论公路项目路基工程施工中智能挖掘机械的运用

王 瑛

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

20世纪90年代，美国最早出现数字化机械施工，随后该工艺在澳大利亚推广和普及，目前数字化机械施工在我国仍处于起步阶段[1-2]。某公路工程项目路基施工环节，应用3D挖掘机智能引导系统，取得了很好的工程效益，其工艺精度高、效率好、可推广性强。

1 数字化机械施工的技术原理

数字化机械施工是利用计算机技术，将二维图纸转变为三维动态图像，借助测量、数据处理、信息传输、远程操控、智能控制等技术将机械化施工模式转变为数字化监控操作模式，达到工程增效、提质的目的。该操作系统可在工程设计、施工、验收等诸多环节应用，彻底转变施工理念，提高施工质量[3-4]。

1.1 系统组成

3D挖掘机智能引导系统包括软件部分和硬件部分，软件部分为TC-Off ice软件，硬件部分包括挖斗传感器、车体倾斜传感器、小臂传感器、大臂传感器、显示器、MC102主机和2个GNSS卫星天线。基于GPS基准站，将软硬件部件安装后工作。

1.2 运行原理

数传电台发送GPS信号由GPS接收机接收，并获取基站差分信号明确三维方位，通过小臂传感器、大臂传感器进行数据传导，确定挖掘机铲斗具体坐标值，并由驾驶室控制箱获取详细信息。

系统经数字化三维基准模型分析铲斗位置信息，采用声音、数字、模拟信号等方式对应，实时引导铲斗完成精细化操作，详见图1所示。

图1 系统数据采集、分析及信号传输流程

1.3 模型构建

（1）挖掘机数字化三维基准模型构建：根据实际位置校准误差，精确计算铲斗位置并调整挖掘机姿态。

（2）实时监测挖掘机姿态：借助三维坐标模型进行工程坐标转化，对比铲斗位置信息，精准定位目标工作位置，自动调整工作状态。

2 系统安装

2.1 系统安装流程（见图2）

图2 系统安装流程

2.2 安装前准备

（1）仔细检查设备运行状态，确保设备在施工场地可以正常工作。由专业系统测试人员进行系统安装、测试，并准确记录测试信息，保证系统运行稳定[5]。

（2）测试内容及执行标准见表1。

表1 3D挖掘机智能引导系统安装前测试情况表

（3）由相关技术人员检查挖掘机各主要部件工作状态，测量机身、主要部件尺寸信息，制定安装方案。

2.3 主要构配件安装要点

（1）传感器底座焊接：将传感器底座准确焊接于挖掘机相应位置，再用螺栓将传感器固定于底座[6]。

（2）天线支架焊接：主、辅天线支架焊接位置表面平整度不低于1.5 mm，且布设间距不得少于1.5 m，焊接完毕后，将天线用螺栓固定于天线支架。

（3）核心部件走线：核心部件供电线路，经车底穿到电源仓内，确保线缆与电源连接牢固。

（4）显示器安装：显示器通过双U形卡支架安装固定，设置在驾驶室侧前方位置。

3 系统调试

3.1 系统调试标准流程

系统调试流程见图3。

图3 系统调试流程

3.2 车身尺寸调试

（1）闭合电源开关，运行系统，在系统主界面检查定位天线与基站连接情况，保证系统定位准确。

（2）根据提示，在主界面进行相应操作，完成“天线位置”“天线高”“大臂小臂长度”“狗骨头尺寸”等相关尺寸信息测量，并将测量数据填入对应位置，长度信息数据精确至0.001 m，角度精确至0.01°。

（3）尺寸及角度数据输入完毕后，将数据保存，并再次检查各尺寸、角度测量准确性。

3.3 新建铲斗尺寸调试

（1）设备初次调试完毕，应根据调试信息，准确设置铲斗相关参数。若更换设备，则应重新调试，并准确更新相关参数。

（2）精确测定铲斗各活动机构（GI、GJ、BJ、FG）间直线距离，并将数据准确输入至系统，精度精确至0.001 m。

3.4 传感器校正

（1）将挖掘机开至相对平坦平面，摆正车身，并将水准尺吸附于合适位置，旋转车身并检查水准尺气泡位置，使气泡始终处于居中位置。

（2）根据系统提示，准确输入传感器ID。

（3）进入传感器校准界面，校准车身、大小臂及狗骨头传感器转角数据，校准精度精确至0.1°。

3.5 传感器校正检核

完成角度测量并校正传感器数据。利用TC-Off ice软件计算FG值，明确铲斗内侧轴心点与实际测量FG值间有无偏差，判断挖掘机小臂外侧轴心点与实测FG值间关系，调整设备姿态以满足尺寸偏差标准。以＜5 mm为调整目标值，铲斗检核后，系统“坐标验证”界面下检核高程差[7]。

