論公路項目路基工程施工中智能挖掘機械的運用

王 瑛

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

20世紀90年代，美國最早出現數字化機械施工，隨后該工藝在澳大利亞推廣和普及，目前數字化機械施工在我國仍處于起步階段[1-2]。某公路工程項目路基施工環節，應用3D挖掘機智能引導系統，取得了很好的工程效益，其工藝精度高、效率好、可推廣性強。

1 數字化機械施工的技術原理

數字化機械施工是利用計算機技術，將二維圖紙轉變為三維動態圖像，借助測量、數據處理、信息傳輸、遠程操控、智能控制等技術將機械化施工模式轉變為數字化監控操作模式，達到工程增效、提質的目的。該操作系統可在工程設計、施工、驗收等諸多環節應用，徹底轉變施工理念，提高施工質量[3-4]。

1.1 系統組成

3D挖掘機智能引導系統包括軟件部分和硬件部分，軟件部分為TC-Off ice軟件，硬件部分包括挖斗傳感器、車體傾斜傳感器、小臂傳感器、大臂傳感器、顯示器、MC102主機和2個GNSS衛星天線。基于GPS基準站，將軟硬件部件安裝后工作。

1.2 運行原理

數傳電臺發送GPS信號由GPS接收機接收，并獲取基站差分信號明確三維方位，通過小臂傳感器、大臂傳感器進行數據傳導，確定挖掘機鏟斗具體坐標值，并由駕駛室控制箱獲取詳細信息。

系統經數字化三維基準模型分析鏟斗位置信息，采用聲音、數字、模擬信號等方式對應，實時引導鏟斗完成精細化操作，詳見圖1所示。

圖1 系統數據采集、分析及信號傳輸流程

1.3 模型構建

（1）挖掘機數字化三維基準模型構建：根據實際位置校準誤差，精確計算鏟斗位置并調整挖掘機姿態。

（2）實時監測挖掘機姿態：借助三維坐標模型進行工程坐標轉化，對比鏟斗位置信息，精準定位目標工作位置，自動調整工作狀態。

2 系統安裝

2.1 系統安裝流程（見圖2）

圖2 系統安裝流程

2.2 安裝前準備

（1）仔細檢查設備運行狀態，確保設備在施工場地可以正常工作。由專業系統測試人員進行系統安裝、測試，并準確記錄測試信息，保證系統運行穩定[5]。

（2）測試內容及執行標準見表1。

表1 3D挖掘機智能引導系統安裝前測試情況表

（3）由相關技術人員檢查挖掘機各主要部件工作狀態，測量機身、主要部件尺寸信息，制定安裝方案。

2.3 主要構配件安裝要點

（1）傳感器底座焊接：將傳感器底座準確焊接于挖掘機相應位置，再用螺栓將傳感器固定于底座[6]。

（2）天線支架焊接：主、輔天線支架焊接位置表面平整度不低于1.5 mm，且布設間距不得少于1.5 m，焊接完畢后，將天線用螺栓固定于天線支架。

（3）核心部件走線：核心部件供電線路，經車底穿到電源倉內，確保線纜與電源連接牢固。

（4）顯示器安裝：顯示器通過雙U形卡支架安裝固定，設置在駕駛室側前方位置。

3 系統調試

3.1 系統調試標準流程

系統調試流程見圖3。

圖3 系統調試流程

3.2 車身尺寸調試

（1）閉合電源開關，運行系統，在系統主界面檢查定位天線與基站連接情況，保證系統定位準確。

（2）根據提示，在主界面進行相應操作，完成“天線位置”“天線高”“大臂小臂長度”“狗骨頭尺寸”等相關尺寸信息測量，并將測量數據填入對應位置，長度信息數據精確至0.001 m，角度精確至0.01°。

（3）尺寸及角度數據輸入完畢后，將數據保存，并再次檢查各尺寸、角度測量準確性。

3.3 新建鏟斗尺寸調試

（1）設備初次調試完畢，應根據調試信息，準確設置鏟斗相關參數。若更換設備，則應重新調試，并準確更新相關參數。

（2）精確測定鏟斗各活動機構（GI、GJ、BJ、FG）間直線距離，并將數據準確輸入至系統，精度精確至0.001 m。

3.4 傳感器校正

（1）將挖掘機開至相對平坦平面，擺正車身，并將水準尺吸附于合適位置，旋轉車身并檢查水準尺氣泡位置，使氣泡始終處于居中位置。

（2）根據系統提示，準確輸入傳感器ID。

（3）進入傳感器校準界面，校準車身、大小臂及狗骨頭傳感器轉角數據，校準精度精確至0.1°。

3.5 傳感器校正檢核

完成角度測量并校正傳感器數據。利用TC-Off ice軟件計算FG值，明確鏟斗內側軸心點與實際測量FG值間有無偏差，判斷挖掘機小臂外側軸心點與實測FG值間關系，調整設備姿態以滿足尺寸偏差標準。以＜5 mm為調整目標值，鏟斗檢核后，系統“坐標驗證”界面下檢核高程差[7]。

