現代測量技術在瀝青高精度攤鋪智能控制中的應用

張飛，張杰勝

（中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

現代測量技術在瀝青高精度攤鋪智能控制中的應用

張飛，張杰勝

（中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

文章結合現代測量技術原理和高精度智能瀝青攤鋪系統(tǒng)的組成，介紹了一種高精度瀝青攤鋪智能控制方法，為瀝青路面攤鋪提供一定的借鑒作用。

瀝青；攤鋪；mmGPS；激光域

1 前 言

在我國已建成的高速公路中，絕大部分采用瀝青混凝土路面，瀝青路面施工的質量會直接影響到高速公路的綜合效益。如何改善路面的平整度、提高路面成型精度、保證瀝青路面高速行車的舒適度是高速公路施工技術研究的一項重要內容。

2 傳統(tǒng)瀝青攤鋪控制方式及缺陷

瀝青施工是通過攤鋪機來完成的，攤鋪機一般都配有自動找平裝置。傳統(tǒng)瀝青攤鋪的基準自動找平方式有3種：鋼絲線（導軌）找平基準、機械式平衡梁和非接觸式平衡梁（或傳感器）。

傳統(tǒng)攤鋪方法的主要缺陷表現在：

①準備工序繁多，需要進行中線、邊線、基準線的放樣和復測等，耗時耗力且效率低下，造成人員設備的窩工，綜合效益差；

②基準線的拉設受儀器誤差、鋼絲撓度、人工量取、機械振動等人為和機械因素的影響極大，導致施工成型精度低；

③由于各種因素的綜合作用，造成攤鋪成型的平整度差，出現各種波浪、路面積水，突出表現在施工的接縫位置；

④傳統(tǒng)施工方式在絕對高程控制上的缺陷，造成少鋪、多鋪、層厚不均等現象，施工浪費嚴重。

3 現代測量技術在瀝青攤鋪智能控制中的應用原理

現代測量技術的發(fā)展為高精度瀝青攤鋪智能控制奠定了基礎，高精度智能瀝青攤鋪系統(tǒng)是基于GPS測量技術、LaserZone激光技術、數字模型技術以及自動控制技術等基礎上進行研發(fā)的，是集機、電、光、液技術一體化的攤鋪智能控制技術。其主要工作原理如下。

3.1 GPS測量技術原理

根據安裝在攤鋪機上GPS信號接收機，采用GPS載波相位測量定位，同時為提高測量速度和精度，引入載波相位差分技術，即將基準站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算攤鋪機實時位置的平面坐標。

3.2 LaserZone激光技術原理

激光由于其方向性好、光源單純、穿透性強等特點被廣泛使用，本系統(tǒng)運用激光域（LaserZone）技術。LaserZone激光是由發(fā)射器發(fā)射出N型激光束，激光接收器則根據每接受3個激光信號的時間差，來計算接收器中心位置與激光發(fā)射器中心位置的高差，再根據激光發(fā)射器的實際高程來計算發(fā)射器所位于的高程值，其高程精度優(yōu)于±2mm。

簡要工作原理：將激光發(fā)射器架設在已知高程的點上，則可知道激光發(fā)射器的高程激光發(fā)射器會發(fā)射出“N型波”激光束，如圖1。

圖1 激光發(fā)射器發(fā)射“N型波”

激光接收器置于工作區(qū)域內時，可接收到發(fā)射的“N型波”激光束，如圖2所示。

圖2 激光接收器接收“N型波”

激光接收器可獲取“N型波”中不同位置的激光到達激光接收器的時間系統(tǒng)通過計算相鄰幾個位置的激光到達接收器的時間差，計算出激光發(fā)射器與接收器之間的高程差。

如：相鄰幾個位置的激光到達激光接收器的時間差相同，則激光發(fā)射器與激光接收器高程差為0。

系統(tǒng)將RTK獲得的厘米級精度的水平信息與激光組件獲得的高程信息進行組合，即可獲得當前點高精度的三維坐標。在熨平板的兩端安裝 GPS接收機和激光接受靶或結合傾斜傳感器，獲取熨平板的坡度信息，從而能夠精確獲取攤鋪機熨平板的空間位置信息。

3.3 數字建模技術

高精度瀝青攤鋪智能控制系統(tǒng)采用 TIN不規(guī)則三角網模型（圖3）數據，不規(guī)則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）是一個三維空間的分段線性模型，它是另外一種表示數字高程模型的方法。

圖3 TIN三角網模型

TIN模型根據區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網絡，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內。如果點不在頂點上，該點的高程值通常通過線性插值的方法得到。同時存儲每個點的高程、平面坐標、節(jié)點連接的拓撲關系，三角形及鄰接三角形等關系。

圖4 TIN三角網模型

高精度瀝青攤鋪智能控制系統(tǒng)首先將原始的地表數據或者設計圖紙轉化為三維數據，立TIN不規(guī)則三角網數據模型；然后通過安裝在攤鋪機上毫米GPS接收機和攤鋪區(qū)域內激光基站發(fā)射的激光，實時獲取攤鋪機的熨平板精確的三維坐標，將實測的三維坐標與建立的數據模型進行對比得出差值，再將差值的數字信號轉化成電信號驅動攤鋪機液壓系統(tǒng)，實時調整熨平板的空間位置，從而實現高精度瀝青攤鋪的智能控制，如下圖5所示。

