GNSS與測量機器人技術應用于碾壓施工質量監控的對比分析

嚴國齊，張文，余峰，李揚，譚沖

(1.武漢航發建設有限公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；3.武漢導航與位置服務工業技術研究院有限責任公司，湖北 武漢 430073)

GNSS與測量機器人技術應用于碾壓施工質量監控的對比分析

嚴國齊1*，張文2，余峰3，李揚1，譚沖1

(1.武漢航發建設有限公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；3.武漢導航與位置服務工業技術研究院有限責任公司，湖北 武漢 430073)

填筑工程碾壓施工質量監控可采用GNSS和測量機器人技術，并在實際工程應用中取得了較好的質量控制效果，實現了及時、快速、直觀地監控碾壓施工質量之目的。這兩種技術因其自身的特點，在應用中存在差異性，本文從系統構成、適用場景、數據精度等三方面對這兩種技術的應用做了詳細的對比分析。

GNSS；測量機器人；碾壓施工；質量監控

1 引 言

隨著我國基礎設施建設的加速，在高速公路的路基、混凝土面板堆石壩的壩體、大型建筑的地基等工程中，土石方填筑施工具有工程量大、施工強度高以及大規模機械化作業等特點，對填筑施工質量的要求也越來越高，因此實現碾壓施工過程中的精細化質量控制顯得尤為重要。填筑碾壓施工過程質量的控制以碾壓參數控制為主，采用傳統的人工現場控制碾壓參數和試坑取樣的檢測技術(即所謂“雙控”方法)已經難以保證施工質量。如何能夠及時、快速、直觀地監控碾壓施工質量成為一個迫切的需求。隨著衛星導航定位技術、智能全站儀、無線通信、計算機等技術的發展，武漢大學黃聲享等學者于2003年將GPS定位技術應用于大壩填筑施工質量監控，研發了大壩填筑施工質量GPS實時監控系統，并成功應用于湖北清江水布埡水電站面板堆石壩的填筑施工中[1，2]；2010年武漢大學黃聲享等學者又開發了基于測量機器人的大壩填筑施工質量監控系統，并在在建的湖北溇水江坪河水電站大壩工程中得到成功應用[3，4]。

GNSS和測量機器人技術都是20世紀90年代以來得到廣泛應用的測量定位新技術，它們在相關填筑工程的碾壓施工質量控制中的應用，是先進測量技術與實際工程相結合的典型案例。工程實踐應用已驗證這兩種技術都能很好地實現填筑工程碾壓施工過程的質量監控，但這兩種技術因其自身的特點在應用中存在差異性，主要表現在系統構成、適用場景、數據精度等方面。本文將從這三個方面對兩種技術的應用情況做對比分析。

2 系統構成對比

基于GNSS的填筑碾壓施工質量監控系統主要由監控中心、數據中心、GNSS基準站、移動遠端組成，如圖1所示。基于測量機器人的填筑碾壓施工質量監控系統主要由監控中心、數據中心、基站集、移動遠端組成，如圖2所示。對比圖1、圖2可知，基于兩種技術實現的系統主要區別在移動遠端和基站這兩部分。

(1)移動遠端

基于GNSS技術的監控系統在移動遠端安裝的設備是GNSS接收機、GNSS天線以及無線通信設備。基于測量機器人的監控系統在移動遠端則只需要在車頂安裝信息反射裝置。

基于GNSS技術，碾壓機械的位置信息在移動遠端獲取，即接收機接收衛星信號和差分信息來確定空間坐標，然后將坐標信息通過無線通信設備傳輸到數據中心。而基于測量機器人，碾壓機械的位置信息在基站集獲取，即架設在已知點上的測量機器人通過跟蹤信號反射裝置獲取目標空間坐標，坐標數據傳輸到數據中心也是在基站集完成。

