進的整平作業技術。mmGPS 3D攤鋪自動控制系統集成了多種定位/傳感技術、專業化軟件和強大的控制系統，能夠實現對攤鋪機的精確控制、熨平板的實時定位，以及完全自動化的施工作業，從而滿足垂直曲線、過渡點、超高曲線和復雜站點等要求苛刻的公路工程建設需要。本文以SCMC ABG攤鋪機型為例，論述mmGPS 3D攤鋪自動控制系統在實際工程中的應用。

一、系統配置

mmGPS 3D攤鋪自動控制系統由基準站設備、機載設備和檢測設備3個主要部分組成。其中基準站設備包括1臺GNSS接收機和2～4臺激光發射器；機載設備包括1～2個GNSS/激光接收器、1個坡度傳感器、1個控制器和1個GNSS接收機；檢測設備包括1套GNSS/激光流動站系統。

1. GNSS接收機

GNSS基準站接收機配備有外置或內置發射電臺，將其架設在基準點上或經過聯測的已知坐標點上，通過RTCM格式或廠家自定義格式播發RTK改正數據。其作用是為機載設備和檢測設備提供厘米級高精度3D定位基準。本項目采用了1臺帶內置電臺和基準站配置的Topcon HiperV GNSS接收機(如圖1所示)。

圖1　GNSS基準站接收機

2. 激光發射器

在mmGPS系統中，型號為LZ-T5的激光發射器被架設在已知高程控制點上，通過Topcon的LaserZone技術(如圖2所示)向外發射1000 rpm、360°旋轉、±5 m的激光墻，為半徑300 m內的激光接收器提供毫米級高程基準。LZ-T5激光發射器具有自動對點和自動整平功能。

圖2　LaserZone毫米級高程控制技術

3. GNSS/激光接收器

圖3顯示了一個典型的mmGPS機載系統的構成。GNSS/激光接收器(型號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。它可以同時接收GNSS衛星信號和由激光發射器發射的激光信號，并通過電纜線將信號傳遞給GNSS接收機。GNSS/激光接收器通常安裝在自動或手動可升降的桅桿上，并與攤鋪機熨平板進行剛性連接。GNSS/激光接收器與熨平板底部的固定偏差在系統安裝時會進行精密量測和校準。在實際操作中，由于相對固定的幾何關系，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時3D位置與高程，從而可以與設計數據進行對比，并通過控制攤鋪機液壓系統對熨平板進行升/降控制，實現毫米級高程精度。攤鋪機與GNSS/激光接收器的安裝與連接如圖4所示。

圖3　mmGPS系統所包含的機載設備

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系統選項可以對熨平板的坡度進行實時測量，精度可達±0.025%。通常，坡度傳感器可以用來替代第2個GNSS/激光接收器，利用單邊GNSS/激光接收器加上坡度傳感器對整個熨平板進行高程和坡度的控制，從而構成一個較低成本的簡化mmGPS系統。本項目系統使用了2個GNSS/激光傳感器，因此未采用坡度傳感器。

5. GNSS接收機

機載GNSS接收機(型號MC-R3，如圖5所示)是用于施工機械上的專業化GNSS設備，具有優越的三防性能和內置電臺等高端配置。它將GNSS/激光傳感器獲取的GNSS信號和激光信號進行信號轉換和數據處理，計算出實時GNSS 3D坐標和精密高程，并將其結果發送給系統控制器。

圖5　GX-60控制器

6. 控制器

控制器(型號GX-60，如圖6所示)是連接mmGPS系統和攤鋪機系統的核心部分。它既是mmGPS的人機界面，同時也是向攤鋪機系統發布指令的控制中心。通過3D-MC軟件，它能夠進行設計數據的上傳，以及實測數據的顯示、存儲與下載，能夠監控整體作業情況及與設計數據對比計算出的偏差，并能夠根據施工工況和項目要求設置不同的精度等級。精度范圍可根據需要設置為1～20 mm。

圖6　機載GNSS接收機

7. 檢測設備

檢測設備包括一個一體化的GNSS流動站(型號Hiper+)、激光接收器(型號PZS-1)、控制手簿(型號FC-50)和Pocket-3D軟件。圖7為本項目使用的手簿軟件界面。

圖7　mmGPS檢測設備

檢測設備的用途是在施工過程中按照項目要求或施工需要對攤鋪結果進行現場檢核。通過實測得到的GNSS RTK 3D位置信息和激光接收器得到的精密高程信息，可以檢核實際攤鋪結果與設計數據的差異。

二、高程控制原理

激光發射器是由有源電池驅動的一種激光發生裝置，它被安置在位于作業區域高程控制點上架設的三腳架上。激光發射頭在工作時高速旋轉，速度高達1000 rpm，并可根據設定要求自動達到水平面或斜坡面狀態。它發射的激光束可在作業面上形成一個激光光學平面，該平面即作為整平作業的基準參照面。由于該參照面是處于一定空間高度的穩定平面，因而不受機群作業和其他因素的干擾。

激光接收器的功用是接收激光發射器發來的含有高程信息的光信號，并根據相對基準參照面的高度變化將光信號轉換成變化的電信號，并傳輸到控制器。控制器將激光接收器傳遞來的電位信號，經過數據分析處理后轉換成控制信號，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，實現熨平板的自動升降。

三、系統作業效率分析

攤鋪機在作業時通過滑靴沿著鋼絲繩行進，并對熨平板進行相應的升降控制。采用mmGPS 3D攤鋪自動控制系統后，能夠消除放樣、設樁、掛繩等煩瑣的人工操作，降低了人為錯誤出現的可能性和易受外界條件干擾的不利因素，尤其在進行大面積作業時，作業周期明顯加快，施工質量大幅提升，還減少了施工中所需的人工數量。

四、鋪筑成果展示及效能分析

圖8和圖9顯示了使用mmGPS系統進行瀝青攤鋪所得到的平整度檢測和整體效果。效能分析見表1。

圖8　平整度檢測

圖9　鋪筑整體效果

五、結論

mmGPS 3D攤鋪自動控制技術在本項目中的優勢如下：

1) 過程化施工控制：實時顯示圖形和數據信息，攤鋪過程的實時連續控制。

2) 無樁化攤鋪：無需測量放樁和架設參考基準線，且能根據現場施工要求靈活調整。

3) 精準施工作業：系統根據施工要求，準確按照設計進行施工，保證道面的平整度和厚度。

4) 全天候施工作業：系統施工不受光線的影響，可以全天候連續作業。

5) 操作流程化：系統操作系統化、流程化，設備簡單易用。

表1　效能分析

國內3D自動控制技術在攤鋪機上的應用雖然尚處于初始階段，但是隨著國民經濟的不斷發展及工程施工要求的不斷變化，該領域的發展潛力非常大，尤其在機群化作業施工中，mmGPS 3D攤鋪自動控制系統具有明顯的優越性。

(本專欄由拓佳節豐圣和本刊編輯部共同主辦)