沙漠地帶場地平整機械的自動化施工研究
——GNSS-機械控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

陳楊化 李煜然 陳傳琪 張鋒凌 吳春元 趙 輝

1. 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074；

2. 上海電氣集團股份有限公司 上海 201199

光熱光伏發(fā)電作為一種新型的清潔能源，近年正在飛速發(fā)展。光熱電站選址大多位于沙漠等陽光充足的地帶，部分區(qū)域沙丘起伏、地勢復(fù)雜，場地平整（下稱“場平”）施工困難。阿聯(lián)酋迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目位于沙漠地帶，在場平施工過程中，大范圍運用了機械自動化控制系統(tǒng)[1-6]。本文以此為依托，進行GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）-機械控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，為今后類似項目提供了解決思路，值得推廣借鑒。

1 工程概況

迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目地處沙漠腹地，場平總面積約44 km2，分為CT、PT1、PT2、PT3共4個區(qū)塊。整個場地除部分鹽堿地帶較為平緩?fù)猓渌麉^(qū)域均為高低起伏的沙丘，地勢多變，最大高差達40 m。

設(shè)計規(guī)范及圖紙要求場平完成后，地面坡度控制在1%以內(nèi)，這種沙漠地帶大面積場平施工可以視為整個項目的重、難點之一。對此，本項目采用GNSS-機械控制系統(tǒng)對場平施工機械進行了改造，改造的機械包括平地機和推土機。

2 工作準(zhǔn)備

首先，通過無人機掃描系統(tǒng)得到場地原始地形圖（精確度達到0～2 cm）。原始地形圖一是用作建立土方平衡圖并計算出場內(nèi)高處需要挖出的土方量和低處需要填進的土方量；二是與Civil 3D軟件建立的設(shè)計施工圖模型一起導(dǎo)入GNSS-機械控制系統(tǒng)。

經(jīng)過以上步驟，確定場平施工的基本部署和工作計劃。

3 工作原理及特點

GNSS-機械控制系統(tǒng)將地形圖和設(shè)計模型結(jié)合后，生成命令確定每個點的最終標(biāo)高。施工時，現(xiàn)場標(biāo)高不斷發(fā)生變化，安裝在機械工作部位的接收裝置不停地將現(xiàn)場實時工況反饋回來，經(jīng)過系統(tǒng)終端處理后，又變成新的指令下達給各機械，如此反復(fù)，直至場平標(biāo)高達到設(shè)計標(biāo)高，此區(qū)域施工完成。

自動分析：GNSS-機械控制系統(tǒng)通過地形圖和設(shè)計模型的對比自動建立施工模型，得出現(xiàn)場每處位置需要進行填或挖的作業(yè)高差。根據(jù)施工過程中定位系統(tǒng)的反饋，實時更新施工模型。

自動測量：GNSS-機械控制系統(tǒng)可以自動測量定位機械位置以及鏟刀的標(biāo)高、傾角。系統(tǒng)根據(jù)該機械位置在施工模型上的作業(yè)高差對其下達相應(yīng)的指令；根據(jù)鏟刀標(biāo)高更新施工模型；根據(jù)鏟刀傾角對控制系統(tǒng)進行微調(diào)。

自動控制：GNSS-機械控制系統(tǒng)可以根據(jù)指令自動控制液壓閥門，從而控制鏟刀的上下運動和旋轉(zhuǎn)運動，無需人工控制。

總而言之，GNSS-機械控制系統(tǒng)可以針對不同位置自動進行調(diào)節(jié)，而操作手只需要根據(jù)管理人員的安排，在指定的施工區(qū)域保證機械設(shè)備勻速前進，最終達到機械自動化施工的效果。

4 GNSS-機械控制系統(tǒng)的組成

GNSS-機械控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成，通過安裝管理軟件、控制終端、通信接收器、GNSS信號接收器得以實現(xiàn)。

使用GNSS-機械控制系統(tǒng)對場平機械進行實物改造，在鏟斗位置加裝定位系統(tǒng)；在駕駛室安裝控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)（圖1）。

圖1 GNSS-機械控制系統(tǒng)示意

4.1 控制系統(tǒng)——管理軟件MAGNET Project

管理軟件是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“大腦”（圖2）。首先使用無人機遙感測繪場地地形圖，管理軟件根據(jù)地形圖建立施工模型，并通過通信系統(tǒng)發(fā)送至現(xiàn)場施工機械的控制終端，機械將按照管理軟件的指令進行運作。若作業(yè)過程中有設(shè)計變更，則管理軟件修改施工模型，施工機械收到的作業(yè)指令同步更新。施工指令由“對人多次交底”改為“對機械一次交底”，信息傳遞更加快速、準(zhǔn)確，施工效率提高。

