GNSS технологии в дорожном строительстве
Достижение высоких показателей в работе отрасли невозможно без грамотного и рачительного освоения вложенных в нее денежных средств, для чего необходима оптимальная реструктуризация подрядных организаций и службы заказчика, подготовка их к применению новых мировых технологий, позволяющих не только сократить себестоимость работ, но и гарантировать качество.
Качественно новый уровень ведения практически всех видов дорожных и дорожно-строительных работ обеспечивает технология спутникового позиционирования на основе систем ГЛОНАСС/GPS, одним из направлений применения которой являются цифровые 3D системы автоматического нивелирования для дорожно-строительных машин: автогрейдеров, бульдозеров, экскаваторов.
Работа этих систем основана на использовании 3D цифровой модели проектной поверхности, которая в виде файла закладывается в бортовой компьютер машины, установленный в кабине. Во время работы машины, в режиме реального времени, на основе данных, полученных от расположенных на отвале ГЛОНАСС/GPS приемника и датчиков, определяется положение лезвия отвала, которое сравнивается с цифровой моделью проекта (ЦМП). Далее система вычисляет требуемое смещение отвала машины. При работе в автоматическом режиме отвал автоматически удерживается в проектном положении.
Преимущества использования технологии:
- Снижение влияния человеческого фактора. Все работы выполняются в соответствии с предоставленными заказчиком проектными данными. Компоненты оборудования обеспечивают высокую точность выполнения работ на уровне расхождения с проектом в пределах (в зависимости от типа машины и типа системы).
- Сокращение перерасхода материала на выравнивание слоев дорожной одежды. Средняя экономия материалов при устройстве выравнивающего слоя дороги шириной 9 метров составит около 200 м3 на 1 км, при условии, что оснащенный системой грейдер работает только по основанию. К примеру, средняя экономия на устройстве выравнивающего слоя на протяжении трассы Москва—Санкт-Петербург будет составлять 2520000 м3 при общей ширине покрытия от 18 метров. Нетрудно подсчитать экономию в денежном эквиваленте: при стоимости асфальта от 700 рублей за тонну она составит более 5 млрд рублей.
- Уменьшение сроков выполнения работ. Практика использования 3D систем в России показывает, что средняя выработка одного автогрейдера, оснащенного 3D системой, увеличивается в
- Сокращение простоев техники при выполнении подготовительных работ. Поскольку установленная на машине система самостоятельно копирует проект на реальную поверхность, не требуется разбивка пикетажа и высотных отметок.
- Сокращение затрат и времени на проведение геодезических работ — до 90 %. Для работ разбивка не требуется.
Экономические выгоды от ввода в эксплуатацию 3D ГЛОНАСС/GPS систем автоматического управления и комплексного подхода к геодезическому обеспечению дорожного строительства этим не ограничиваются. Системы можно закупать из федерального бюджета для сдачи в аренду подрядным организациям, а после выполнения работ они могут быть возвращены или выкуплены подрядчиком.
Дополнительным источником дохода является организация сети референсных ГЛОНАСС/GPS базовых станций в регионе. Любой подрядчик или проектно-изыскательская компания могут на платной или бесплатной основе получить доступ к поправкам от сети базовых станций. Кроме того, единая система координат в виде ГЛОНАСС/GPS базовых станций позволяет не оставлять точки обоснования на участке работ. Поскольку изыскатели, проектировщики и строители работают в одной строительной компании, им проще и легче сделать правильное и жесткое восстановление трассы и проектных отметок.
Все спутниковое оборудование, производимое для высокоточных работ, в том числе и для управления строительной техникой, является универсальным для всех регионов мира и использует все работающие спутниковые системы.
Следует отметить, что использование приемников, работающих только на одной из систем, не может гарантировать постоянную работу и качество сигнала. Например, в России есть разработки спутниковых приемников, работающих только с ГЛОНАСС системой. К сожалению, состояние группировки спутников ГЛОНАСС и наземных сегментов системы таково, что постоянное наличие требуемого количества спутников ГЛОНАСС, необходимых для высокоточного определения позиции машины в любой момент времени и в любом месте Российской Федерации является маловероятным. Обеспечение непрерывной работы строительной техники с требуемой точностью затруднено.
