基于北斗技術的填方路基數字化施工技術

張 龍 王同德 祁朋志 張軍靈 梅 敏

（1.中交路橋建設有限公司，北京 100000；2.交通運輸部衛星技術交通運輸行業研發中心，北京 101399；3.中國交通信息科技集團有限公司，北京 100000；4.中交星宇科技有限公司，北京 100000）

隨著數字化技術的進步與發展，傳統施工模式由于其自身的局限性受到了較大挑戰，數字化機械施工逐漸成為未來施工發展的主要方向[1]。數字化施工是指依托建立數字化地位基礎平臺、地理信息系統、工地現場數據采集系統、工地現場機械控制系統等基礎平臺，整合工地信息資源，突破時間、空間的局限，建立一個在現實中無法建立的開放信息環境[2-3]。數字化施工是提高工作效率、提升工地管理水平、優化施工方案的較佳選擇，同時也是提高施工進程透明度、實現實時和有效監督的重要工具。在填方路基施工中，數字化施工與傳統施工模式相比，前者以更高效的方式幫助決策者了解現場以及工程進度，合理安排不同區域的施工步伐，可以有效地降低施工成本，提升經濟效益[4-5]。數字化施工對提高工地現代化水平、信息化水平、管理水平具有重要意義[6]。數字化施工不局限于網絡上的信息交換，其最終目的是利用現有技術手段對工地資源、自然資源等信息進行有效收集、管理與共享，提高施工工地運作效率[7]。因此，對填方路基數字化施工進行研究非常必要。

1 填方路基數字化施工工藝的關鍵技術

數字化施工指利用數字化技術對工程建造進行幫助指導，方式是通過人與信息終端之間的互動[8]。主要體現在分析、表達、模擬、計算、控制、監測以及信息流構建，本質為利用數字化技術，對建造過程和工程組織形式進行變革，實現工程建造過程和工程產品的發展。在填方路基施工中，數字化施工是指利用數字化技術建立基礎平臺，包括施工地理信息收集、施工現場數據采集、施工現場機械設備控制系統等，整合采集的信息資源，建立相對開放的信息環境，為施工現場提供增值服務的施工模式。因此，路基數字化施工就是為路基施工現場與路基施工設備（如挖掘機、攤平機、壓路機、推土機等）之間建立數字化信息平臺，為施工過程提供服務[9-10]。

本研究中，數字化施工的主要研究內容為數字化智能刷坡系統、數字化智能壓實系統、數字化智能精平系統。

1.1 數字化智能刷坡系統

數字化智能刷坡系統的工作原理是利用北斗高精度定位技術和慣導傾斜傳感技術，實時計算出挖掘機鏟斗斗尖三維坐標，通過全自主研發的挖掘機模型算法和車載平板電腦中的三維設計圖紙，對推土機進行引導挖掘，其挖填精度可達±3 cm。

針對不同型號的推土機，數字化智能刷坡系統能夠提供專業的終端數據采集系統，實時顯示鏟尖處的填挖量，無須測量輔助和打樁放線。

系統可以實時顯示鏟尖的三維坐標，并實時將機械位置、鏟尖坐標等原始信息通過TCP協議上傳至服務器，實現了智能化的施工引導、施工檢核以及數據回傳。與傳統施工方式相比，數字化智能刷坡系統減少了打樁放樣次數、檢核頻率、施工人員數量以及返工次數，實現了土方工程施工質量和效率的提升。數字化智能刷坡系統如圖1所示。

圖1 數字化智能刷坡系統

1.2 數字化智能壓實系統

數字化智能壓實系統的工作原理是利用北斗衛星高精度定位技術、無線通信技術、高精度傳感器技術以及大數據分析處理技術，對壓實過程進行實時連續可視化引導與管理，為施工人員提供及時精確的壓實質量信息，實現對壓實質量的過程控制和綜合管理。數字化智能壓實系統如圖2所示。

圖2 數字化智能壓實系統

通過在路基工程施工現場安裝高精度的定位設備以及建立施工現場的CORS網絡，對壓實機械的行走軌跡進行測量，基于模塊化設計的數字化智能壓實系統支持所型號壓路機，可對壓實路基的每層厚度進行記錄，獲得每個段落樁號路基材料的壓實次數，針對施工中存在的薄弱環節及時予以反饋。

數字化智能壓實系統支持北斗、Glonass、GPS等衛星系統，可實現壓實厘米級定位精度，通過現場組網實現機群設備間的數據通信，能夠顯示碾壓遍數、碾壓軌跡、碾壓速度、高程等路機的位置及作業信息，實現多機械協同作業。與傳統壓實施工相比，數字化智能壓實系統能夠實時監測壓實數據參數，引導壓實作業，保證路面壓實質量均勻性，有效減少返工次數，提高了施工效率。數字化智能壓實系統提高了機械利用率，降低油耗，實現了節能降耗與綠色施工。

1.3 數字化智能精平系統

數字化智能精平系統的工作原理是利用北斗衛星高精度定位技術、慣導傾斜傳感技術及液壓控制技術，結合全自主研發的GR-Tech平地機模型算法，可以實時計算出平地機鏟刀的三維坐標，并根據車載平板電腦中的三維設計圖紙實時控制鏟刀姿態，調整鏟刀標高。

數字化智能精平系統如圖3所示。利用數字化智能精平系統整平后的路基，實現了土方工程施工質量和效率的精準控制。此外，數字化智能精平系統可根據主控箱的信號通過液壓電磁閥實時控制鏟刀姿態，實時顯示鏟尖處的填挖量，實現了智能化施工引導以及智能化施工檢核。

圖3 數字化智能精平系統

與傳統精平施工相比，數字化智能精平系統具有更高的平整精度和路基精度，且不需要測量人員提前測量、打樁，也無須測量人員在施工過程中進行檢測和補樁，大幅度提升了精平施工的施工效率以及工程質量。

2 經濟效益分析

為了定量分析數字化施工在成本方面的優勢，分別對數字化智能刷坡系統、數字化智能壓實系統以及數字化智能精平系統與傳統施工的成本進行估算對比。結果顯示數字化施工可以有效地節約施工成本，在提高施工效率和檢測效率的同時，大幅減少施工人員的工作量以及返工現象，在保證土方施工質量的前提下，獲得了更高的經濟效益。

數字化施工與傳統施工成本對比如表1所示。

表1 數字化施工與傳統施工成本對比

3 結語

通過對填方路基數字化施工關鍵技術的工藝研究以及經濟效益分析，表明基于北斗技術的填方路基數字化施工技術相比于傳統施工技術，能夠有效地提升工程質量與施工效率，有效降低施工成本。數字化施工技術必然會成為未來填方路基施工的發展方向。