路面3D智能攤鋪原理及可行性的探討

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上路面3D智能攤鋪可行性的探討傳統(tǒng)的路面攤鋪工作已為我們所熟悉，整個(gè)攤鋪過程工作比較多，對(duì)機(jī)械及人員的配合，天氣等各方面要求都比較高，施工企業(yè)的投入也相對(duì)比較大，針對(duì)這一情況，施工企業(yè)以及一些相關(guān)研究單位也一直在不停地尋找一種更為省時(shí)，省力，省錢的施工方法！下面主要介紹一種目前最新的攤鋪施工技術(shù)3D智能攤鋪。一、3D智能攤鋪機(jī)構(gòu)造及各自作用。 總體來講，機(jī)械主要由四部分構(gòu)成，攤鋪機(jī)、GPS，激光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。單純從攤鋪機(jī)本身來說，在這個(gè)系統(tǒng)中，攤鋪機(jī)并沒有改進(jìn)，與現(xiàn)在走鋼絲型的攤鋪機(jī)一樣。GPS作為目前一種高效率的測(cè)量工具，在施工行業(yè)中，它正逐漸被廣泛地采用。在這個(gè)攤

2、鋪系統(tǒng)中，它的功能就是測(cè)平面坐標(biāo)（不包括高程）。激光系統(tǒng)，由于GPS的高程精度達(dá)不到路面施工規(guī)范的要求，所以采用了激光系統(tǒng)測(cè)量高程?？刂葡到y(tǒng)，它主要是接受以及處理數(shù)據(jù)，根據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比從而來操控?cái)備仚C(jī)，達(dá)到攤鋪的規(guī)范要求。二、GPS系統(tǒng) 其實(shí)，平時(shí)我們將所有通過接收衛(wèi)星信號(hào)而得到三位坐標(biāo)的儀器叫GPS并不準(zhǔn)確，因?yàn)槟壳爸辽俅嬖谌N衛(wèi)星，包括我們國(guó)家的北斗衛(wèi)星，俄羅斯的GNSS，以及美國(guó)的GPS，在工作中我們習(xí)慣了將三者都稱作GPS!下面介紹下。 （GPS定位原理圖） 在用3D智能攤鋪機(jī)攤鋪過程中，基準(zhǔn)站應(yīng)架在一個(gè)固定的位置不動(dòng)。這個(gè)位置要求地勢(shì)比較高，這樣一方面方便接收天上的衛(wèi)星信號(hào)，另一方

3、面方便發(fā)射的信號(hào)傳播出去。流動(dòng)站安裝在智能攤鋪機(jī)的固定位置處。GPS能得到高精度的平面坐標(biāo)，主要是通過觀測(cè)接收來自天上的衛(wèi)星信號(hào)（載有距離、時(shí)間以及衛(wèi)星本身的點(diǎn)位信息等）。觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)有要求，流動(dòng)站和基準(zhǔn)站必須同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的公共衛(wèi)星。 GPS（更確切來說是RTK）是一種能夠在野外實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地得到厘米級(jí)平面的，它的出現(xiàn)極大地提高了效率與準(zhǔn)確性。GPS平面定位精度能達(dá)到厘米級(jí)，這完全可以達(dá)到高速路規(guī)范對(duì)道路平面定位精度的要求。當(dāng)然，它也有它自己的缺點(diǎn)，其中影響最大的是它可能被空間遮擋物隔斷信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)失索，從而無法準(zhǔn)確的測(cè)得待求點(diǎn)坐。這一缺點(diǎn)直接決定了它不能在隧道內(nèi)使用。如果是山區(qū)遮擋物比

4、較多，通常情況下單星接收機(jī)一般不能使用，雙星和三星的接收機(jī)（單星接收機(jī)：指的是只接受一種衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)，現(xiàn)在在我們國(guó)家如果提到單星接收機(jī)，一般都指只接收美國(guó)GPS衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)。雙星接收機(jī)：指能接收兩種衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)，目前我們說的雙星接收機(jī)，一般指能接收我們自己國(guó)家的北斗衛(wèi)星信號(hào)和俄羅斯的GNSS，或者北斗衛(wèi)星信號(hào)與美國(guó)的GPS衛(wèi)星信號(hào)。三星接收機(jī)：指能夠同時(shí)接收北斗、GNSS、GPS三種衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)）的影響不是太大。要是在山區(qū)使用智能攤鋪機(jī)，需要提前到施工現(xiàn)場(chǎng)做下不勘察，看山區(qū)的遮擋對(duì)GPS的影響程度，如果影響比較大，我們可以使用較為先進(jìn)衛(wèi)星接收機(jī)，嘗試下能否消除這一因素。當(dāng)然，費(fèi)