Оборудование швейцарской компании Leica Geosytems работает, используя две системы, что гарантирует постоянное наличие в зоне работы нужного количества спутников. Исходя из этого, предпочтительнее использовать уже готовые системы на основе приемников ГЛОНАСС/GPS с возможностью дальнейшей доработки для нужд дорожностроительной отрасли и дорожного хозяйства Российской Федерации.
Сравнительная таблица традиционной технологии выполнения работ и технологии с использованием 3D автоматических систем управления на основе спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS или роботизированных тахеометров Leica RedLine PowerTracker
— Проект передается заказчику на бумаге, что чревато накоплением ошибок при копировании, переносе и оцифровке
+ Проект передается заказчику без искажений в виде цифровой модели местности (ЦММ)
— Проектные отметки переносятся с бумаги на компьютер вручную, что повышает трудоемкость геодезических работ на (в зависимости от квалификации геодезиста)
+ ЦММ, загруженная в полевой контроллер прибора, позволяет выполнять ряд работ, ранее возможных только в камеральной обработке, что позволяет ускорить выполнение работ на
— Необходим трудоемкий процесс закрепления пунктов планововысотного обоснования. Возможны неувязки проектов из-за использования разных локальных систем координат
+ Работа производится в едином координатном пространстве благодаря использованию ГЛОНАСС/GPS инфра
структуры
— Требуется регулярная проверка качества выполненных работ, исполнительная съемка, повторный вынос в натуру элементов дороги из-за повреждения пикетных кольев и т.п., что занимает около 70 % рабочего времени геодезиста на строительной площадке. Увеличиваются простои техники
+ Исполнительная съемка выполняется автоматически самой техникой. Вынос элементов не требуется, работы ведутся в координатах, а не на основе планово-высотной разбивки. Обеспечивается высокое качество работ и экономия материалов
— Качество работ напрямую зависит от квалификации исполнителей
+ Качество работ минимально зависит от исполнителя. Не надо выполнять 70 % геодезических работ. 90 % работ по профилированию слоев дорожной одежды выполняются автоматически
— Для укладки асфальта необходимо повторно производить разбивку и вынос элементов дороги. Фактически 90 % разбивочных работ необходимо выполнить повторно, но с большей точностью
+ Для укладки асфальта используются исходные проектные данные. Повторная разбивка не требуется, работы производятся аналогично работе автогрейдера
Технология спутниковых ГНСС измерений
Принцип работы системы 3D ГНСС на строительной технике.
Принцип работы 3D системы нивелирования основан на том, что в бортовой компьютер системы загружается цифровая модель проектной поверхности. Система управления постоянно контролирует текущее пространственное положение и смещение рабочего оборудования машины (отвала бульдозера или грейдера и т.п.) относительно этой проектной поверхности. Для этого системе нужно постоянно знать местоположение машины и ее ориентацию (направление движения) на территории стройплощадки.
Одним из способов позиционирования строительной техники является использование для этой цели геодезического оборудования, принимающего сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS. Следует отметить, что компании Topcon принадлежит пальма первенства в создании 3D систем на основе спутниковых технологий применительно к управлению строительной техникой.
В частности, первая система Topcon 3D GPS была выпущена в 2000 году, а в 2001 году Topcon впервые в отрасли анонсировал серийный выпуск ГНСС приемников с поддержкой систем ГЛОНАСС и GPS, после чего эти приемники также стали использоваться в составе оборудования систем управления 3D ГНСС.
На стройплощадке или в непосредственной близости от нее устанавливается базовая ГНСС станция над точкой с известными координатами. Эта базовая станция обеспечивает передачу RTK поправок, необходимых для работы строительных машин с установленными на них системами управления 3D ГНСС, причем от одной базовой станции может работать неограниченное число машин с системами.
Приемник ГНСС, входящий в комплект системы управления на каждой машине, принимает эти RTK поправки, вычисляет координаты спутниковой антенны, которая устанавливается на специальной виброустойчивой мачте, закрепленной на рабочем органе строительной машины (например, на отвале грейдера), и передает эту информацию в бортовой компьютер системы управления.
Программное обеспечение системы управления использует полученную из ГНСС приемника координатную информацию для расчета текущего положения рабочей кромки оборудования и вычисляет смещение рабочего органа машины по высоте и уклону относительно проектной поверхности в любой ее точке. Если на машине используется автоматическая система управления (с подключением к гидравлике), то система отдает команды гидравлическому распределителю машины для приведения рабочего органа в проектное положение.
