路面3D智能摊铺原理及可行性的探讨.doc

路面3D智能摊铺可行性的探讨
传统的路面摊铺工作已为我们所熟悉，整个摊铺过程工作比较多，对机械及人员的配合，天气等各方面要求都比较高，施工企业的投入也相对比较大，针对这一情况，施工企业以及一些相关研究单位也一直在不停地寻找一种更为省时，省力，省钱的施工方法！下面主要介绍一种目前最新的摊铺施工技术—3D智能摊铺。
一、3D智能摊铺机构造及各自作用。
总体来讲，机械主要由四部分构成，摊铺机、GPS，激光系统，控制系统。单纯从摊铺机本身来说，在这个系统中，摊铺机并没有改进，与现在走钢丝型的摊铺机一样。GPS作为目前一种高效率的测量工具，在施工行业中，它正逐渐被广泛地采用。在这个摊铺系统中，它的功能就是测平面坐标（不包括高程）。激光系统，由于GPS的高程精度达不到路面施工规范的要求，所以采用了激光系统测量高程。控制系统，它主要是接受以及处理数据，根据与设计数据对比从而来操控摊铺机，达到摊铺的规范要求。
二、GPS系统
其实，平时我们将所有通过接收卫星信号而得到三位坐标的仪器叫GPS并不准确，因为目前至少存在三种卫星，包括我们国家的北斗卫星，俄罗斯的GNSS，以及美国的GPS，在工作中我们习惯了将三者都称作GPS!下面介绍下。

（GPS定位原理图）
在用3D智能摊铺机摊铺过程中，基准站应架在一个固定的位置不动。这个位置要求地势比较高，这样一方面方便接收天上的卫星信号，另一方面方便发射的信号传播出去。流动站安装在智能摊铺机的固定位置处。GPS能得到高精度的平面坐标，主要是通过观测接收来自天上的卫星信号（载有距离、时间以及卫星本身的点位信息等）。观测的卫星数有要求，流动站和基准站必须同时观测到4颗以上的公共卫星。
GPS（更确切来说是RTK）是一种能够在野外实时、动态地得到厘米级平面定位精度的测量方法，它的出现极大地提高了野外作业效率与准确性。GPS平面定位精度能达到厘米级，这完全可以达到高速路规范对道路平面定位精度的要求。当然，它也有它自己的缺点，其中影响最大的是它可能被空间遮挡物隔断信号，导致信号失索，从而无法准确的测得待求点坐。这一缺点直接决定了它不能在隧道内使用。如果是山区遮挡物比较多，通常情况下单星接收机一般不能使用，双星和三星的接收机（单星接收机：指的是只接受一种卫星信号的接收机，现在在我们国家如果提到单星接收机，一般都指只接收美国GPS卫星信号的接收机。双星接收机：指能接收两种卫星信号的接收机，目前我们说的双星接收机，一般指能接收我们自己国家的北斗卫星信号和俄罗斯的GNSS，或者北斗卫星信号与美国的GPS卫星信号。三星接收机：指能够同时接收北斗、GNSS、GPS三种卫星信号的接收机）的影响不是太大。要是在山区使用智能摊铺机，需要提前到施工现场做下不勘察，看山区的遮挡对GPS的影响程度，如果影响比较大，我们可以使用较为先进卫星接收机，尝试下能否消除这一因素。当然，费用方面也会相应的增加。如果遮挡过于严重，或者周围存在严重影响卫星信号的因素（比如大面积水域，大量高压杆线），那只能采取其它措施进行摊铺作业。这只是根据现在的技术水平来判断，日后也许通过一定的技术水平能克服这一缺点。对于高程，GPS技术是间接地测定点的正高或正常高。GPS水准包括两方面内容：（1）采用GPS方法确定大地高，（2）采用其他技术方法确定高程异常值。从而确定正高或正常高。高程异常值比较难以确定，它随地形以及所处地理位置等因素的差别而有所差异，可以说高程异常随所处位置不同而不同根据测绘部门所给的某点高程，只能推出该点处的高程异常值。当地势变化很大时，控制点之外的点的实际测得高程异常值与测绘部门所给的将会有所不同！这种状况在地势较陡峭的山区会有较显著地体现。所以，GPS所测高程一般达不到路面规范要求的高程精度（-1cm~+1.5cm）。下面针对高程异常值这个概念做个简单的介绍。

