基于北斗技术的填方路基数字化施工技术

张 龙 王同德 祁朋志 张军灵 梅 敏

（1.中交路桥建设有限公司，北京 100000；2.交通运输部卫星技术交通运输行业研发中心，北京 101399；3.中国交通信息科技集团有限公司，北京 100000；4.中交星宇科技有限公司，北京 100000）

随着数字化技术的进步与发展，传统施工模式由于其自身的局限性受到了较大挑战，数字化机械施工逐渐成为未来施工发展的主要方向[1]。数字化施工是指依托建立数字化地位基础平台、地理信息系统、工地现场数据采集系统、工地现场机械控制系统等基础平台，整合工地信息资源，突破时间、空间的局限，建立一个在现实中无法建立的开放信息环境[2-3]。数字化施工是提高工作效率、提升工地管理水平、优化施工方案的较佳选择，同时也是提高施工进程透明度、实现实时和有效监督的重要工具。在填方路基施工中，数字化施工与传统施工模式相比，前者以更高效的方式帮助决策者了解现场以及工程进度，合理安排不同区域的施工步伐，可以有效地降低施工成本，提升经济效益[4-5]。数字化施工对提高工地现代化水平、信息化水平、管理水平具有重要意义[6]。数字化施工不局限于网络上的信息交换，其最终目的是利用现有技术手段对工地资源、自然资源等信息进行有效收集、管理与共享，提高施工工地运作效率[7]。因此，对填方路基数字化施工进行研究非常必要。

1 填方路基数字化施工工艺的关键技术

数字化施工指利用数字化技术对工程建造进行帮助指导，方式是通过人与信息终端之间的互动[8]。主要体现在分析、表达、模拟、计算、控制、监测以及信息流构建，本质为利用数字化技术，对建造过程和工程组织形式进行变革，实现工程建造过程和工程产品的发展。在填方路基施工中，数字化施工是指利用数字化技术建立基础平台，包括施工地理信息收集、施工现场数据采集、施工现场机械设备控制系统等，整合采集的信息资源，建立相对开放的信息环境，为施工现场提供增值服务的施工模式。因此，路基数字化施工就是为路基施工现场与路基施工设备（如挖掘机、摊平机、压路机、推土机等）之间建立数字化信息平台，为施工过程提供服务[9-10]。

本研究中，数字化施工的主要研究内容为数字化智能刷坡系统、数字化智能压实系统、数字化智能精平系统。

1.1 数字化智能刷坡系统

数字化智能刷坡系统的工作原理是利用北斗高精度定位技术和惯导倾斜传感技术，实时计算出挖掘机铲斗斗尖三维坐标，通过全自主研发的挖掘机模型算法和车载平板电脑中的三维设计图纸，对推土机进行引导挖掘，其挖填精度可达±3 cm。

针对不同型号的推土机，数字化智能刷坡系统能够提供专业的终端数据采集系统，实时显示铲尖处的填挖量，无须测量辅助和打桩放线。

系统可以实时显示铲尖的三维坐标，并实时将机械位置、铲尖坐标等原始信息通过TCP协议上传至服务器，实现了智能化的施工引导、施工检核以及数据回传。与传统施工方式相比，数字化智能刷坡系统减少了打桩放样次数、检核频率、施工人员数量以及返工次数，实现了土方工程施工质量和效率的提升。数字化智能刷坡系统如图1所示。

图1 数字化智能刷坡系统

1.2 数字化智能压实系统

数字化智能压实系统的工作原理是利用北斗卫星高精度定位技术、无线通信技术、高精度传感器技术以及大数据分析处理技术，对压实过程进行实时连续可视化引导与管理，为施工人员提供及时精确的压实质量信息，实现对压实质量的过程控制和综合管理。数字化智能压实系统如图2所示。

图2 数字化智能压实系统

通过在路基工程施工现场安装高精度的定位设备以及建立施工现场的CORS网络，对压实机械的行走轨迹进行测量，基于模块化设计的数字化智能压实系统支持所型号压路机，可对压实路基的每层厚度进行记录，获得每个段落桩号路基材料的压实次数，针对施工中存在的薄弱环节及时予以反馈。

数字化智能压实系统支持北斗、Glonass、GPS等卫星系统，可实现压实厘米级定位精度，通过现场组网实现机群设备间的数据通信，能够显示碾压遍数、碾压轨迹、碾压速度、高程等路机的位置及作业信息，实现多机械协同作业。与传统压实施工相比，数字化智能压实系统能够实时监测压实数据参数，引导压实作业，保证路面压实质量均匀性，有效减少返工次数，提高了施工效率。数字化智能压实系统提高了机械利用率，降低油耗，实现了节能降耗与绿色施工。

1.3 数字化智能精平系统

数字化智能精平系统的工作原理是利用北斗卫星高精度定位技术、惯导倾斜传感技术及液压控制技术，结合全自主研发的GR-Tech平地机模型算法，可以实时计算出平地机铲刀的三维坐标，并根据车载平板电脑中的三维设计图纸实时控制铲刀姿态，调整铲刀标高。

数字化智能精平系统如图3所示。利用数字化智能精平系统整平后的路基，实现了土方工程施工质量和效率的精准控制。此外，数字化智能精平系统可根据主控箱的信号通过液压电磁阀实时控制铲刀姿态，实时显示铲尖处的填挖量，实现了智能化施工引导以及智能化施工检核。

图3 数字化智能精平系统

与传统精平施工相比，数字化智能精平系统具有更高的平整精度和路基精度，且不需要测量人员提前测量、打桩，也无须测量人员在施工过程中进行检测和补桩，大幅度提升了精平施工的施工效率以及工程质量。

2 经济效益分析

为了定量分析数字化施工在成本方面的优势，分别对数字化智能刷坡系统、数字化智能压实系统以及数字化智能精平系统与传统施工的成本进行估算对比。结果显示数字化施工可以有效地节约施工成本，在提高施工效率和检测效率的同时，大幅减少施工人员的工作量以及返工现象，在保证土方施工质量的前提下，获得了更高的经济效益。

数字化施工与传统施工成本对比如表1所示。

表1 数字化施工与传统施工成本对比

3 结语

通过对填方路基数字化施工关键技术的工艺研究以及经济效益分析，表明基于北斗技术的填方路基数字化施工技术相比于传统施工技术，能够有效地提升工程质量与施工效率，有效降低施工成本。数字化施工技术必然会成为未来填方路基施工的发展方向。