3.6 尺寸校正

按下列步骤进行尺寸校正：

（1）校正主天线、辅天线与大臂轴心距离。

（2）校正主天线、辅天线与大臂中轴线角度值。

（3）校正主天线、辅天线、大臂轴心、大臂中线等高程值。

3.7 尺寸校正检核

按如下步骤进行尺寸校正检核：

（1）调整挖掘机至伸展状态，并获取三组数据。

（2）调整挖掘机至收缩状态，并获取三组数据。调整挖掘机方向，分别获取伸展、收缩状态下三组数据，进行尺寸校正检核。

3.8 保存配置

系统调试完毕后，及时保存个调试配置参数，并做好调试参数的书面记录。

4 数字化施工

4.1 数字化施工流程

见图4。

图4 数字化施工流程

4.2 设计数据准备与导入

（1）利用智能3D土石方挖掘设备控制系统绘制公路施工图纸，明确平曲线、纵横断面等施工设计要点，通过TC-Off ice将平面设计图纸转换成三维设计图纸[8]。

（2）综合运用交点法、元素法更改公路施工设计数据。运用交点法时需输入公路起点坐标、公路交叉点坐标、公路终点坐标以及各交叉点曲线参数。运用元素法时需结合具体要求输入公路的点线元素及相关参数。

（3）导入施工设计数据：将确定好的施工设计数据通过U盘等移动存储设备复制到智能3D土石方挖掘设备控制系统中。

4.3 试验段施工

基于该公路工程施工现场情况，选择典型路段作为试验路段，开展智能化土石方开挖施工试验，试验路段长180 m。

（1）布设施工测量桩和水准测点，在公路左幅、中幅、右幅分别布设6个施工测试点，通全站仪测量测试点坐标数据，详细记录施工过程[9]。

（2）系统运行，基于事先确定的施工设计数据，控制挖掘设备进行土石方开挖作业，作业结束后，测量各个测试点坐标，与系统设定的坐标数据比对，验证坐标数据是否一致。

（3）如坐标数据一致，说明该系统可用于大范围土石方开挖施工。为进一步验证3D智能施工控制系统运行效能，可选取另一段试验路段进行二次施工测试，适当增设施工测试点，以全面验证系统的运行可靠性。

4.4 智能修坡

（1）高边坡修筑对精度要求高，以数字化机械施工优化方案，进行数据准备，路槽开挖前，利用系统进行智能修坡，结合实测数据确定坡度值[10]。

（2）作业前，挖斗铲尖处焊接挖斗钢板，以提升传感器精准度，并改善控制效果、增加工作面积。

（3）边坡修整阶段，分次导入坐标数据，分级放坡施工，规范工作面，提高工作精度。

4.5 检测验收

检测验收环节，数字化机械施工技术还处于探索阶段，国内尚未制定相关行业标准、操作规程及验收规范。施工完成后，可由第三方检测机构、监理单位联合验收，合格后方可进入下一道工序。

5 效益分析

该公路道路建设工程中率先应用3D挖掘机智能引导系统，经3个月的工程实践验证，该技术使施工效率提高了40%，施工调度及技术员减少3人/台，各工序均顺利完工，且一次性验收合格。

6 结论

目前人工成本逐渐增加，工程施工领域内数字化、智能化、信息化、机械化成为发展趋势。该文提出的技术方案，为智能化工程项目建设提供了参考。实践中发现，依托3D挖掘机智能引导系统的项目施工效率显著提升，但系统调试、运营、数据处置等环节对专业技术人员要求高，系统故障需等待厂家技术人员修整。如果项目周期短、施工精度要求不高、工程量不大的路基开挖施工，不建议采用该技术。