圖2 管理軟件（MAGNET Project）

此外，現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)也會通過通信系統(tǒng)反饋回管理軟件（圖3），管理人員可以準(zhǔn)確地知道現(xiàn)場實時工況，根據(jù)施工計劃，及時糾偏。

圖3 管理系統(tǒng)操作界面

4.2 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“眼睛”。分為2個單元，即慣性傳感器（IMU）和GNSS接收器（圖4）。

圖4 IMU和GNSS接收器

IMU彌補GNSS系統(tǒng)對信號強度依賴大的缺點，GNSS能降低IMU測量的累計誤差。定位系統(tǒng)將二者結(jié)合，能實時、準(zhǔn)確地獲取機械的位置及鏟刀的標(biāo)高、傾角和偏轉(zhuǎn)等詳細工況。作業(yè)過程中，定位系統(tǒng)測量頻率達到100 Hz（若機械以最高速度10.8 km/h運行，每米測量密度仍可達到33次），施工速度和精度提高顯著，且對于人工測量困難的沙漠地帶適應(yīng)性高。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“四肢”，包括控制終端和液壓控制閥。

控制終端實時監(jiān)控每一臺機械的現(xiàn)場作業(yè)情況。每臺機械的實時位置、運行路線、坡度及速度，均可在屏幕中同步顯示（圖5）。值得注意的是，在圖5中，右側(cè)顯示機械鏟斗與設(shè)計標(biāo)高的高差值，當(dāng)刻度顯示為0時，說明此處施工已完成。

液壓控制閥接受控制終端的信息，按照指令控制油缸，完成鏟刀的自動升降和轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了施工的自動化，快速而準(zhǔn)確地完成施工指令。

4.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“嘴巴”，包括通信接收器和通信模塊（圖6），通過UHF（特高頻）、CDMA（碼分多路訪問）、GSM（全球移動通信系統(tǒng)）等多種通信手段，在各系統(tǒng)之間實時傳遞數(shù)據(jù)。

圖5 終端顯示界面

圖6 通信模塊

5 應(yīng)用情況

迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏電站通過GNSS-機械改造系統(tǒng)的使用，場平施工節(jié)點穩(wěn)步推進，驗收通過率高，實現(xiàn)零返工。

現(xiàn)對推土機以GNSS系統(tǒng)改造前后的施工效益和成本進行對比分析。選定PT1中2個地塊，其原始地貌類型均為沙丘地帶，面積尺寸一致，網(wǎng)格長寬為250 m×150 m，面積37 500 m2，回填7層，每層平均15 cm。各分配3臺卡特D65推土機械，無GNSS-機械改造系統(tǒng)的推土機還需配備2名測量人員進行輔助作業(yè)。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 回填記錄

根據(jù)迪拜當(dāng)?shù)貦C械租賃價格，卡特D65推土機的月租金為28 000迪拉姆（“迪拉姆”為阿聯(lián)酋通用貨幣單位，28 000迪拉姆約合人民幣51 002元），GNSS-機械控制系統(tǒng)的月租金為9 500迪拉姆（約合人民幣17 304元），當(dāng)?shù)販y量人員每月薪資為3 000迪拉姆（約合人民幣5 464元）。

使用GNSS-機械改造系統(tǒng)改造后的單位成本1為：

其中，總成本＝（28 000＋9 500）×3＝112 500迪拉姆（約合人民幣204 918元），面積＝37 500 m2，耗時＝2.77×7=19.4 d。

未使用GNSS-機械改造系統(tǒng)改造的單位成本2為：

其中，成本＝28 000×3＋3 000×2＝90 000迪拉姆（約合人民幣163 935元），面積＝37 500 m2，耗時＝5.90×7=41.3 d。

成本對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 成本對比

由此可知，由于機械效率的大幅提高，單位成本可相對降低42%。

6 結(jié)語

本文以迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目場平施工為例，介紹了一種沙漠地帶場平機械自動化施工的方法。使用GNSS-機械控制系統(tǒng)改造機械，可以很好地解決地貌復(fù)雜的沙漠地帶場平施工時，測量困難、機械效率低下的難題，其標(biāo)高控制自動化的特點使施工機械效率與場平作業(yè)精度得到了提高。

此外，該改造機械夜間能正常施工的優(yōu)勢，同樣具有可觀的經(jīng)濟價值，對今后類似項目的施工具有借鑒意義。本工藝也具有一定的局限性，如在原地貌較為平整的場平施工作業(yè)中，優(yōu)勢不明顯，不推薦使用。