3.6 尺寸校正

按下列步驟進行尺寸校正：

（1）校正主天線、輔天線與大臂軸心距離。

（2）校正主天線、輔天線與大臂中軸線角度值。

（3）校正主天線、輔天線、大臂軸心、大臂中線等高程值。

3.7 尺寸校正檢核

按如下步驟進行尺寸校正檢核：

（1）調整挖掘機至伸展狀態，并獲取三組數據。

（2）調整挖掘機至收縮狀態，并獲取三組數據。調整挖掘機方向，分別獲取伸展、收縮狀態下三組數據，進行尺寸校正檢核。

3.8 保存配置

系統調試完畢后，及時保存個調試配置參數，并做好調試參數的書面記錄。

4 數字化施工

4.1 數字化施工流程

見圖4。

圖4 數字化施工流程

4.2 設計數據準備與導入

（1）利用智能3D土石方挖掘設備控制系統繪制公路施工圖紙，明確平曲線、縱橫斷面等施工設計要點，通過TC-Off ice將平面設計圖紙轉換成三維設計圖紙[8]。

（2）綜合運用交點法、元素法更改公路施工設計數據。運用交點法時需輸入公路起點坐標、公路交叉點坐標、公路終點坐標以及各交叉點曲線參數。運用元素法時需結合具體要求輸入公路的點線元素及相關參數。

（3）導入施工設計數據：將確定好的施工設計數據通過U盤等移動存儲設備復制到智能3D土石方挖掘設備控制系統中。

4.3 試驗段施工

基于該公路工程施工現場情況，選擇典型路段作為試驗路段，開展智能化土石方開挖施工試驗，試驗路段長180 m。

（1）布設施工測量樁和水準測點，在公路左幅、中幅、右幅分別布設6個施工測試點，通全站儀測量測試點坐標數據，詳細記錄施工過程[9]。

（2）系統運行，基于事先確定的施工設計數據，控制挖掘設備進行土石方開挖作業，作業結束后，測量各個測試點坐標，與系統設定的坐標數據比對，驗證坐標數據是否一致。

（3）如坐標數據一致，說明該系統可用于大范圍土石方開挖施工。為進一步驗證3D智能施工控制系統運行效能，可選取另一段試驗路段進行二次施工測試，適當增設施工測試點，以全面驗證系統的運行可靠性。

4.4 智能修坡

（1）高邊坡修筑對精度要求高，以數字化機械施工優化方案，進行數據準備，路槽開挖前，利用系統進行智能修坡，結合實測數據確定坡度值[10]。

（2）作業前，挖斗鏟尖處焊接挖斗鋼板，以提升傳感器精準度，并改善控制效果、增加工作面積。

（3）邊坡修整階段，分次導入坐標數據，分級放坡施工，規范工作面，提高工作精度。

4.5 檢測驗收

檢測驗收環節，數字化機械施工技術還處于探索階段，國內尚未制定相關行業標準、操作規程及驗收規范。施工完成后，可由第三方檢測機構、監理單位聯合驗收，合格后方可進入下一道工序。

5 效益分析

該公路道路建設工程中率先應用3D挖掘機智能引導系統，經3個月的工程實踐驗證，該技術使施工效率提高了40%，施工調度及技術員減少3人/臺，各工序均順利完工，且一次性驗收合格。

6 結論

目前人工成本逐漸增加，工程施工領域內數字化、智能化、信息化、機械化成為發展趨勢。該文提出的技術方案，為智能化工程項目建設提供了參考。實踐中發現，依托3D挖掘機智能引導系統的項目施工效率顯著提升，但系統調試、運營、數據處置等環節對專業技術人員要求高，系統故障需等待廠家技術人員修整。如果項目周期短、施工精度要求不高、工程量不大的路基開挖施工，不建議采用該技術。