路面3D智能攤鋪原理及可行性的探討

1、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，整個攤鋪過程工作比較多，對機械及人員的配合，天氣等各方面要求都比較高，施工企業(yè)的投入也相對比較大，針對這一情況，施工企業(yè)以及一些相關研究單位也一直在不停地尋找一種更為省時，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一3D智能攤鋪。一、3D智能攤鋪機構造及各自作用?？傮w來講，機械主要由四部分構成，攤鋪機、GPS,激光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。單純從攤鋪機本身來說，在這個系統(tǒng)中，攤鋪機并沒有改進，與現(xiàn)在走鋼絲型的攤鋪機一樣。GPS作為目前一種高效率的測量工具，在施工行業(yè)中，它正逐漸被廣泛地采用。在這個攤鋪系統(tǒng)中，它的功能就是測平

2、面坐標（不包括高程）。激光系統(tǒng)，由于GPS的高程精度達不到路面施工規(guī)范的要求，所以采用了激光系統(tǒng)測量高程?？刂葡到y(tǒng)，它主要是接受以及處理數(shù)據(jù)，根據(jù)與設計數(shù)據(jù)對比從而來操控攤鋪機，達到攤鋪的規(guī)范要求。二、GPS系統(tǒng)其實，平時我們將所有通過接收衛(wèi)星信號而得到三位坐標的儀器叫GPS并不準確，因為目前至少存在三種衛(wèi)星，包括我們國家的北斗衛(wèi)星，俄羅斯的GNSS,以及美國的GPS,在工作中我們習慣了將三者都稱作GPS!下面介紹下。RTK的原理PrincipleofRTKwww.m口Hop-（GPS定位原理圖）在用3D智能攤鋪機攤鋪過程中，基準站應架在一個固定的位置不動。這個位置要求地勢比較高，這樣一方面方

3、便接收天上的衛(wèi)星信號，另一方面方便發(fā)射的信號傳播出去。流動站安裝在智能攤鋪機的固定位置處。GPS能得到高精度的平面坐標，主要是通過觀測接收來自天上的衛(wèi)星信號（載有距離、時間以及衛(wèi)星本身的點位信息等）,觀測的衛(wèi)星數(shù)有要求，流動站和基準站必須同時觀測到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時、動態(tài)地得到厘米級平面定位精度的測量方法，它的出現(xiàn)極大地提高了野外作業(yè)效率與準確性。GPS平面定位精度能達到厘米級，這完全可以達到高速路規(guī)范對道路平面定位精度的要求。當然，它也有它自己的缺點，其中影響最大的是它可能被空間遮擋物隔斷信號，導致信號失索，從而無法準確的測得待求點坐。這一缺

4、點直接決定了它不能在隧道內使用。如果是山區(qū)遮擋物比較多，通常情況下單星接收機一般不能使用，雙星和三星的接收機（單星接收機：指的是只接受一種衛(wèi)星信號的接收機，現(xiàn)在在我們國家如果提到單星接收機，一般都指只接收美國GPS衛(wèi)星信號的接收機。雙星接收機：指能接收兩種衛(wèi)星信號的接收機，目前我們說的雙星接收機，一般指能接收我們自己國家的北斗衛(wèi)星信號和俄羅斯的GNSS,或者北斗衛(wèi)星彳f號與美國的GPS衛(wèi)星信號。三星接收機：指能夠同時接收北斗、GNSS、GPS三種衛(wèi)星信號的接收機）的影響不是太大。要是在山區(qū)使用智能攤鋪機，需要提前到施工現(xiàn)場做下不勘察，看山區(qū)的遮擋對GPS的影響程度，如果影響比較大，我們可以使用

5、較為先進衛(wèi)星接收機，嘗試下能否消除這一因素。當然，費用方面也會相應的增加。如果遮擋過于嚴重，或者周圍存在嚴重影響衛(wèi)星信號的因素（比如大面積水域，大量高壓桿線），那只能采取其它措施進行攤鋪作業(yè)。這只是根據(jù)現(xiàn)在的技術水平來判斷，日后也許通過一定的技術水平能克服這一缺點。對于高程，GPS技術是間接地測定點的正高或正常高。GPS水準包括兩方面內容：（1）采用GPS方法確定大地高，（2）采用其他技術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)測繪部門所給的某點高程，只能推出該點處的高程異常值。當

6、地勢變化很大時，控制點之外的點的實際測得高程異常值與測繪部門所給的將會有所不同！這種狀況在地勢較陡峭的山區(qū)會有較顯著地體現(xiàn)。所以，GPS所測高程一般達不到路面規(guī)范要求的高程精度(-1cm+1.5cm)。下面針對高程異常值這個概念做個簡單的介紹由GPS所測得的高程是測站相對于WGS-84橢球面的大地高即圖中靠左側的Hg,而我國所采用的高程系統(tǒng)是相對于似大地水準面的正常高系統(tǒng)即圖中靠右側的H。地面點大地高，正常高，如圖1所示，存在以下關系：H=Hg-AS(1)式中，H為正常高，Hg為GPS測得的大地高，E即為高程異常。從上式可知：Hg可以由GPS相位測量精確測定，如何求得正常高，關鍵在求解各點的高