5、用方面也會(huì)相應(yīng)的增加。如果遮擋過于嚴(yán)重，或者周圍存在嚴(yán)重影響衛(wèi)星信號(hào)的因素（比如大面積水域，大量高壓桿線），那只能采取其它措施進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。這只是根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平來判斷，日后也許通過一定的技術(shù)水平能克服這一缺點(diǎn)。對(duì)于高程，GPS技術(shù)是間接地測(cè)定點(diǎn)的正高或正常高。GPS水準(zhǔn)包括兩方面內(nèi)容：（1）采用GPS方法確定大地高，（2）采用其他技術(shù)方法確定高程異常值。從而確定正高或正常高。高程異常值比較難以確定，它隨地形以及所處地理位置等因素的差別而有所差異，可以說高程異常隨所處位置不同而不同，根據(jù)測(cè)繪部門所給的某點(diǎn)高程，只能推出該點(diǎn)處的高程異常值。當(dāng)?shù)貏?shì)變化很大時(shí)，控制點(diǎn)之外的點(diǎn)的實(shí)際測(cè)得高程異常值與

6、測(cè)繪部門所給的將會(huì)有所不同！這種狀況在地勢(shì)較陡峭的山區(qū)會(huì)有較顯著地體現(xiàn)。所以，GPS所測(cè)高程一般達(dá)不到路面規(guī)范要求的高程精度（-1cm+1.5cm）。下面針對(duì)高程異常值這個(gè)概念做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。由GPS所測(cè)得的高程是測(cè)站相對(duì)于WGS-84橢球面的大地高即圖中靠左側(cè)的Hg，而我國(guó)所采用的高程系統(tǒng)是相對(duì)于似大地水準(zhǔn)面的正常高系統(tǒng)即圖中靠右側(cè)的H。地面點(diǎn)大地高，正常高，如圖1所示，存在以下關(guān)系： H=Hg- （1）式中，H為正常高，Hg 為GPS測(cè)得的大地高，即為高程異常。 從上式可知：Hg可以由GPS相位測(cè)量精確測(cè)定，如何求得正常高，關(guān)鍵在求解各點(diǎn)的高程異常。三、激光系統(tǒng)由于GPS所測(cè)高程達(dá)不到規(guī)范

7、規(guī)定的精度要求，所以必須采取其它的智能控制高程的辦法。目前市場(chǎng)上存在的激光系統(tǒng)算是最新的一種高程測(cè)量手段。激光系統(tǒng)主要有三部分組成，激光發(fā)射器，激光接收機(jī)，激光控控制器。攤鋪板底部高程=已知點(diǎn)高程+發(fā)射器儀器高HI接收機(jī)儀器高HR （圖為目前市場(chǎng)上以研發(fā)出的激光測(cè)高程產(chǎn)品）1、 激光發(fā)射器。用于發(fā)射激光，形成激光平面。激光發(fā)射器一般都具有自動(dòng)安平功能，若在工作中受振動(dòng)或碰撞發(fā)生偏離，會(huì)自動(dòng)停止發(fā)射，報(bào)警并重新自動(dòng)安平。在道路施工中，激光發(fā)射器一般安裝在道路的一側(cè)。 2、 激光接收器。用于接收激光信號(hào)，顯示信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給控制器。激光接收器一般安裝在平地機(jī)具上，通過電纜與控制器連接，接收器接

8、收信號(hào)的精度可以調(diào)節(jié)，如LS-B2激光接收器的精度控制范圍為±3mm±5mm。 3、 激光控制器。用于處理激光接收器傳輸來的信號(hào)，控制液壓工作站工作，從而調(diào)整攤鋪的厚度、橫坡。其實(shí)激光系統(tǒng)的原理并不是多么復(fù)雜，與水準(zhǔn)儀的原理差不多，它通過發(fā)射激光來提供個(gè)高程基準(zhǔn)面，接收機(jī)根據(jù)這個(gè)基準(zhǔn)面推算出待求點(diǎn)的高程，從而達(dá)到控制高程的作用。它的高程精度能達(dá)到1cm以內(nèi)，能夠滿足路面規(guī)范對(duì)高程精度的要求。然而，它也存在它的缺點(diǎn)，比如，如果多臺(tái)攤鋪機(jī)同時(shí)攤鋪，有可能互相遮擋激光，從而影響高程的連續(xù)測(cè)量，如果高程測(cè)量中斷，將直接導(dǎo)致攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的停止或者攤鋪厚度的失控。這個(gè)問題可以通過

