張 龍 王同德 祁朋志 張軍靈 梅 敏

（1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100000；2.交通運(yùn)輸部衛(wèi)星技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 101399；3.中國(guó)交通信息科技集團(tuán)有限公司，北京 100000；4.中交星宇科技有限公司，北京 100000）

隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)施工模式由于其自身的局限性受到了較大挑戰(zhàn)，數(shù)字化機(jī)械施工逐漸成為未來(lái)施工發(fā)展的主要方向[1]。數(shù)字化施工是指依托建立數(shù)字化地位基礎(chǔ)平臺(tái)、地理信息系統(tǒng)、工地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工地現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)平臺(tái)，整合工地信息資源，突破時(shí)間、空間的局限，建立一個(gè)在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法建立的開(kāi)放信息環(huán)境[2-3]。數(shù)字化施工是提高工作效率、提升工地管理水平、優(yōu)化施工方案的較佳選擇，同時(shí)也是提高施工進(jìn)程透明度、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和有效監(jiān)督的重要工具。在填方路基施工中，數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工模式相比，前者以更高效的方式幫助決策者了解現(xiàn)場(chǎng)以及工程進(jìn)度，合理安排不同區(qū)域的施工步伐，可以有效地降低施工成本，提升經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。數(shù)字化施工對(duì)提高工地現(xiàn)代化水平、信息化水平、管理水平具有重要意義[6]。數(shù)字化施工不局限于網(wǎng)絡(luò)上的信息交換，其最終目的是利用現(xiàn)有技術(shù)手段對(duì)工地資源、自然資源等信息進(jìn)行有效收集、管理與共享，提高施工工地運(yùn)作效率[7]。因此，對(duì)填方路基數(shù)字化施工進(jìn)行研究非常必要。

1 填方路基數(shù)字化施工工藝的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化施工指利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)工程建造進(jìn)行幫助指導(dǎo)，方式是通過(guò)人與信息終端之間的互動(dòng)[8]。主要體現(xiàn)在分析、表達(dá)、模擬、計(jì)算、控制、監(jiān)測(cè)以及信息流構(gòu)建，本質(zhì)為利用數(shù)字化技術(shù)，對(duì)建造過(guò)程和工程組織形式進(jìn)行變革，實(shí)現(xiàn)工程建造過(guò)程和工程產(chǎn)品的發(fā)展。在填方路基施工中，數(shù)字化施工是指利用數(shù)字化技術(shù)建立基礎(chǔ)平臺(tái)，包括施工地理信息收集、施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)等，整合采集的信息資源，建立相對(duì)開(kāi)放的信息環(huán)境，為施工現(xiàn)場(chǎng)提供增值服務(wù)的施工模式。因此，路基數(shù)字化施工就是為路基施工現(xiàn)場(chǎng)與路基施工設(shè)備（如挖掘機(jī)、攤平機(jī)、壓路機(jī)、推土機(jī)等）之間建立數(shù)字化信息平臺(tái)，為施工過(guò)程提供服務(wù)[9-10]。

本研究中，數(shù)字化施工的主要研究?jī)?nèi)容為數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)、數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)、數(shù)字化智能精平系統(tǒng)。

1.1 數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)

數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)的工作原理是利用北斗高精度定位技術(shù)和慣導(dǎo)傾斜傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出挖掘機(jī)鏟斗斗尖三維坐標(biāo)，通過(guò)全自主研發(fā)的挖掘機(jī)模型算法和車(chē)載平板電腦中的三維設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)推土機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)挖掘，其挖填精度可達(dá)±3 cm。

針對(duì)不同型號(hào)的推土機(jī)，數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)能夠提供專(zhuān)業(yè)的終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示鏟尖處的填挖量，無(wú)須測(cè)量輔助和打樁放線。

系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示鏟尖的三維坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)將機(jī)械位置、鏟尖坐標(biāo)等原始信息通過(guò)TCP協(xié)議上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了智能化的施工引導(dǎo)、施工檢核以及數(shù)據(jù)回傳。與傳統(tǒng)施工方式相比，數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)減少了打樁放樣次數(shù)、檢核頻率、施工人員數(shù)量以及返工次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了土方工程施工質(zhì)量和效率的提升。數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)