由GPS所测得的高程是测站相对于WGS-84椭球面的大地高即图中靠左侧的Hg，而我国所采用的高程系统是相对于似大地水准面的正常高系统即图中靠右侧的H。地面点大地高，正常高，如图1所示，存在以下关系：

　　 H=Hg-△ξ （1）
　　式中，H为正常高，Hg 为GPS测得的大地高，△ξ即为高程异常。
从上式可知：Hg可以由GPS相位测量精确测定，如何求得正常高，关键在求解各点的高程异常△ξ。
三、激光系统
由于GPS所测高程达不到规范规定的精度要求，所以必须采取其它的智能控制高程的办法。目前市场上存在的激光系统算是最新的一种高程测量手段。
激光系统主要有三部分组成，激光发射器，激光接收机，激光控控制器。
摊铺板底部高程=已知点高程+发射器仪器高HI－接收机仪器高HR
（图为目前市场上以研发出的激光测高程产品）
1、 激光发射器。用于发射激光，形成激光平面。激光发射器一般都具有自动安平功能，若在工作中受振动或碰撞发生偏离，会自动停止发射，报警并重新自动安平。在道路施工中，激光发射器一般安装在道路的一侧。
2、 激光接收器。用于接收激光信号，显示信号，并将信号传输给控制器。激光接收器一般安装在平地机具上，通过电缆与控制器连接，接收器接收信号的精度可以调节，如LS-B2激光接收器的精度控制范围为±3mm～±5mm。 
3、 激光控制器。用于处理激光接收器传输来的信号，控制液压工作站工作，从而调整摊铺的厚度、横坡。
其实激光系统的原理并不是多么复杂，与水准仪的原理差不多，它通过发射激光来提供个高程基准面，接收机根据这个基准面推算出待求点的高程，从而达到控制高程的作用。它的高程精度能达到1cm以内，能够满足路面规范对高程精度的要求。然而，它也存在它的缺点，比如，如果多台摊铺机同时摊铺，有可能互相遮挡激光，从而影响高程的连续测量，如果高程测量中断，将直接导致摊铺作业的停止或者摊铺厚度的失控。这个问题可以通过提前规划好摊铺机的排序以及间距，行驶速度等因素来避免，这无形中也算增加了一定的施工难度。不过这种方法应该可以改进，比如说可以抬高激光发射器的高度来避免遮挡。
四、控制系统
摊铺机、GPS、激光控制系统都是市场上已经存在的，然而如何将三者柔和到一起，从而形成一种“全新”的机械—3D智能摊铺机，全要靠一个至关重要的控制系统。如果整个3D智能摊铺比作一个会行走的人的话，那么这个控制系统就是这个人的大脑，管控着整个摊铺成与败。系统的工作可以分成三步，第一步，接收GPS传来的平面数据信号，以及有激光发射器传来激光所得到的高程数据信号；第二步，根据平面数据反推出摊铺机所处位置的设计桩号以及高程，从而与实测高程比较；第三步，根据比较的结果控制液压系统来调整摊铺机的摊铺厚度，以及横坡和平整度。这个系统是经过数字编程得到的，它的系统稳定性需要经过严格的测试。理论上它是可行的，但是想要实现它，有一点的难度，系统需要接收不同种信号，而且还需要对信号进行快速的处理，达到实时准确地处理，进一步控制摊铺机的液压系统，实时调整摊铺厚度、横坡、平整度等。不过，既然市场上已经存在这种机器，那一定已经攻克了在相关方面的难题。有待现场实地观摩与学习！
五、施工中注意要点
1、施工前准备工作
（1）已知水准点的精度要高，最好是二等水准高程；
（2）开始作业前，检查系统各部件是否正常；
（3）用流动站核查摊铺数据是否无误；
（4）设备激光发射器运输保护（随人携带，避免颠簸）；
（5）做好其他设备的检查工作 ；
（6）做好备选方案，如中途意外停止，及时切换到传统滑靴等方式施工；
2、施工中注意事项
（1）控制摊铺机的速度；
（2）用外加条件不间断的检查摊铺的准确性，比如用水准仪和全站仪配合检查已铺路面的准确性，如有偏差，因快速查明原因，如短时间查不到，及时采用传统的摊铺方法，将损失降到最低；
（3）注意各机械的配合；
（4）如中途意外停止，及时采用备选方案；
（5）注意施工的连续性；
3、施工结束
在施工结束后，注意仪器的保存，激光发射器避免碰撞与颠簸，GPS一定做到防水防震。