Необходимые условия для работы системы 3D ГНСС
Для обеспечения работы системы управления на основе технологии 3D ГНСС необходимо обеспечить выполнение на стройплощадке следующих условий:
Хорошая видимость неба, минимум препятствий для спутниковых сигналов
Поскольку технология 3D ГНСС предполагает позиционирование машин с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, участок работ должен быть открытым, с максимальной видимостью неба и с минимальным количеством препятствий для распространения спутниковых сигналов. В качестве таких препятствий могут выступать близко расположенные (высокие) здания, инженерные конструкции и т.п., загораживающие значительную часть небосклона.
Наличие базовой станции ГНСС, возможность работы в RTK режиме
Работа систем управления с технологией 3D ГНСС осуществляется в режиме кинематики реального времени (Real Time Kinematic – RTK). Для работы в таком режиме район работ должен находиться в зоне действия базовой станции, передающей RTK поправки, необходимые для позиционирования каждой машины с системой управления 3D ГНСС. Подробности о данной технологии смотрите на странице Технология RTK!
Отличительные особенности технологии 3D ГНСС
Принципы спутниковых определений снимают многое ограничения, присущие позиционированию с использованием роботизированных электронных тахеометров. В частности, не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и строительными машинами, что значительно повышает гибкость применения 3D систем управления на стройплощадке. Кроме того, от одной базовой станции может работать неограниченное число машин с системами управления 3D ГНСС. Позиционирование с использованием ГНСС технологии может эффективно применяться в любое время дня и ночи и в любых погодных условиях. Также, на стройплощадке не требуется такого числа закрепленных точек съемочного обоснования (и обеспечения их сохранности), как в случае с электронным тахеометром, поскольку все системы работают относительно одной базовой станции.
Точность позиционирования, обеспечиваемая технологией ГНСС определений, несколько ниже точности, получаемой при использовании роботизированных электронных тахеометров. В случае систем 3D ГНСС речь идет о точности определения координат (в особенности, высотных отметок) на уровне первых сантиметров. Если для укладки асфальта или бетона такая точность определения высотной компоненты неприемлема, то для большинства землеройных работ возможности технологии 3D ГНСС более чем достаточны.
Важно помнить, что системы управления на основе технологии 3D ГНСС эффективны для применения на открытых участках местности. Тем не менее, благодаря использованию сигналов как российской системы ГЛОНАСС, так и американской системы GPS наличие сравнительно небольшого числа препятствий особенно не скажется на качестве работы систем. Это связано с тем, что в системах 3D ГНСС компании Topcon в обработку берется спутниковых сигналов вдвое больше, чем в случае использования только системы GPS.
Получите максимум преимуществ от использования спутниковых технологий!
3D-системы автоматического управления в дорожном строительстве
Системы нивелирования, или системы автоматического управления дорожно-строительной техникой, предназначены для поддержания рабочего органа (отвала) землеройной машины (или выглаживающей плиты укладочной техники) в положении, соответствующем проекту. Автоматические системы нивелирования, позволяющие контролировать положение рабочего органа по высоте и поперечному уклону, называются 2D-системами. Для работы с системой необходима высотная привязка машины по месту проведения работ. В качестве привязки используется копирная струна, разбиваемая на длине захватки через рассчитанные промежутки.
Однако сейчас все большее распространение получают 3D-системы автоматического управления дорожно-строительными машинами (САУ ДСМ). Они используются при возведении земляного полотна дороги бульдозерами и экскаваторами, при профилировании вышележащих слоев дорожных одежд автогрейдерами.
Подобное оборудование предлагают ряд поставщиков. По характеристикам все типы оборудования схожи, но их монтаж на спецтехнику и весь процесс внедрения доверяют только высококвалифицированным специалистам.
Основным условием использования САУ ДСМ является подготовка и редактирование цифровой модели проекта и подготовка опорных точек на строительной площадке. Вся система должна работать в комплексе. Поэтому 3D-САУ ДСМ считаются не дополнительным оборудованием, а технологией, позволяющей кардинально изменить подход к проведению дорожных работ и дорожного строительства.