7、程異常?三、激光系統(tǒng)由于GPS所測高程達不到規(guī)范規(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。目前市場上存在的激光系統(tǒng)算是最新的一種高程測量手段激光系統(tǒng)主要有三部分組成，激光發(fā)射器，激光接收機，激光控控制器。攤鋪板底部高程=已知點高程+發(fā)射器儀器高HI-接收機儀器高HR已知點PflHt（圖為目前市場上以研發(fā)出的激光測高程產(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安平功能，若在工作中受振動或碰撞發(fā)生偏離，會自動停止發(fā)射，報警并重新自動安平。在道路施工中，激光發(fā)射器一般安裝在道路的一側。2、激光接收器。用于接收激光信號，顯示信號，并將信號傳輸給控制器。激光接

8、收器一般安裝在平地機具上，通過電纜與控制器連接，接收器接收信號的精度可以調節(jié)，如LS-B2激光接收器的精度控制范圍為七mm5mm。3、激光控制器。用于處理激光接收器傳輸來的信號，控制液壓工作站工作，從而調整攤鋪的厚度、橫坡。其實激光系統(tǒng)的原理并不是多么復雜，與水準儀的原理差不多，它通過發(fā)射激光來提供個高程基準面，接收機根據(jù)這個基準面推算出待求點的高程，從而達到控制高程的作用。它的高程精度能達到1cm以內，能夠滿足路面規(guī)范對高程精度的要求。然而，它也存在它的缺點，比如，如果多臺攤鋪機同時攤鋪，有可能互相遮擋激光，從而影響高程的連續(xù)測量，如果高程測量中斷，將直接導致攤鋪作業(yè)的停止或者攤鋪厚度的失控

9、。這個問題可以通過提前規(guī)劃好攤鋪機的排序以及間距，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。不過這種方法應該可以改進，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、GPS、激光控制系統(tǒng)都是市場上已經(jīng)存在的，然而如何將三者柔和到一起，從而形成一種“全新”的機械一3D智能攤鋪機，全要靠一個至關重要的控制系統(tǒng)。如果整個3D智能攤鋪比作一個會行走的人的話，那么這個控制系統(tǒng)就是這個人的大腦，管控著整個攤鋪成與敗。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，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；第二步，根據(jù)平面數(shù)據(jù)反推出攤鋪機所處位置的設計樁號以及高

10、程，從而與實測高程比較；第三步，根據(jù)比較的結果控制液壓系統(tǒng)來調整攤鋪機的攤鋪厚度，以及橫坡和平整度。這個系統(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)過嚴格的測試。理論上它是可行的，但是想要實現(xiàn)它，有一點的難度，系統(tǒng)需要接收不同種信號，而且還需要對信號進行快速的處理，達到實時準確地處理，進一步控制攤鋪機的液壓系統(tǒng)，實時調整攤鋪厚度、橫坡、平整度等。不過，既然市場上已經(jīng)存在這種機器，那一定已經(jīng)攻克了在相關方面的難題。有待現(xiàn)場實地觀摩與學習！五、施工中注意要點1、施工前準備工作(1)已知水準點的精度要高，最好是二等水準高程；(2)開始作業(yè)前，檢查系統(tǒng)各部件是否正常；(3)用流動站核查攤鋪數(shù)據(jù)是否無

11、誤；(4)設備激光發(fā)射器運輸保護(隨人攜帶，避免顛簸)；(5)做好其他設備的檢查工作；(6)做好備選方案，如中途意外停止，及時切換到傳統(tǒng)滑靴等方式施工；2、施工中注意事項(1)控制攤鋪機的速度；(2)用外加條件不間斷的檢查攤鋪的準確性，比如用水準儀和全站儀配合檢查已鋪路面的準確性，如有偏差，因快速查明原因，如短時間查不到，及時采用傳統(tǒng)的攤鋪方法，將損失降到最低；(3)注意各機械的配合；(4)如中途意外停止，及時采用備選方案；(5)注意施工的連續(xù)性；3、施工結束在施工結束后，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)方法對比的優(yōu)點1、施工平整度對比。3D控制系統(tǒng)

12、：通過對絕對高程的準確控制，結合攤鋪機的找平原理，平整度精度2mm/4米。傳統(tǒng)滑靴法：以控制厚度為主要目標，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，平整度精度取決于參考面和系統(tǒng)工作方式誤差2、施工平順性對比3D控制系統(tǒng)：攤鋪機可以嚴格按照設計表面進行攤鋪，理論上實際攤鋪面可以精確完美符合設計面數(shù)據(jù)，從而保證高精度的平順性指標。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：可一定范圍內保證平順性，但效果取決于參考面，且無法達到接近設計面的效果。3、誤差分析3D控制系統(tǒng)：(1)、系統(tǒng)固定誤差：

