平地机数字化自动控制系统在路基施工中的应用

周春风， 王 彤

（江苏东交智控科技集团股份有限公司， 江苏 南京 210000）

引言

近年来随着国家对基础建设的持续投入，我国的工程机械也有了突飞猛进的发展，从2010 年开始，我国的科研院所相继开展机械自动控制系统研究。中国农业大学在2012 年推出了基于GNSS 的农田土地坡面平整系统，有效改善了农田的整型工作[1]。平地机作为路基土方工程施工主要的整平机械，也亟需这种自动化控制技术，提高施工质量。

1 平地机数字化自动控制系统原理

1.1 技术原理

平地机在工作过程中，通过GNSS 技术实时采集铲刀的空间三维坐标，并与设计文件进行比较，如果发现偏差，系统会通过阀控制模块对机械铲刀进行自动的调整。从而保证平地机行驶至工作场地的任何位置，自动判断当前所处的位置高程是否符合工程设计要求，并产生铲刀调整方案，从而确保了路基的线形能够按照设计的要求进行精确的修整，实现坡度、厚度、平整度的控制，确保施工质量的一致性。

1.2 系统组成

平地机数字化自动控制系统系统主要由坡度传感器、GNSS 接收机、3D 控制箱、数字电台等主要设备组成。设备参数见表1。

2 工程应用

2.1 工程简介

420 省道金湖段依次穿越前锋镇、吕良镇、金北镇和陈桥镇，全线均为新建。试验段落具体为K6+300 到K7+500，压实区域为96 区，试验段无构造物施工，路基连续性，且包含超高段，可体现数字化施工的在复杂线型下的精度。

表1 平地机数字化自动控制系统系统设备清单

2.2 系统安装调试

对施工现场的平地机进行改造，实现数字化自动控制，使平地机铲刀具有自动找平的功能。平地机的改造过程为：系统室内通电连接测试→支座焊接及安装→车载系统线缆布设及连接→液压系统改造→GNSS 接收机、电台、车载计算机等主要部件安装→状态诊断连接、及调试校准→三维建模及GNSS基站建设→安装精度及现场测试。

2.3 精度验证

2.3.1 安装精度测试方法

1）将平地机铲刀在固定高程设置成为自动模式，保证左右两边高程一致，如果高程为100.12 m。分别在左右铲刀底做上标记，并分别用卷尺量出底板参考点到铲刀尖的高差，左侧为0.053 m，右侧为0.039 m。

2）分别记录左右侧数据显示（铲刀尖）。

3）移开铲刀，分别记录GNSS 在木板上参考点的三维坐标信息。

4）采用木板参考点实际高程对比法，确定安装误差在5 cm 以内及可接受。

5）左侧验证：机器测量底板参考点实际高程为100.12-0.053= 100.067 m；GNSS 流动站测量底板参考点高程为100.086 m，则左侧机器实际测量误差为100.086-100.067=0.019 m＜5 cm。具体验证过程如图1-1 所示。

6）右侧验证：机器测量底板参考点实际高程为100.12-0.039= 100.081m；GNSS 流动站测量底板参考点高程为100.123 m，则右侧机器实际测量误差为100.123-100.081=0.042 m＜5 cm。具体验证过程如图1-2 所示。

图1 验证过程

2.3.2 现场精度测试

通过对平地机系统高程偏移量设置，测量人员采用GNSS 流动站进行现场高程检查，土方作业误差在±2 cm 以内，满足施工要求。现场精度测试如图2 所示。

2.4 施工效果验证

在试验段落K6+300—K7+500 范围内，左幅采用传统的整平工艺，右幅采用数字化自动控制施工工艺。对比两种不同施工方式下的施工效果，如图3所示。

图2 现场精度测试

图3 任意横断面数据对比

由图3 可知，数字化自动控制系统的平地机的安装，不仅实现了精平，而且实现了厚度、坡度和平整度的精准控制，保证了质量的一致性。

3 结论

平地机数字化自动控制技术可以提高施工的自动化、标准化、数字化水平，提高工作效率、避免返工。精确控制厚度、平整度，保证施工质量的均匀性，真正实现施工的智能化控制，具有较广阔的推广应用前景。