Цифровой проект – это цифровая модель, которая содержит все необходимые данные, высотные отметки, координаты, линии и точки. Полный цифровой проект подготавливает проектная организация. Если необходимо сделать что-то простое и не сложное благодаря возможностям систем, специалист «на дороге» может самостоятельно составить проект и загрузить его в бортовой компьютер машины.
«Функционал системы очень богат. Помимо того, что благодаря системе нивелирования машина сама копирует цифровой проект в натуру с точностью от 2 мм до 2 см, в зависимости от типа машины и слоя дорожной одежды, геодезисты и специалисты участка могут выполнять различные виды геодезических работ, так как в комплект систем нивелирования всегда входит геодезическое оборудование, которое предназначено специально для дорожных работ и дорожного строительства. Например, геодезист без проблем в любое время может выполнить разбивку, делать инженерные изыскания и т. д.» , — отмечает Роман Мареев, технический директор новосибирской компании «ТЕХНОКОН-Новосибирск» .
С началом использованием САУ ДСМ в дорожно-строительных компаниях изменяется подход к решению геодезических задач и сама технология выполнения работ дорожного строительства. Основным преимуществом использования системы является повышение эффективности работы предприятия. В частности, существенно сокращается перерасход строительных материалов — за счет того, что система обеспечивает точность «переноса» проекта на поверхность до 20 мм. При использовании 3D-систем заметно увеличиваются темпы работ и производительность.
«При укладке дорожной одежды начальные работы выполняет бульдозер, который выравнивает основу дороги и разгребает материалы до нужной отметки. Затем грейдеруются следующие слои, обеспечивается высокая точность переноса проекта. А за счет сокращения проходов машин, например, с пяти до двух, сокращается потребление ГСМ и достигается значительная экономия времени работы» , — отмечает Роман Мареев.
Геодезические работы сводятся к тому, что нужно обеспечить достаточное количество пунктов планово-высотного обоснования и обеспечить необходимыми данными бортовые компьютеры. Контроль выполненных работ осуществляется теперь без использования нивелиров, теодолитов и тахеометров, машина сама пишет данные о полученных отметках в бортовой компьютер. Возможно также получать их и на удаленном доступе. Геодезистам нет необходимости разбивать колышки и натягивать струну, машина сама выравнивает слой под нужную отметку.
«Самое главное изменение в геодезических работах нашего отдела, при использовании 3D систем нивелирования LEICA RedLine — это скорость и точность выполнения работ. Что бы добиться необходимых отметок в ручную, раньше нужно было потратить длительное время на съемку, разбивку колышков, струны, теперь все происходит автоматом, проект полностью копируется в натуру, и работы выполняются при минимальных временных затратах. Мы используем в работе бульдозера и грейдера, оснащенные 3D системами на базе роботизированного тахеометра LEICA PowerTracker и спутниковых GNSS приемников LEICA Powerantenna, каждый из них выполняет свою работу и в конце мы получаем нужную нам отметку на том или ином слоях, без особых усилий» , — добавляет Виктор Вяткин, главный геодезист компании ОАО «Новосибирскавтодор» , которая уже внедрила 3D-САУ ДСМ LEICA RedLine.
3D-системы автоматического управления дорожных машин подразделяются на два вида. Система с роботизированным тахеометром устанавливается на автогрейдер, дорожную фрезу (для ремонта дороги) и асфальтоукладчик (бетоноукладчик) — в зависимости от машины.
Второй тип — это система, оснащенная GNSS-приемниками, она работает от базовой станции или сети базовых станций. Устанавливается на автогрейдеры и бульдозеры. В комплект 3D-систем входят: гидравлический комплект, который подключается к основным рабочим органам машин; комплект датчиков, которые отвечают за уклон и компенсацию наклона мачты; соединительные кабели, бортовой компьютер, в котором хранится вся рабочая информация, проекты, осевые линии, отметки, отчеты, а также комплекты гоедезического оборудования.
«Адаптация системы выполняется только техническим специалистом компании-поставщика. На сегодняшний день их не так много, поскольку инсталлировать, запустить и обучить специалиста компании-заказчика в полном объеме могут не все» , — отметил Андрей Артемьев из «ТЕХНОКОН-Новосибирск» .
Простые решения Mini-Line
Одна из распространенных систем нивелирования, которая широко применяется в дорожно-строительной практике, – автоматическая цифровая система нивелирования Mini-Line производителя TF-Trading A/S (Дания). Ее на отечественном рынке представляет компания HYDROFLEX (г. Москва).