對比分析可知，基于GNSS技術的系統在移動遠端中設備較多，安裝起來也較為復雜，需要考慮供電等問題，同時設備價格也較高，需要考慮設備的安全性。

圖1基于GNSS的填筑碾壓施工質量監控系統組成

圖2 基于測量機器人的填筑碾壓施工質量監控系統組成

(2)基站部分

基于GNSS技術的監控系統為保證定位精度采用RTK測量模式，所以需要在滿足距離現場較近、天空位置開闊、基礎牢固、網絡和供電穩定等[5]要求的地方建設GNSS基準站，實時給移動遠端分發差分信息。而基于測量機器人的監控系統的基站部分，則是用于布置測量機器人和計算機以及通信設備，實現監控數據的自動化采集和傳輸，布設在施工現場附近基礎穩定的制高點處，且對碾壓施工區域具有良好的通視條件。

基于GNSS技術，基準站只需要建立一個，一般情況，為便于供電、管理和維護，GNSS基準站可建立在監控中心。而基于測量機器人技術，基站部分則因為一臺測量機器人只能跟蹤一個目標，所以在多個目標的情況下需要建立多個基站組成基站集，為便于設備的安全和維護，一般根據現場情況，建設成包含多個基站的觀測房。

3 適用場景對比分析

GNSS定位技術要求天線上空視野開闊，在一定的高度角(一般為10°～15°)以上無遮擋，這樣才能保證可見衛星構成良好的幾何圖形，接收到較好的衛星信號。另外，GNSS衛星信號是電磁波，對天氣抗干擾能力強，所以GNSS定位具有很強的環境適應性，無論是干燥的沙漠之中，或者寒冷的高山之巔，或者偏僻的孤島之上，或者大雨中都可以進行定位。

測量機器人定位不需要對空通視，但需要架設儀器的基站與測量目標之間保持通視，同時由于測程的限制，所以一般選擇距離施工區域較近、能夠與施工區域完全通視的地方布設基站。另外，測量機器人測距是激光測距，信號受天氣影響較大，尤其是雨霧天氣，會導致儀器無法識別目標。

對比分析可知，GNSS技術適用于環境開闊的場景，例如開闊山谷中的大壩、機場、公路等工程；而測量機器人在對天空通視較差的狹長山谷中的大壩工程中則更為適用。例如，某水電站的壩址位于峽谷河段內，峽谷河道長約 600 m，河谷呈V形，河谷狹窄，高寬比約為1∶1.8，壩址區為巖溶峽谷，兩岸山體雄厚，岸坡多為懸崖和陡坡，高程 350 m以下兩岸峭壁聳立，以上地形陡峻，坡角30°～60°，所以該工程選用基于測量機器人的填筑碾壓施工質量監控系統。

4 數據精度對比

基于GNSS的填筑碾壓施工質量監控系統采用多系統GNSS RTK定位技術。隨著GLONASS系統再次實現24顆衛星滿星座部署以及我國獨立自主研發的北斗BDS系統已具備向我國及周邊地區提供定位服務能力，與過去原有的GPS單系統RTK相比，GPS+BDS+GLONASS三系統RTK極大地增加了可視衛星數，有效地增強了觀測衛星的圖形強度、提高了定位結果的精度和可靠性[6]。目前，RTK平面定位的標稱精度為 1 cm+1 ppm，只要施工區域在處于GNSS基準站的服務范圍內，系統的平面位置精度足以滿足碾壓機械的運行軌跡、運行速度和碾壓遍數的實時監控精度要求。在高程方面，適當考慮數據采集方法并采用合理的高程擬合模型，可達到±(1～2)cm的高程精度，從而能夠滿足填筑施工攤鋪層厚度與平整度的控制需要[7]。

基于測量機器人的填筑碾壓施工質量監控系統采用極坐標法[8]進行目標定位。該方法的測量定位精度估計可表達為：

(1)