13、2mm(2)、水準控制點誤差：1mm(3)、攤鋪機系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。傳統(tǒng)滑靴法：(1)、水準點誤差：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)場不可預估誤差：比如鋼線移動、樁位沉降、內業(yè)計算錯誤或誤差等（6）、攤鋪機系統(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）、攤鋪機系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差（4）、以平順性為主要目標。由于系統(tǒng)的主要目標不同，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

14、控制厚度及平順性，絕對高程更無從談起。4、人員效率及工作強度3D控制系統(tǒng)：（1）、人員需求：3人（主要分工：激光換站、實時激光檢測、攤鋪機系統(tǒng)控制）（2）、工作強度：無內業(yè)數(shù)據(jù)處理及準備、無現(xiàn)場測量、放樣、打樁、掛線、水準檢測，完全實現(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，水準測量及檢測2人，打樁、掛線2人，現(xiàn)場指揮等2人。（2）、工作強度：內業(yè)數(shù)據(jù)準備（數(shù)據(jù)復雜性可能帶來錯誤）現(xiàn)場實時放樣、水準檢測、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，水準測量及檢測2人，現(xiàn)場指揮等2人。（2）、工

15、作強度：內業(yè)數(shù)據(jù)準備（數(shù)據(jù)復雜性可能帶來錯誤）現(xiàn)場實時放樣、水準檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析計算等。在人員效率及工作強度上，二者差別巨大，同時參與人員越多，現(xiàn)場越復雜，帶來的錯誤及誤差也越多。5、經(jīng)濟效益分析。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（實際節(jié)省量會超出我們的想象）（3）、油料節(jié)省：利用滑靴方式料車需要來回倒車，整個工期數(shù)量可觀（4）、工期縮短：無測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)在四個方面（1）、人員節(jié)省（2）、材料節(jié)?。?）、油料節(jié)?。?）、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

16、，在精度控制、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，是將來攤鋪機控制系統(tǒng)的主要技術發(fā)展方向，真正實現(xiàn)由傳統(tǒng)施工方式向現(xiàn)代數(shù)字化施工方式的轉變；隨著現(xiàn)代化施工的要求逐漸走向精細化、數(shù)字化，挖掘機、推土機、平地機、壓實監(jiān)控等方面的控制系統(tǒng)會越來越多地使用在施工工地！當然，上面只列出了它與傳統(tǒng)方法相比的優(yōu)點，沒有提及它的缺點，下面主要探討下缺點以及可能存在的問題。七、與傳統(tǒng)方法相比的缺點及可能存在的一些問題1、不能在隧道內使用。這主要是因為GPS在隧道內無法接收到衛(wèi)星信號所導致的。然而激光探測器在隧道內可以正常工作，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

17、平衡梁法或者滑靴法。由于高程這個至關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使用的這個問題。針對這一狀況，可以采用目前較為先進的慣性導航技術。慣性導航系統(tǒng)屬于一種推算導航方式。即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置。因而可連續(xù)測出運動體的當前位置慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經(jīng)過對時間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的一次積分即可得到距離。下面談談慣性導航的優(yōu)缺點優(yōu)點(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、外界電磁干擾的影響；(2)可全天候全球、全時間地工作于空中地球表面乃至水下；(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(1)由于導航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；(2)每次使用之前需要較長的初始對準時間；它的缺點決定了它使用范圍，慣導系統(tǒng)在隧道內可以使用，但它不適用于長隧道！在隧道內施工，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，單幅隧道不會太寬，攤鋪機最多走兩趟就可以攤鋪完成，所以攤鋪機在隧道內走兩趟，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

19、準確的而又稠密的將樁號標出。軌道攤鋪機在人為的操作下，嚴格的沿著中線勻速行走，在攤鋪機后方架設全站儀，攤鋪機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)測攤鋪機的平面坐標，然后傳到操控系統(tǒng)中，與激光發(fā)射器測得的高程數(shù)據(jù)融合，從而達到攤鋪的智能控制。這在理論上應該是可行的，主要需要處理數(shù)據(jù)傳輸，以及傳輸過程中時間銜接的問題。如果時間差能縮到足夠短，精度肯定能達到規(guī)范要求！這有待去實踐!2、受周圍環(huán)境制約。這主要是環(huán)境對GPS測坐標的影響，GPS的精度在一般狀況下能夠達到測量平面的坐標，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反射信號的物體形成多路徑效應，所測坐標有可能誤差太大，達不到道路施工規(guī)范規(guī)定的精度。針對目前這一難題，可以采用雙頻或三頻接收機接收更多衛(wèi)星信號來縮小誤差。當然，這一問題隨著測量方面技術的逐漸提升，影響的程度逐漸降低。3、系統(tǒng)可能在施工中