Система нивелирования Mini-Line позволяет контролировать в автоматическом или ручном режиме положение рабочего органа асфальтоукладчика по высоте и поперечному уклону. Mini-Line с высокой точностью регулирует гидравлические цилиндры асфальтоукладчика, поддерживая положение выглаживающей плиты по отношению к базовому уровню, в качестве которого может выступать существующая асфальтовая дорога, бордюрный камень, копирная струна или другая твердая поверхность. Таким образом, создаются предпосылки для укладки равномерной поверхности точной толщины, тем самым исключая перерасход асфальта. Цифровая система нивелирования Mini-Line , в отличие от аналоговых, в несколько десятков раз быстрее обрабатывает приходящие сигналы и корректирует положение рабочего органа.
Регулирование и контроль за датчиками осуществляются при помощи пульта управления HS301, который может размещаться в любом месте на асфальтоукладчике. Таким образом, оператор может легко и безопасно контролировать работу выглаживающей плиты и осуществлять необходимые корректировки. К пульту управления HS301 можно одновременно подсоединять два датчика, причем один датчик может использоваться для регулирования, а второй – для отслеживания. Выбор рабочего датчика осуществляется нажатием одной кнопки.
Система Mini-Line является модульной и поэтому может компоноваться, исходя из индивидуальных потребностей заказчика. Пульт управления HS301 может использоваться с любым датчиком из серии Mini-Line , таким как:
• цифровой датчик уклона S298 . Представляет собой необычайно чувствительный и точный прибор. И электроника, и датчик надежно защищены против внешних факторов воздействия при помощи корпуса из сплава алюминия. Наличие двух 6-штепсельных байонетных разъемов позволяет использовать датчик для измерения уклона по обеим сторонам асфальтоукладчика%;
• механический датчик высоты G198 . Представляет собой цифровой датчик высоты с механической связью с поверхностью посредством входящих в комплект кронштейна с роликом или лыжей. В качестве базового уровня может использоваться копирная струна или твердая поверхность. Надо отметить, что датчик G-198 может работать как с портативным пультом управления HS301, так и самостоятельно — как автономная система регулирования уровня, поскольку G198 оснащен необходимой электроникой для управления приводом гидравлических цилиндров через соленоидные клапаны;
• ультразвуковой датчик высоты G220 . Ультразвуковая система контроля уровня G220 регулирует положение выглаживающей плиты по отношению к базовому уровню при помощи пульта управления HS301. Для установки датчика на асфальтоукладчик и подготовку его к работе оператору требуете меньше минуты;
• мультифункциональный датчик высоты G224 . Датчик G224 оснащен четырьмя ультразвуковыми сенсорами, работающими на оптимальной частоте для измерения среднего расстояния к базовому уровню. С двух сторон датчик оснащен светодиодными панелями, поэтому контролировать отклонения толщины покрытия от заданных параметров может как оператор асфальтоукладчика, так и рабочие. Сигналы от датчика передаются в цифровом промышленном стандарте RS485 с возможностью использования CAN-шины или аналогового выходного сигнала.
Комплект Mini-Line легко адаптируется к любым асфальтоукладчикам (несмотря на особенности гидравлической системы и электропитания), таким как: VOLVO (ABG Titan), DEMAG, DYNAPAC, VOGELE, BITELLI, AMMANN, MARINI, BLAW-KNOX, NIIGATA, HANTA, MITSUBISHI и другие, а также российским ДС-191, ДС-195, АСФ-К, АСФ-Г и пр. Система напрямую подключется к системе управления гидравликой асфальтоукладчика без использования дополнительного оборудования и подходит для выполнения широкого диапазона работ.
В заключение остается резюмировать, что очень многие дорожно-строительные организации уже давно успешно эксплуатируют систему Mini-Line . Цифровая система нивелирования Mini-Line чрезвычайно надежна, проста в подключении, легко настраивается и управляется всего лишь шестью кнопками, а скорректировать работу асфальтоукладчика в соответствии с результатами датчиков высоты и уклона можно нажатием лишь одной кнопки. При этом достигается великолепная точность работы и исключаются ошибки, вызванные влиянием “человеческого фактора”. Это позволяет увеличить производительность и минимизировать расходы на материалы и рабочую силу.