9、提前規(guī)劃好攤鋪機(jī)的排序以及間距，行駛速度等因素來避免，這無形中也算增加了一定的施工難度。不過這種方法應(yīng)該可以改進(jìn)，比如說可以抬高激光發(fā)射器的高度來避免遮擋。四、控制系統(tǒng)攤鋪機(jī)、GPS、激光控制系統(tǒng)都是市場(chǎng)上已經(jīng)存在的，然而如何將三者柔和到一起，從而形成一種“全新”的機(jī)械3D智能攤鋪機(jī)，全要靠一個(gè)至關(guān)重要的控制系統(tǒng)。如果整個(gè)3D智能攤鋪比作一個(gè)會(huì)行走的人的話，那么這個(gè)控制系統(tǒng)就是這個(gè)人的大腦，管控著整個(gè)攤鋪成與敗。系統(tǒng)的工作可以分成三步，第一步，接收GPS傳來的平面數(shù)據(jù)信號(hào)，以及有激光發(fā)射器傳來激光所得到的高程數(shù)據(jù)信號(hào)；第二步，根據(jù)平面數(shù)據(jù)反推出攤鋪機(jī)所處位置的設(shè)計(jì)樁號(hào)以及高程，從而與實(shí)測(cè)高程比

10、較；第三步，根據(jù)比較的結(jié)果控制液壓系統(tǒng)來調(diào)整攤鋪機(jī)的攤鋪厚度，以及橫坡和平整度。這個(gè)系統(tǒng)是經(jīng)過數(shù)字編程得到的，它的系統(tǒng)穩(wěn)定性需要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試。理論上它是可行的，但是想要實(shí)現(xiàn)它，有一點(diǎn)的難度，系統(tǒng)需要接收不同種信號(hào)，而且還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速的處理，達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地處理，進(jìn)一步控制攤鋪機(jī)的液壓系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整攤鋪厚度、橫坡、平整度等。不過，既然市場(chǎng)上已經(jīng)存在這種機(jī)器，那一定已經(jīng)攻克了在相關(guān)方面的難題。有待現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀摩與學(xué)習(xí)！五、施工中注意要點(diǎn) 1、施工前準(zhǔn)備工作（1）已知水準(zhǔn)點(diǎn)的精度要高，最好是二等水準(zhǔn)高程；（2）開始作業(yè)前，檢查系統(tǒng)各部件是否正常；（3）用流動(dòng)站核查攤鋪數(shù)據(jù)是否無誤；（4）設(shè)備激光

11、發(fā)射器運(yùn)輸保護(hù)（隨人攜帶，避免顛簸）；（5）做好其他設(shè)備的檢查工作 ；（6）做好備選方案，如中途意外停止，及時(shí)切換到傳統(tǒng)滑靴等方式施工；2、施工中注意事項(xiàng)（1）控制攤鋪機(jī)的速度；（2）用外加條件不間斷的檢查攤鋪的準(zhǔn)確性，比如用水準(zhǔn)儀和全站儀配合檢查已鋪路面的準(zhǔn)確性，如有偏差，因快速查明原因，如短時(shí)間查不到，及時(shí)采用傳統(tǒng)的攤鋪方法，將損失降到最低；（3）注意各機(jī)械的配合；（4）如中途意外停止，及時(shí)采用備選方案；（5）注意施工的連續(xù)性； 3、施工結(jié)束 在施工結(jié)束后，注意儀器的保存，激光發(fā)射器避免碰撞與顛簸，GPS一定做到防水防震。六、與傳統(tǒng)方法對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)1、施工平整度對(duì)比。3D控制系統(tǒng)：通過對(duì)絕對(duì)

