沙漠地帶場地平整機械的自動化施工研究
——GNSS-機械控制系統(tǒng)的應用分析

陳楊化 李煜然 陳傳琪 張鋒凌 吳春元 趙 輝

1. 中建三局第二建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074；

2. 上海電氣集團股份有限公司 上海 201199

光熱光伏發(fā)電作為一種新型的清潔能源，近年正在飛速發(fā)展。光熱電站選址大多位于沙漠等陽光充足的地帶，部分區(qū)域沙丘起伏、地勢復雜，場地平整（下稱“場平”）施工困難。阿聯(lián)酋迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目位于沙漠地帶，在場平施工過程中，大范圍運用了機械自動化控制系統(tǒng)[1-6]。本文以此為依托，進行GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）-機械控制系統(tǒng)的應用研究，為今后類似項目提供了解決思路，值得推廣借鑒。

1 工程概況

迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目地處沙漠腹地，場平總面積約44 km2，分為CT、PT1、PT2、PT3共4個區(qū)塊。整個場地除部分鹽堿地帶較為平緩外，其他區(qū)域均為高低起伏的沙丘，地勢多變，最大高差達40 m。

設計規(guī)范及圖紙要求場平完成后，地面坡度控制在1%以內，這種沙漠地帶大面積場平施工可以視為整個項目的重、難點之一。對此，本項目采用GNSS-機械控制系統(tǒng)對場平施工機械進行了改造，改造的機械包括平地機和推土機。

2 工作準備

首先，通過無人機掃描系統(tǒng)得到場地原始地形圖（精確度達到0～2 cm）。原始地形圖一是用作建立土方平衡圖并計算出場內高處需要挖出的土方量和低處需要填進的土方量；二是與Civil 3D軟件建立的設計施工圖模型一起導入GNSS-機械控制系統(tǒng)。

經過以上步驟，確定場平施工的基本部署和工作計劃。

3 工作原理及特點

GNSS-機械控制系統(tǒng)將地形圖和設計模型結合后，生成命令確定每個點的最終標高。施工時，現(xiàn)場標高不斷發(fā)生變化，安裝在機械工作部位的接收裝置不停地將現(xiàn)場實時工況反饋回來，經過系統(tǒng)終端處理后，又變成新的指令下達給各機械，如此反復，直至場平標高達到設計標高，此區(qū)域施工完成。

自動分析：GNSS-機械控制系統(tǒng)通過地形圖和設計模型的對比自動建立施工模型，得出現(xiàn)場每處位置需要進行填或挖的作業(yè)高差。根據(jù)施工過程中定位系統(tǒng)的反饋，實時更新施工模型。

自動測量：GNSS-機械控制系統(tǒng)可以自動測量定位機械位置以及鏟刀的標高、傾角。系統(tǒng)根據(jù)該機械位置在施工模型上的作業(yè)高差對其下達相應的指令；根據(jù)鏟刀標高更新施工模型；根據(jù)鏟刀傾角對控制系統(tǒng)進行微調。

自動控制：GNSS-機械控制系統(tǒng)可以根據(jù)指令自動控制液壓閥門，從而控制鏟刀的上下運動和旋轉運動，無需人工控制。

總而言之，GNSS-機械控制系統(tǒng)可以針對不同位置自動進行調節(jié)，而操作手只需要根據(jù)管理人員的安排，在指定的施工區(qū)域保證機械設備勻速前進，最終達到機械自動化施工的效果。

4 GNSS-機械控制系統(tǒng)的組成

GNSS-機械控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成，通過安裝管理軟件、控制終端、通信接收器、GNSS信號接收器得以實現(xiàn)。

使用GNSS-機械控制系統(tǒng)對場平機械進行實物改造，在鏟斗位置加裝定位系統(tǒng)；在駕駛室安裝控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)（圖1）。

圖1 GNSS-機械控制系統(tǒng)示意

4.1 控制系統(tǒng)——管理軟件MAGNET Project

管理軟件是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“大腦”（圖2）。首先使用無人機遙感測繪場地地形圖，管理軟件根據(jù)地形圖建立施工模型，并通過通信系統(tǒng)發(fā)送至現(xiàn)場施工機械的控制終端，機械將按照管理軟件的指令進行運作。若作業(yè)過程中有設計變更，則管理軟件修改施工模型，施工機械收到的作業(yè)指令同步更新。施工指令由“對人多次交底”改為“對機械一次交底”，信息傳遞更加快速、準確，施工效率提高。