1.2 數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)

數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)的工作原理是利用北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、高精度傳感器技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，對(duì)壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)可視化引導(dǎo)與管理，為施工人員提供及時(shí)精確的壓實(shí)質(zhì)量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的過(guò)程控制和綜合管理。數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)

通過(guò)在路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)安裝高精度的定位設(shè)備以及建立施工現(xiàn)場(chǎng)的CORS網(wǎng)絡(luò)，對(duì)壓實(shí)機(jī)械的行走軌跡進(jìn)行測(cè)量，基于模塊化設(shè)計(jì)的數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)支持所型號(hào)壓路機(jī)，可對(duì)壓實(shí)路基的每層厚度進(jìn)行記錄，獲得每個(gè)段落樁號(hào)路基材料的壓實(shí)次數(shù)，針對(duì)施工中存在的薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)予以反饋。

數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)支持北斗、Glonass、GPS等衛(wèi)星系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)壓實(shí)厘米級(jí)定位精度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)群設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，能夠顯示碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、碾壓速度、高程等路機(jī)的位置及作業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)多機(jī)械協(xié)同作業(yè)。與傳統(tǒng)壓實(shí)施工相比，數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)壓實(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)，引導(dǎo)壓實(shí)作業(yè)，保證路面壓實(shí)質(zhì)量均勻性，有效減少返工次數(shù)，提高了施工效率。數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)提高了機(jī)械利用率，降低油耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗與綠色施工。

1.3 數(shù)字化智能精平系統(tǒng)

數(shù)字化智能精平系統(tǒng)的工作原理是利用北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、慣導(dǎo)傾斜傳感技術(shù)及液壓控制技術(shù)，結(jié)合全自主研發(fā)的GR-Tech平地機(jī)模型算法，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出平地機(jī)鏟刀的三維坐標(biāo)，并根據(jù)車(chē)載平板電腦中的三維設(shè)計(jì)圖紙實(shí)時(shí)控制鏟刀姿態(tài)，調(diào)整鏟刀標(biāo)高。

數(shù)字化智能精平系統(tǒng)如圖3所示。利用數(shù)字化智能精平系統(tǒng)整平后的路基，實(shí)現(xiàn)了土方工程施工質(zhì)量和效率的精準(zhǔn)控制。此外，數(shù)字化智能精平系統(tǒng)可根據(jù)主控箱的信號(hào)通過(guò)液壓電磁閥實(shí)時(shí)控制鏟刀姿態(tài)，實(shí)時(shí)顯示鏟尖處的填挖量，實(shí)現(xiàn)了智能化施工引導(dǎo)以及智能化施工檢核。

圖3 數(shù)字化智能精平系統(tǒng)

與傳統(tǒng)精平施工相比，數(shù)字化智能精平系統(tǒng)具有更高的平整精度和路基精度，且不需要測(cè)量人員提前測(cè)量、打樁，也無(wú)須測(cè)量人員在施工過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)樁，大幅度提升了精平施工的施工效率以及工程質(zhì)量。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

為了定量分析數(shù)字化施工在成本方面的優(yōu)勢(shì)，分別對(duì)數(shù)字化智能刷坡系統(tǒng)、數(shù)字化智能壓實(shí)系統(tǒng)以及數(shù)字化智能精平系統(tǒng)與傳統(tǒng)施工的成本進(jìn)行估算對(duì)比。結(jié)果顯示數(shù)字化施工可以有效地節(jié)約施工成本，在提高施工效率和檢測(cè)效率的同時(shí)，大幅減少施工人員的工作量以及返工現(xiàn)象，在保證土方施工質(zhì)量的前提下，獲得了更高的經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工成本對(duì)比如表1所示。

表1 數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工成本對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)填方路基數(shù)字化施工關(guān)鍵技術(shù)的工藝研究以及經(jīng)濟(jì)效益分析，表明基于北斗技術(shù)的填方路基數(shù)字化施工技術(shù)相比于傳統(tǒng)施工技術(shù)，能夠有效地提升工程質(zhì)量與施工效率，有效降低施工成本。數(shù)字化施工技術(shù)必然會(huì)成為未來(lái)填方路基施工的發(fā)展方向。