12、高程的準(zhǔn)確控制，結(jié)合攤鋪機(jī)的找平原理，平整度精度2mm/4米。傳統(tǒng)滑靴法：以控制厚度為主要目標(biāo)，無法自身控制平整度，總體精度取決于參考線誤差及系統(tǒng)工作方式誤差。傳統(tǒng)的平衡梁法：以保證平順性為主要目標(biāo)，平整度精度取決于參考面和系統(tǒng)工作方式誤差2、施工平順性對(duì)比3D控制系統(tǒng)：攤鋪機(jī)可以嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)表面進(jìn)行攤鋪，理論上實(shí)際攤鋪面可以精確完美符合設(shè)計(jì)面數(shù)據(jù)，從而保證高精度的平順性指標(biāo)。傳統(tǒng)滑靴法：平順性取決于參考線或面的精度和工作方式誤差，無法保證平順性。傳統(tǒng)的平衡梁法：可一定范圍內(nèi)保證平順性，但效果取決于參考面，且無法達(dá)到接近設(shè)計(jì)面的效果。3、誤差分析 3D控制系統(tǒng)：（1）、系統(tǒng)固定誤差：2mm（2

13、）、水準(zhǔn)控制點(diǎn)誤差：1mm（3）、攤鋪機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。傳統(tǒng)滑靴法：（1）、水準(zhǔn)點(diǎn)誤差：1mm（2）、鋼線誤差：2mm（3）、鋼線撓度誤差：2-4mm（4）、滑靴系統(tǒng)誤差：2-5mm（5）、現(xiàn)場(chǎng)不可預(yù)估誤差：比如鋼線移動(dòng)、樁位沉降、內(nèi)業(yè)計(jì)算錯(cuò)誤或 誤差等（6）、攤鋪機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。傳統(tǒng)的平衡梁法：（1）、參考面精度：無法保證（2）、系統(tǒng)誤差：2-5mm（3）、攤鋪機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差（4）、以平順性為主要目標(biāo)。 由于系統(tǒng)的主要目標(biāo)不同，誤差無直接可比性，例如：3D系統(tǒng)為精確控制，而滑靴主要控制厚度，平衡梁主要控制平順性，且兩者的厚度與平順性精度與3D系統(tǒng)相比還是有很大差距，傳統(tǒng)方式無法同時(shí)控制厚

14、度及平順性，絕對(duì)高程更無從談起。4、人員效率及工作強(qiáng)度3D控制系統(tǒng)：（1）、人員需求：3人（主要分工：激光換站、實(shí)時(shí)激光檢測(cè)、攤鋪機(jī)系統(tǒng)控制）（2）、工作強(qiáng)度：無內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及準(zhǔn)備、無現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、放樣、打樁、掛線、水準(zhǔn)檢測(cè)，完全實(shí)現(xiàn)無樁化施工。傳統(tǒng)滑靴法：（1）、人員需求：8-10人?；タ刂?人，全站儀里程放樣2人，水準(zhǔn)測(cè)量及檢測(cè)2人，打樁、掛線2人，現(xiàn)場(chǎng)指揮等2人。（2）、工作強(qiáng)度：內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（數(shù)據(jù)復(fù)雜性可能帶來錯(cuò)誤）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)放樣、水準(zhǔn)檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分。傳統(tǒng)的平衡梁法：（1）、人員需求：6-8人。平衡梁控制2人，全站儀里程放樣2人，水準(zhǔn)測(cè)量及檢測(cè)2人，現(xiàn)場(chǎng)指揮等2人。（2）、工作強(qiáng)度

15、：內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（數(shù)據(jù)復(fù)雜性可能帶來錯(cuò)誤）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)放樣、水準(zhǔn)檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析計(jì)算等。 在人員效率及工作強(qiáng)度上，二者差別巨大，同時(shí)參與人員越多，現(xiàn)場(chǎng)越復(fù)雜，帶來的錯(cuò)誤及誤差也越多。5、經(jīng)濟(jì)效益分析。3D控制系統(tǒng)：（1）、人員節(jié)?。簲備伖ぷ骺梢詼p少5人（2）、材料節(jié)?。壕_控制每層厚度，減少瀝青料用量（實(shí)際節(jié)省量會(huì)超出我們的想象）（3）、油料節(jié)?。豪没シ绞搅宪囆枰獊砘氐管嚕麄€(gè)工期數(shù)量可觀（4）、工期縮短：無測(cè)量工作帶來的工期耽誤，攤鋪工期成本可減至最少。主要體現(xiàn)在四個(gè)方面（1）、人員節(jié)?。?）、材料節(jié)省（3）、油料節(jié)省（4）、工期縮短3D控制系統(tǒng)的引入，完全改變了傳統(tǒng)的攤鋪工作方式，在

