3D自动化摊铺系统mmGPS在公路施工中的应用



3D自动化摊铺系统mmGPS在公路施工中的应用

达德昌，蒲文文

(甘肃省恒通路桥工程有限公司，甘肃 兰州 730071)

mmGPS 3D摊铺自动控制系统是一种专门用于对施工作业面进行高精度整平的光机电液一体化3D自动控制系统，是专门与相关施工机械配套并提高其自动化水平的重要手段，也是当今世界上先进的整平作业技术。mmGPS 3D摊铺自动控制系统集成了多种定位/传感技术、专业化软件和强大的控制系统，能够实现对摊铺机的精确控制、熨平板的实时定位，以及完全自动化的施工作业，从而满足垂直曲线、过渡点、超高曲线和复杂站点等要求苛刻的公路工程建设需要。本文以SCMC ABG摊铺机型为例，论述mmGPS 3D摊铺自动控制系统在实际工程中的应用。

一、系统配置

mmGPS 3D摊铺自动控制系统由基准站设备、机载设备和检测设备3个主要部分组成。其中基准站设备包括1台GNSS接收机和2～4台激光发射器；机载设备包括1～2个GNSS/激光接收器、1个坡度传感器、1个控制器和1个GNSS接收机；检测设备包括1套GNSS/激光流动站系统。

1. GNSS接收机

GNSS基准站接收机配备有外置或内置发射电台，将其架设在基准点上或经过联测的已知坐标点上，通过RTCM格式或厂家自定义格式播发RTK改正数据。其作用是为机载设备和检测设备提供厘米级高精度3D定位基准。本项目采用了1台带内置电台和基准站配置的Topcon HiperV GNSS接收机(如图1所示)。

图1　GNSS基准站接收机

2. 激光发射器

在mmGPS系统中，型号为LZ-T5的激光发射器被架设在已知高程控制点上，通过Topcon的LaserZone技术(如图2所示)向外发射1000 rpm、360°旋转、±5 m的激光墙，为半径300 m内的激光接收器提供毫米级高程基准。LZ-T5激光发射器具有自动对点和自动整平功能。

图2　LaserZone毫米级高程控制技术

3. GNSS/激光接收器

图3显示了一个典型的mmGPS机载系统的构成。GNSS/激光接收器(型号PZS-MC)包括一体化的GNSS接收天线和具有360°激光接收能力的激光接收元件。它可以同时接收GNSS卫星信号和由激光发射器发射的激光信号，并通过电缆线将信号传递给GNSS接收机。GNSS/激光接收器通常安装在自动或手动可升降的桅杆上，并与摊铺机熨平板进行刚性连接。GNSS/激光接收器与熨平板底部的固定偏差在系统安装时会进行精密量测和校准。在实际操作中，由于相对固定的几何关系，由GNSS相位中心和激光接收元件的几何中心可以精确推算出熨平板底部的实时3D位置与高程，从而可以与设计数据进行对比，并通过控制摊铺机液压系统对熨平板进行升/降控制，实现毫米级高程精度。摊铺机与GNSS/激光接收器的安装与连接如图4所示。

图3　mmGPS系统所包含的机载设备

图4　GNSS/激光接收器的安装

4. 坡度传感器

坡度传感器作为一个系统选项可以对熨平板的坡度进行实时测量，精度可达±0.025%。通常，坡度传感器可以用来替代第2个GNSS/激光接收器，利用单边GNSS/激光接收器加上坡度传感器对整个熨平板进行高程和坡度的控制，从而构成一个较低成本的简化mmGPS系统。本项目系统使用了2个GNSS/激光传感器，因此未采用坡度传感器。

5. GNSS接收机

机载GNSS接收机(型号MC-R3，如图5所示)是用于施工机械上的专业化GNSS设备，具有优越的三防性能和内置电台等高端配置。它将GNSS/激光传感器获取的GNSS信号和激光信号进行信号转换和数据处理，计算出实时GNSS 3D坐标和精密高程，并将其结果发送给系统控制器。

图5　GX-60控制器

6. 控制器

控制器(型号GX-60，如图6所示)是连接mmGPS系统和摊铺机系统的核心部分。它既是mmGPS的人机界面，同时也是向摊铺机系统发布指令的控制中心。通过3D-MC软件，它能够进行设计数据的上传，以及实测数据的显示、存储与下载，能够监控整体作业情况及与设计数据对比计算出的偏差，并能够根据施工工况和项目要求设置不同的精度等级。精度范围可根据需要设置为1～20 mm。

图6　机载GNSS接收机

7. 检测设备

检测设备包括一个一体化的GNSS流动站(型号Hiper+)、激光接收器(型号PZS-1)、控制手簿(型号FC-50)和Pocket-3D软件。图7为本项目使用的手簿软件界面。

图7　mmGPS检测设备

检测设备的用途是在施工过程中按照项目要求或施工需要对摊铺结果进行现场检核。通过实测得到的GNSS RTK 3D位置信息和激光接收器得到的精密高程信息，可以检核实际摊铺结果与设计数据的差异。

二、高程控制原理

激光发射器是由有源电池驱动的一种激光发生装置，它被安置在位于作业区域高程控制点上架设的三脚架上。激光发射头在工作时高速旋转，速度高达1000 rpm，并可根据设定要求自动达到水平面或斜坡面状态。它发射的激光束可在作业面上形成一个激光光学平面，该平面即作为整平作业的基准参照面。由于该参照面是处于一定空间高度的稳定平面，因而不受机群作业和其他因素的干扰。

激光接收器的功用是接收激光发射器发来的含有高程信息的光信号，并根据相对基准参照面的高度变化将光信号转换成变化的电信号，并传输到控制器。控制器将激光接收器传递来的电位信号，经过数据分析处理后转换成控制信号，控制电磁比例换向阀通向熨平板提升或降低液压缸的油量和方向，实现熨平板的自动升降。

三、系统作业效率分析

摊铺机在作业时通过滑靴沿着钢丝绳行进，并对熨平板进行相应的升降控制。采用mmGPS 3D摊铺自动控制系统后，能够消除放样、设桩、挂绳等烦琐的人工操作，降低了人为错误出现的可能性和易受外界条件干扰的不利因素，尤其在进行大面积作业时，作业周期明显加快，施工质量大幅提升，还减少了施工中所需的人工数量。

四、铺筑成果展示及效能分析

图8和图9显示了使用mmGPS系统进行沥青摊铺所得到的平整度检测和整体效果。效能分析见表1。

图8　平整度检测

图9　铺筑整体效果

五、结论

mmGPS 3D摊铺自动控制技术在本项目中的优势如下：

1) 过程化施工控制：实时显示图形和数据信息，摊铺过程的实时连续控制。

2) 无桩化摊铺：无需测量放桩和架设参考基准线，且能根据现场施工要求灵活调整。

3) 精准施工作业：系统根据施工要求，准确按照设计进行施工，保证道面的平整度和厚度。

4) 全天候施工作业：系统施工不受光线的影响，可以全天候连续作业。

5) 操作流程化：系统操作系统化、流程化，设备简单易用。

表1　效能分析

国内3D自动控制技术在摊铺机上的应用虽然尚处于初始阶段，但是随着国民经济的不断发展及工程施工要求的不断变化，该领域的发展潜力非常大，尤其在机群化作业施工中，mmGPS 3D摊铺自动控制系统具有明显的优越性。

(本专栏由拓佳节丰圣和本刊编辑部共同主办)