六、与传统方法对比的优点
1、施工平整度对比。
3D控制系统：通过对绝对高程的准确控制，结合摊铺机的找平原理，平整度精度＜2mm/4米。
传统滑靴法：以控制厚度为主要目标，无法自身控制平整度，总体精度取决于参考线误差及系统工作方式误差。
传统的平衡梁法：以保证平顺性为主要目标，平整度精度取决于参考面和系统工作方式误差
2、施工平顺性对比
3D控制系统：摊铺机可以严格按照设计表面进行摊铺，理论上实际摊铺面可以精确完美符合设计面数据，从而保证高精度的平顺性指标。
传统滑靴法：平顺性取决于参考线或面的精度和工作方式误差，无法保证平顺性。
传统的平衡梁法：可一定范围内保证平顺性，但效果取决于参考面，且无法达到接近设计面的效果。
3、误差分析
3D控制系统：（1）、系统固定误差：＜2mm（2）、水准控制点误差：＜1mm（3）、摊铺机系统稳定性误差。
传统滑靴法：（1）、水准点误差：＜1mm（2）、钢线误差：2mm（3）、钢线挠度误差：2-4mm（4）、滑靴系统误差：2-5mm
（5）、现场不可预估误差：比如钢线移动、桩位沉降内业计算错误或 误差等（6）、摊铺机系统稳定性误差。
传统的平衡梁法：（1）、参考面精度：无法保证（2）、系统误差：2-5mm（3）、摊铺机系统稳定性误差（4）、以平顺性为主要目标。
由于系统的主要目标不同，误差无直接可比性，例如：3D系统为精确控制，而滑靴主要控制厚度，平衡梁主要控制平顺性，且两者的厚度与平顺性精度与3D系统相比还是有很大差距，传统方式无法同时控制厚度及平顺性，绝对高程更无从谈起。
4、人员效率及工作强度
3D控制系统：（1）、人员需求：3人（主要分工：激光换站、实时激光检测、摊铺机系统控制）（2）、工作强度：无内业数据处理及准备、无现场测量、放样打桩、挂线、水准检测，完全实现无桩化施工。
传统滑靴法：（1）、人员需求：8-10人。滑靴控制2人，全站仪里程放样2人，水准测量及检测2人，打桩、挂线2人，现场指挥等2人。（2）、工作强度：内业数据准备（数据复杂性可能带来错误）现场实时放样、水准检测、数据记录、数据分。
传统的平衡梁法：（1）、人员需求：6-8人。平衡梁控制2人，全站仪里程放样2人，水准测量及检测2人，现场指挥等2人。（2）、工作强度：内业数据准备（数据复杂性可能带来错误）现场实时放样、水准检测、数据记录、数据分析计算等。
在人员效率及工作强度上，二者差别巨大，同时参与人员越多，现场越复杂，带来的错误及误差也越多。
5、经济效益分析。
3D控制系统：（1）、人员节省：摊铺工作可以减少5人（2）、材料节省：精确控制每层厚度，减少沥青料用量（实际节省量会超出我们的想象）（3）、油料节省：利用滑靴方式料车需要来回倒车，整个工期数量可观（4）、工期缩短：无测量工作带来的工期耽误，摊铺工期成本可减至最少。
主要体现在四个方面
（1）、人员节省
（2）、材料节省
（3）、油料节省
（4）、工期缩短
3D控制系统的引入，完全改变了传统的摊铺工作方式，在精度控制、效率提高、效益提高方面比传统施工方式有着不同程度的提高，是将来摊铺机控制系统的主要技术发展方向，真正实现由传统施工方式向现代数字化施工方式的转变；随着现代化施工的要求逐渐走向精细化、数字化，挖掘机、推土机、平地机、压实监控等方面的控制系统会越来越多地使用在施工工地！
当然，上面只列出了它与传统方法相比的优点，没有提及它的缺点，下面主要探讨下缺点以及可能存在的问题。
七、与传统方法相比的缺点及可能存在的一些问题
1、不能在隧道内使用。
这主要是因为GPS在隧道内无法接收到卫星信号所导致的。然而激光探测器在隧道内可以正常工作，不受任何影响。目前的隧道路面摊铺工作还没有新的方法，采用的是传统的平衡梁法或者滑靴法。由于高程这个至关重要的因素不受影响，只要能定位就可以解决不能在隧道内使用的这个问题。针对这一状况，可以采用目前较为先进的惯性导航技术。惯性导航系统属于一种推算导航方式。即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置。因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。下面谈谈惯性导航的优缺点