圖2 管理軟件（MAGNET Project）

此外，現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)也會通過通信系統(tǒng)反饋回管理軟件（圖3），管理人員可以準確地知道現(xiàn)場實時工況，根據(jù)施工計劃，及時糾偏。

圖3 管理系統(tǒng)操作界面

4.2 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“眼睛”。分為2個單元，即慣性傳感器（IMU）和GNSS接收器（圖4）。

圖4 IMU和GNSS接收器

IMU彌補GNSS系統(tǒng)對信號強度依賴大的缺點，GNSS能降低IMU測量的累計誤差。定位系統(tǒng)將二者結合，能實時、準確地獲取機械的位置及鏟刀的標高、傾角和偏轉等詳細工況。作業(yè)過程中，定位系統(tǒng)測量頻率達到100 Hz（若機械以最高速度10.8 km/h運行，每米測量密度仍可達到33次），施工速度和精度提高顯著，且對于人工測量困難的沙漠地帶適應性高。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“四肢”，包括控制終端和液壓控制閥。

控制終端實時監(jiān)控每一臺機械的現(xiàn)場作業(yè)情況。每臺機械的實時位置、運行路線、坡度及速度，均可在屏幕中同步顯示（圖5）。值得注意的是，在圖5中，右側顯示機械鏟斗與設計標高的高差值，當刻度顯示為0時，說明此處施工已完成。

液壓控制閥接受控制終端的信息，按照指令控制油缸，完成鏟刀的自動升降和轉動，實現(xiàn)了施工的自動化，快速而準確地完成施工指令。

4.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是GNSS-機械控制系統(tǒng)的“嘴巴”，包括通信接收器和通信模塊（圖6），通過UHF（特高頻）、CDMA（碼分多路訪問）、GSM（全球移動通信系統(tǒng)）等多種通信手段，在各系統(tǒng)之間實時傳遞數(shù)據(jù)。

圖5 終端顯示界面

圖6 通信模塊

5 應用情況

迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏電站通過GNSS-機械改造系統(tǒng)的使用，場平施工節(jié)點穩(wěn)步推進，驗收通過率高，實現(xiàn)零返工。

現(xiàn)對推土機以GNSS系統(tǒng)改造前后的施工效益和成本進行對比分析。選定PT1中2個地塊，其原始地貌類型均為沙丘地帶，面積尺寸一致，網格長寬為250 m×150 m，面積37 500 m2，回填7層，每層平均15 cm。各分配3臺卡特D65推土機械，無GNSS-機械改造系統(tǒng)的推土機還需配備2名測量人員進行輔助作業(yè)。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 回填記錄

根據(jù)迪拜當?shù)貦C械租賃價格，卡特D65推土機的月租金為28 000迪拉姆（“迪拉姆”為阿聯(lián)酋通用貨幣單位，28 000迪拉姆約合人民幣51 002元），GNSS-機械控制系統(tǒng)的月租金為9 500迪拉姆（約合人民幣17 304元），當?shù)販y量人員每月薪資為3 000迪拉姆（約合人民幣5 464元）。

使用GNSS-機械改造系統(tǒng)改造后的單位成本1為：

其中，總成本＝（28 000＋9 500）×3＝112 500迪拉姆（約合人民幣204 918元），面積＝37 500 m2，耗時＝2.77×7=19.4 d。

未使用GNSS-機械改造系統(tǒng)改造的單位成本2為：

其中，成本＝28 000×3＋3 000×2＝90 000迪拉姆（約合人民幣163 935元），面積＝37 500 m2，耗時＝5.90×7=41.3 d。

成本對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 成本對比

由此可知，由于機械效率的大幅提高，單位成本可相對降低42%。

6 結語

本文以迪拜700 MW光熱＋250 MW光伏發(fā)電項目場平施工為例，介紹了一種沙漠地帶場平機械自動化施工的方法。使用GNSS-機械控制系統(tǒng)改造機械，可以很好地解決地貌復雜的沙漠地帶場平施工時，測量困難、機械效率低下的難題，其標高控制自動化的特點使施工機械效率與場平作業(yè)精度得到了提高。

此外，該改造機械夜間能正常施工的優(yōu)勢，同樣具有可觀的經濟價值，對今后類似項目的施工具有借鑒意義。本工藝也具有一定的局限性，如在原地貌較為平整的場平施工作業(yè)中，優(yōu)勢不明顯，不推薦使用。