北斗衛(wèi)星導航技術在公路工程建設中的應用解析

蘇 晉 東

(山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006)

0 引言

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

1 北斗衛(wèi)星導航技術

1.1 北斗衛(wèi)星導航技術的系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獨立研發(fā)的新型定位技術，在2000年逐步完成實驗系統(tǒng)構建，并在2012年開始在亞太地區(qū)大部分地區(qū)正式提供大面積覆蓋定位服務。目前我國的北斗系統(tǒng)按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進展開，其中第一步為試驗系統(tǒng)、第二步為區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)、第三步為全球覆蓋目標實現(xiàn)，第三步預計將在2020年實現(xiàn)。

從北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成來看，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)定位的關鍵基礎；地面段則包含了中控站、監(jiān)測站以及注入站，專門負責進行數(shù)據(jù)處理，為用戶生成并傳遞報文文件，是系統(tǒng)的核心中樞；用戶段則兼容北斗終端系統(tǒng)，專門負責捕捉衛(wèi)星信號，全面解算定位對象位置并獲取動態(tài)信息。

1.2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比GPS綜合定位系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為新研發(fā)的定位技術系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)GPS存在應用技術優(yōu)勢。首先它的定位精度優(yōu)于10 m，測速精度可控制在0.2 m/s左右，還擁有較高的授時精度(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，北斗導航系統(tǒng)已經(jīng)完全覆蓋中國全境甚至是其他周邊國家地區(qū)，基本做到了中國境內(nèi)無縫覆蓋以及與它國的無縫連接。在抗干擾能力方面，北斗在我國境內(nèi)明顯比GPS表現(xiàn)良好，信號強度更高。

在有源與無源結(jié)合體制方面，北斗擁有專門的導航定位系統(tǒng)、授時系統(tǒng)以及短報文通信系統(tǒng)，三大系統(tǒng)功能集于一體，在定位實現(xiàn)位置共享報告方面有利于監(jiān)控指揮技術發(fā)揮，這也是GPS所不具備的技術功能。

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

2 實際工程建設的北斗技術實踐應用

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)全線開工建設，預計在2020年完工并正式通車。整個工程項目路段整體為南北走向，路線全長為33.199 km，公路路段擁有雙向六車道，設計時速為100 km/h，其中還存在多個高速公路十字交叉點。

2.2 工程建設問題與數(shù)字化施工設備系統(tǒng)選擇

該路段工程建設存在諸多問題，例如它在軟基處理方面就存在檢測不全面、監(jiān)測指標無法量化、計量方式精度偏低且施工數(shù)據(jù)報告滯后等等問題。

而在路基填筑方面則采用傳統(tǒng)推土機粗平、平地機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確，特別是在路基施工中不能保證施工方向與設計方向一致，其中會設置一條中線，方便控制施工方向，在設置過程中未能嚴格控制中線偏位現(xiàn)象，導致偏位超過路基施工標準，造成返工。

在刷坡方面，該路段希望摒棄傳統(tǒng)的挖機粗略刷坡技術，而是采用人工精準修整方式進行刷坡作業(yè)。考慮到刷坡過程環(huán)節(jié)較多且必須由測量員進行人工檢測，人工檢測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)，因此要對刷坡測量技術加以改善，以有效控制施工成本，同時把握施工質(zhì)量精準控制。

綜上所述，為了滿足上述公路路段工程建設施工技術要求，該工程全線劃分為6個標段，圍繞項目施工過程中所存在的工程難點率先提出了三大數(shù)字化施工設備，它們分別為：北斗TX63挖掘機無樁化施工引導系統(tǒng)、北斗TD63推土機無樁化施工引導系統(tǒng)以及北斗TC63路基連續(xù)壓實管理系統(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，其施工技術不僅僅局限于對網(wǎng)絡信息的有效交換，還在技術手段中合理運用自然資源和工地資源，實施全方位的信息有效收集，實現(xiàn)信息管理與共享，全面提高施工工地運作效率。在該路段施工中，就希望結(jié)合計算機、GNSS、傳感器、全站儀等等技術實現(xiàn)工程機械可控化與數(shù)字化要求，達到機械指導人施工的科技標準效果，優(yōu)化施工質(zhì)量。