优点
(1)由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；
(2)可全天候全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；
(3)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；
(4)数据更新率高、短期精度和稳定性好。
缺点
(1)由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；
(2)每次使用之前需要较长的初始对准时间；
它的缺点决定了它使用范围，惯导系统在隧道内可以使用，但它不适用于长隧道！
在隧道内施工，理论上还存在另一种方法，全站仪和激光系统配套使用。通常情况下，单幅隧道不会太宽，摊铺机最多走两趟就可以摊铺完成，所以摊铺机在隧道内走两趟，每一趟都沿着中线行走。施工顺序可以这样，首先，将隧道中线放出来，并且准确的而又稠密的将桩号标出。轨道摊铺机在人为的操作下，严格的沿着中线匀速行走，在摊铺机后方架设全站仪，摊铺机所处中桩位置安置棱镜，全站仪在后方用免棱镜的方法连续测摊铺机的平面坐标，然后传到操控系统中，与激光发射器测得的高程数据融合，从而达到摊铺的智能控制。这在理论上应该是可行的，主要需要处理数据传输，以及传输过程中时间衔接的问题。如果时间差能缩到足够短，精度肯定能达到规范要求！这有待去实践！
2、受周围环境制约。
这主要是环境对GPS测坐标的影响，GPS的精度在一般状况下能够达到测量平面的坐标，但是，如果周围有太多的遮挡物，或者周围存在大面积水域或其他会反射信号的物体形成多路径效应，所测坐标有可能误差太大，达不到道路施工规范规定的精度。针对目前这一难题，可以采用双频或三频接收机接收更多卫星信号来缩小误差。当然，这一问题随着测量方面技术的逐渐提升，影响的程度逐渐降低。
3、系统可能在施工中出现意外中断
由于整个系统涉及到激光系统，GPS数据处理，以及对摊铺机操控系统，控制流程比较长，出现故障的概率也会增大。如果在大型路面的沥青施工中出现故障，那损失将会很大，必须做好预防准备措施。当然作为传统的平衡梁法与滑靴法也不能保证一点问题都不出！针对故障这个问题，可以通过一步步完善系统来降低故障的发生概率。
4、对工作人员的技术要求提高
对于传统的摊铺技术而言，摊铺机的驾驶员只需要会开摊铺机，会调控摊铺机的摊铺厚度即可，但是，如果是3D摊铺机的话，不仅要会开摊铺机还要懂得如何调节操控系统，对整个智能摊铺系统有一定的了解。作为现场指挥的施工技术员，他们需要懂得更多方面的技术，之前也许他们只需要对如何施工以及施工中的管理有足够了解就可以做一个合格的技术员，但是如果用3D摊铺技术的话，他们不仅要有之前的施工技术，还要对测量方面的知识有足够的掌握，而且对新技术要深入的了解，这样才能将3D摊铺技术有序的进行。对于企业来说，机器费用会相应增加，对员工的要求也会提高，但是，企业也会因新技术而得到很多实惠，比如，施工人员可以减少，全部人员的工资就会减少；材料可以节约；施工时间上有更多的选择（GPS能够一天24小时工作，不受光线的制约）等等。对于一个发展中的企业来说，这无形中是一大促进，更大程度的降低了成本，提高了施工的效率，同时还给施工团队提供了更好的技术支持，提高了其市场竞争力。企业竞争力提高，盈利提升，员工个体同时受益，从大方面来看，对行业，对社会也算是一种贡献，值得去探究下！

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