其中，β為豎直角測量值，S為斜距，mS為測距誤差，mβ為測角誤差，mi、mv分別是儀器高和目標高的測量誤差。

以某填筑工程所采用的測量機器人質量監控為例，在自動跟蹤模式下該測量機器人的距離測量精度為 3 mm+1.5×10-6ppm，ATR測角精度為1″。因填筑施工區域不大，可忽略球氣差影響，同時可忽略儀器高與目標高的測量誤差。由式(1)可見，當儀器的測距、測角精度一定時，測量點的點位精度和高程精度只與距離、垂直角大小有關。當S=500 m時，用不同的β值分別代入式(1)，可得表1所示的點位坐標測量精度，可知基于測量機器人獲取的碾壓機械空間位置坐標平面和高程精度均在mm級。

距離為500 m時不同垂直角對應的坐標精度 表1

從數據精度對比可知，兩種技術采集的數據精度均能達到施工質量監控的技術要求。在較小的施工范圍內，使用測量機器人獲取的數據精度更高，施工質量參數的控制也更為精確。

5 結 語

通過系統組成、適用場景、數據精度的對比可知，GNSS和測量機器人兩種技術在填筑碾壓施工質量監控中都得能得到較好應用，但在應用中，因其自身的特點影響，存在差異性。GNSS技術對于天氣條件的抗干擾性強，不受雨霧影響，適用于范圍大，但其在碾壓機械上安裝的設備較多且昂貴，需要考慮設備使用的穩定性和安全性；測量機器人技術在碾壓機械上安裝設備簡單、便宜，采集的數據精度高，但其受測程限制，監控的有效范圍較小，另外在雨霧等天氣影響下，有時會出現無法監控的情況。所以，總體而言，GNSS技術在天空開闊、大規模機械施工等場景中優勢明顯，而測量機器人則更適用于施工范圍較小、陡峭峽谷的工程場景。

[1] 黃聲享，劉經南，吳曉銘. GPS實時監控系統及其在堆石壩施工中的初步應用[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2005，30(9)：813～816.

[2] 吳曉銘，黃聲享. 水布埡水電站大壩填筑碾壓施工質量監控系統[J]. 水力發電，2008，34(3)：47～49.

[3] 鄧文彬，阿力甫·努爾買買提. 測量機器人在隧道仰拱路基施工面的碾壓監測[J]. 工程勘察，2015，3：57～60.

[4] 張文，黃聲享，李洋洋等. 基于測量機器人的填筑施工質量實時監控系統的研究與應用[J]. 測繪通報，2016(S2)：121～123.

[5] GB/T18314-2009. 全球定位系統(GPS)測量規范[S].

[6] 姚宜斌，胡明賢，許超鈐. 基于DREAMNET的GPS/BDS/GLONASS多系統網絡RTK定位性能分析[J]. 測繪學報，2016，45(9)：1009～1018.

[7] 黃聲享，曾懷恩. GPS實時控制系統碾壓試驗的高程精度評定[J]. 測繪信息與工程，2004，29(5)：39～40.

[8] 郭際明，梅文勝，張正祿等. 測量機器人系統構成與精度研究[J]. 武漢測繪科技大學學報，2000，25(5)：421～425.

ComparisonofGNSSandGeorobotTechnologyinRollingConstructionQualityMonitoring

Yan Guoqi1，Zhang Wen2，Yu Feng3，Li Yang1，Tan Chong1

(1.Wuhan Airport Development Construction Co.，Ltd.，Wuhan 430023，China； 2.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3.Wuhan Navigation and LBS，Inc.，Wuhan 430073，China)

The GNSS and Georobot technology have been applied in Rolling Construction Quality Monitoring，and both of them have achieved good results. This paper compares and analyses the application of these two techniques in rolling construction，on aspects of monitor system，use conditions，precision.

GNSS；georobot；rolling construction；quality monitoring

1672-8262(2017)06-98-03

P228，P258

A

2017—10—06

嚴國齊(1969—)，男，高級工程師，主要從事市政工程項目管理等工作。

張文(1988—)，男，博士研究生，研究方向：精密工程測量、變形監測與災害預警等。

國家自然科學基金資助項目(41274020)