2.4 施工項目技術應用——對北斗TX63挖掘機無樁化施工引導系統(tǒng)的應用

在太原東二環(huán)項目施工過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，整體來講對挖掘機操作技術人員的要求相對偏高，而且需要至少6人同時展開施工才能完成。在應用北斗TX63以后，只需要事先制作電子數(shù)據(jù)并導入系統(tǒng)，這一環(huán)節(jié)就能節(jié)省一名施工技術引導人員。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)，解決夜晚無法施工的問題，全面降低安全風險與勞動強度，提高整體工作效率。

2.5 對北斗TD63推土機無樁化施工引導系統(tǒng)的應用

如圖1所示，該工程項目中還應用到了北斗TD-63推土機無樁化施工引導系統(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、定位主機以及定位定向天線等分支結(jié)構，主要用以解決道路施工中所存在的路基整平難點問題。新的TD63系統(tǒng)同樣需要在前期做好電子數(shù)據(jù)并導入系統(tǒng)，如此可保證工程測量精度被控制在2 cm～3 cm以內(nèi)，且完全免除平地機技術操作，也不需要提前打樁放樣。整個路基整平施工中只需要一名推土機駕駛員和一名測量檢核人員，可大幅度減少人員及時間投入，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 對北斗TC63路基連續(xù)壓實管理系統(tǒng)的應用

工程中還采用了北斗TC63路基連續(xù)壓實管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對施工中路基壓實環(huán)節(jié)所存在的檢測不全面、施工控制缺乏嚴謹性以及全天候監(jiān)測不到位等等問題。在應用TC63系統(tǒng)過程中，可完全實現(xiàn)智能化自動化施工質(zhì)量管控，將傳統(tǒng)結(jié)果控制轉(zhuǎn)化為實時過程控制，實現(xiàn)工程施工成果溯源。再一點，在施工中可結(jié)合系統(tǒng)平臺與客戶端實現(xiàn)對施工項目中壓實軌跡、厚度、速度以及壓實遍數(shù)的實時數(shù)據(jù)有效輸出，全面引導壓實作業(yè)順利推進，確保壓實質(zhì)量均勻性，做到對施工檢測合格率的有效提高，縮短檢測周期。綜合上述各個系統(tǒng)平臺，該路段在施工中還運用到了信息化管理平臺，平臺中可實時動態(tài)顯示施工設備的具體位置與工作速度，并能夠進行歷史錄像回放，主要通過顏色差異直觀了解壓路機本身的工作狀況，同時了解施工現(xiàn)場情況，有效降低返工風險出現(xiàn)可能性。在系統(tǒng)后臺平臺還能為施工流程生成施工報告，總結(jié)一段時間內(nèi)的施工工作情況。例如在平臺上就能集成并生成路面信息化平臺，支持多臺壓路機在線聯(lián)動，分析相關技術內(nèi)容[2]。

3 實際工程建設的北斗技術實踐應用效益分析

本工程以TX63挖掘機無樁化施工引導系統(tǒng)為例對本工程使用北斗后的整體效益進行簡單分析。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)省人力物力與時間外，TX63系統(tǒng)對比傳統(tǒng)挖掘機在同等工作量方面效率提升100%，可至少節(jié)省一名引導員的人工支出，一個月的施工量可在半月完成，相比傳統(tǒng)施工在費用支出上節(jié)省35 000元左右。

另外，在采用TX63系統(tǒng)進行挖機刷坡后采用RTK檢測，其測量數(shù)據(jù)精度也有所提高，RTK實測高程基本相比設計高程在測量精度差值方面可保證在0.01～0.03范圍內(nèi)[3]。

4 結(jié)語

目前北斗衛(wèi)星導航技術系統(tǒng)已全面推廣應用于國內(nèi)眾多大型工程現(xiàn)場，例如南水北調(diào)、土地平整、機場路面壓實等等，這說明北斗可適用的工程建設范圍非常之廣，實踐應用技術內(nèi)容具有一定深度，特別是為我國的公路工程建設水平質(zhì)量優(yōu)化提供了有力支持。