平地機數字化自動控制系統在路基施工中的應用

周春風， 王 彤

（江蘇東交智控科技集團股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

引言

近年來隨著國家對基礎建設的持續投入，我國的工程機械也有了突飛猛進的發展，從2010 年開始，我國的科研院所相繼開展機械自動控制系統研究。中國農業大學在2012 年推出了基于GNSS 的農田土地坡面平整系統，有效改善了農田的整型工作[1]。平地機作為路基土方工程施工主要的整平機械，也亟需這種自動化控制技術，提高施工質量。

1 平地機數字化自動控制系統原理

1.1 技術原理

平地機在工作過程中，通過GNSS 技術實時采集鏟刀的空間三維坐標，并與設計文件進行比較，如果發現偏差，系統會通過閥控制模塊對機械鏟刀進行自動的調整。從而保證平地機行駛至工作場地的任何位置，自動判斷當前所處的位置高程是否符合工程設計要求，并產生鏟刀調整方案，從而確保了路基的線形能夠按照設計的要求進行精確的修整，實現坡度、厚度、平整度的控制，確保施工質量的一致性。

1.2 系統組成

平地機數字化自動控制系統系統主要由坡度傳感器、GNSS 接收機、3D 控制箱、數字電臺等主要設備組成。設備參數見表1。

2 工程應用

2.1 工程簡介

420 省道金湖段依次穿越前鋒鎮、呂良鎮、金北鎮和陳橋鎮，全線均為新建。試驗段落具體為K6+300 到K7+500，壓實區域為96 區，試驗段無構造物施工，路基連續性，且包含超高段，可體現數字化施工的在復雜線型下的精度。

表1 平地機數字化自動控制系統系統設備清單

2.2 系統安裝調試

對施工現場的平地機進行改造，實現數字化自動控制，使平地機鏟刀具有自動找平的功能。平地機的改造過程為：系統室內通電連接測試→支座焊接及安裝→車載系統線纜布設及連接→液壓系統改造→GNSS 接收機、電臺、車載計算機等主要部件安裝→狀態診斷連接、及調試校準→三維建模及GNSS基站建設→安裝精度及現場測試。

2.3 精度驗證

2.3.1 安裝精度測試方法

1）將平地機鏟刀在固定高程設置成為自動模式，保證左右兩邊高程一致，如果高程為100.12 m。分別在左右鏟刀底做上標記，并分別用卷尺量出底板參考點到鏟刀尖的高差，左側為0.053 m，右側為0.039 m。

2）分別記錄左右側數據顯示（鏟刀尖）。

3）移開鏟刀，分別記錄GNSS 在木板上參考點的三維坐標信息。

4）采用木板參考點實際高程對比法，確定安裝誤差在5 cm 以內及可接受。

5）左側驗證：機器測量底板參考點實際高程為100.12-0.053= 100.067 m；GNSS 流動站測量底板參考點高程為100.086 m，則左側機器實際測量誤差為100.086-100.067=0.019 m＜5 cm。具體驗證過程如圖1-1 所示。

6）右側驗證：機器測量底板參考點實際高程為100.12-0.039= 100.081m；GNSS 流動站測量底板參考點高程為100.123 m，則右側機器實際測量誤差為100.123-100.081=0.042 m＜5 cm。具體驗證過程如圖1-2 所示。

圖1 驗證過程

2.3.2 現場精度測試

通過對平地機系統高程偏移量設置，測量人員采用GNSS 流動站進行現場高程檢查，土方作業誤差在±2 cm 以內，滿足施工要求。現場精度測試如圖2 所示。

2.4 施工效果驗證

在試驗段落K6+300—K7+500 范圍內，左幅采用傳統的整平工藝，右幅采用數字化自動控制施工工藝。對比兩種不同施工方式下的施工效果，如圖3所示。

圖2 現場精度測試

圖3 任意橫斷面數據對比

由圖3 可知，數字化自動控制系統的平地機的安裝，不僅實現了精平，而且實現了厚度、坡度和平整度的精準控制，保證了質量的一致性。

3 結論

平地機數字化自動控制技術可以提高施工的自動化、標準化、數字化水平，提高工作效率、避免返工。精確控制厚度、平整度，保證施工質量的均勻性，真正實現施工的智能化控制，具有較廣闊的推廣應用前景。