圖5 高精度瀝青攤鋪智能控制原理圖

4 高精度智能瀝青攤鋪系統(tǒng)的組成

高精度智能瀝青攤鋪系統(tǒng)是在 GPS測量技術、激光技術、數字模型技術以及自動控制技術等的基礎上進行開發(fā)的，主要由硬件和軟件兩大部分組成。

4.1 硬件部分

硬件組成主要由基準站、激光發(fā)射器、GPS、車載控制器、傳感器等組成。主要設備安裝如圖6所示。

圖6 高精度智能瀝青攤鋪設備示意圖

4.2 軟件組成

高精度瀝青系統(tǒng)集成了軟件組成，主要包括三部分：信號集成及機械智能控制軟件、高精度瀝青攤鋪智能控制操作軟件、高精度瀝青攤鋪智能控制內業(yè)數據處理軟件。

信號集成及機械智能控制軟件又稱3D-MC，安裝在機載控制器GX-60中。軟件主要功能是處理機載GPS-RTK流動站和激光接收器接收的信號，并將其轉換成三維坐標；通過其強大的計算能力，計算攤鋪的實時差距，并將其轉化為電信號，驅動液壓，實現高精度瀝青的智能化攤鋪。

高精度瀝青攤鋪智能控制操作軟件又稱Pocket-3D，安裝在手持流動站的手簿中。軟件主要功能是控制手持流動站，通過處理流動站GPS接收機和激光接收器信號，實時獲取精準的三維坐標，用于校正和實時檢測。

高精度瀝青攤鋪智能控制內業(yè)數據處理軟件又稱3D-OFFICE，安裝在PC（電腦）中，軟件主要功能：根據施工設計參數或者電子數據，建立攤鋪區(qū)域的TIN數據模型，并將模型導入控制箱和手簿內，提供攤鋪面的設計基準。

5 高精度智能瀝青攤鋪施工工藝

高精度智能瀝青攤鋪的施工工藝主要在混合料攤鋪階段區(qū)別于常規(guī)工藝，主要有準備階段、起鋪階段、正常攤鋪階段和碾壓階段。

6 高精度瀝青攤鋪智能控制的質量控制

高精度瀝青攤鋪智能控制系統(tǒng)是通過測量技術和數字技術予以實現的，下面從兩個方面對其精度影響及質量控制進行闡述。

6.1 基站距離對攤鋪精度的影響及措施

基站距離對攤鋪精度的影響有3個方面：①GPS基站距離對智能攤鋪造成影響；②激光發(fā)射器基站對智能攤鋪造成影響；③激光發(fā)射器豎軸傾斜對智能攤鋪造成影響。

針對①，GPS-RTK通過載波相位測量、差分處理技術、整周未知數、快速求解技術以及移動數據通信技術的完美融合，是項成熟、可靠的技術，根據其標稱精度和大量的使用經驗，其精度完全滿足高精度智能瀝青攤鋪的需求。

針對②，在任何情況下，激光信號的強度都將受到物體反射和折射特性的影響，根據經驗和大量實驗證明：在激光測量中，影響激光信號衰減的主要原因是大氣中的氣溶膠的吸收和散射，而能見度和傳輸距離都與激光信號衰減量有關。為消弱該影響，必須控制激光基站的控制范圍，經過實驗控制范圍在300m內可忽略該影響。

針對③，激光發(fā)射器豎軸誤差是影響激光發(fā)射精度的重要指標之一。選擇一個直徑600m的平整場地，在圓心位置設置激光發(fā)射器，在場地中間做一個水準點，向8個方向（夾角45°）以20m步長遞增同心圓，設置如圖7所示的若干組檢測點（如DBi、Di、DNi、Ni、XNi、Xi、XBi、Bi）。

結果反映，當距離達到180m，檢測合格率從160m處的100%降至95.8%，出現超過限差的測量數據。所以現場布設激光發(fā)射器時，其有效的工作半徑不大于160m以保證激光高程測量滿足施工要求。

圖7 檢測dH影響的點位布置圖

6.2 延時效應對攤鋪的影響及措施

由攤鋪機工作原理稱為“風箏原理”，熨平板的調高或調低具有一定的延時性。針對對帶有恒定縱坡的平面和帶有線性變化橫坡的平面進行大量的試驗，總結出兩個改善措施：

①控制攤鋪機行走速度。從分析過程可以看出，只有攤鋪機行走速度一定時，影響才有規(guī)律可循，所以需要嚴格控制攤鋪速度。

②人為提前樁號。當攤鋪機行走速率恒定時，其延時效應的影響相當于將攤鋪面與設計面后移一定的的距離，這個距離受橫坡變化或者縱坡決定，可以通過建立試驗段得到，為此將攤鋪樁號人為提前，提前距離等于延時階段攤鋪面后移的距離。經過大量的試驗證實此方法是可行有效的。例如根據博世試車場攤鋪現場狀況，人為將樁號提前5.3m，經檢測結果與設計基本吻合。

7 案例簡介

本技術在博世夏季試車場VDA區(qū)瀝青攤鋪中成功應用，獲得了博世德國業(yè)主及國內管理公司的高度好評，為企業(yè)贏得了良好的口碑，提升了公司在高精度瀝青攤鋪領域的技術實力。

應用該技術，不僅能加快高精度瀝青施工進度，加快機械的周轉頻率，保證瀝青攤鋪質量，而且還能創(chuàng)造巨大的經濟效益。以博世試車場VDA區(qū)（約10萬m2）瀝青攤鋪為例，可為項目節(jié)省費用達125.36萬元。

［1］孟建，等.瀝青攤鋪機電液混合驅動智能冷卻系統(tǒng)設計［J］.農機化研究，2005（2）.

［2］吳茂林.攤鋪機行駛控制技術應用與發(fā)展［J］.工程機械與維修，2004（9）.

［3］GB/T08314-2001，全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范［S］.

U415.52+1

B

1007-7359（2016）02-0100-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.035

張飛（1980-），男，安徽蕭縣人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，高級工程師。