16、精度控制、效率提高、效益提高方面比傳統(tǒng)施工方式有著不同程度的提高，是將來攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展方向，真正實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)施工方式向現(xiàn)代數(shù)字化施工方式的轉(zhuǎn)變；隨著現(xiàn)代化施工的要求逐漸走向精細(xì)化、數(shù)字化，挖掘機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、壓實(shí)監(jiān)控等方面的控制系統(tǒng)會(huì)越來越多地使用在施工工地！ 當(dāng)然，上面只列出了它與傳統(tǒng)方法相比的優(yōu)點(diǎn)，沒有提及它的缺點(diǎn)，下面主要探討下缺點(diǎn)以及可能存在的問題。七、與傳統(tǒng)方法相比的缺點(diǎn)及可能存在的一些問題1、不能在隧道內(nèi)使用。這主要是因?yàn)镚PS在隧道內(nèi)無法接收到衛(wèi)星信號(hào)所導(dǎo)致的。然而激光探測(cè)器在隧道內(nèi)可以正常工作，不受任何影響。目前的隧道路面攤鋪工作還沒有新的方法，采用的是傳統(tǒng)的平

17、衡梁法或者滑靴法。由于高程這個(gè)至關(guān)重要的因素不受影響，只要能定位就可以解決不能在隧道內(nèi)使用的這個(gè)問題。針對(duì)這一狀況，可以采用目前較為先進(jìn)的慣性導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式。即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置。因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離。下面談?wù)剳T性導(dǎo)航的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1)由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好且不受

18、外界的影響；(2)可全天候、全時(shí)間地工作于空中乃至水下；(3)能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；(4)數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)(1)由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；(2)每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)；它的缺點(diǎn)決定了它使用范圍，慣導(dǎo)系統(tǒng)在隧道內(nèi)可以使用，但它不適用于長(zhǎng)隧道！在隧道內(nèi)施工，理論上還存在另一種方法，全站儀和激光系統(tǒng)配套使用。通常情況下，單幅隧道不會(huì)太寬，攤鋪機(jī)最多走兩趟就可以攤鋪完成，所以攤鋪機(jī)在隧道內(nèi)走兩趟，每一趟都沿著中線行走。施工順序可以這樣，首先，將隧道中線放出來，并且準(zhǔn)確的而又稠密的將樁號(hào)標(biāo)

19、出。軌道攤鋪機(jī)在人為的操作下，嚴(yán)格的沿著中線勻速行走，在攤鋪機(jī)后方架設(shè)全站儀，攤鋪機(jī)所處中樁位置安置棱鏡，全站儀在后方用免棱鏡的方法連續(xù)測(cè)攤鋪機(jī)的平面坐標(biāo)，然后傳到操控系統(tǒng)中，與激光發(fā)射器測(cè)得的高程數(shù)據(jù)融合，從而達(dá)到攤鋪的智能控制。這在理論上應(yīng)該是可行的，主要需要處理數(shù)據(jù)傳輸，以及傳輸過程中時(shí)間銜接的問題。如果時(shí)間差能縮到足夠短，精度肯定能達(dá)到規(guī)范要求！這有待去實(shí)踐！2、受周圍環(huán)境制約。這主要是環(huán)境對(duì)GPS測(cè)坐標(biāo)的影響，GPS的精度在一般狀況下能夠達(dá)到測(cè)量平面的坐標(biāo)，但是，如果周圍有太多的遮擋物，或者周圍存在大面積水域或其他會(huì)反射信號(hào)的物體形成多路徑效應(yīng)，所測(cè)坐標(biāo)有可能誤差太大，達(dá)不到道路施工規(guī)范規(guī)定的精度。針對(duì)目前這一難題，可以采用雙頻或三頻接收機(jī)接收更多衛(wèi)星信號(hào)來縮小誤差。當(dāng)然，這一問題隨著測(cè)量方面技術(shù)的逐漸提升，影響的程度逐漸降低。3、系統(tǒng)可能在施工中出現(xiàn)意外中