嚴(yán)國齊，張文，余峰，李揚(yáng)，譚沖

(1.武漢航發(fā)建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.武漢導(dǎo)航與位置服務(wù)工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430073)

GNSS與測量機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控的對(duì)比分析

嚴(yán)國齊1*，張文2，余峰3，李揚(yáng)1，譚沖1

(1.武漢航發(fā)建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.武漢導(dǎo)航與位置服務(wù)工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430073)

填筑工程碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控可采用GNSS和測量機(jī)器人技術(shù)，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好的質(zhì)量控制效果，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)、快速、直觀地監(jiān)控碾壓施工質(zhì)量之目的。這兩種技術(shù)因其自身的特點(diǎn)，在應(yīng)用中存在差異性，本文從系統(tǒng)構(gòu)成、適用場景、數(shù)據(jù)精度等三方面對(duì)這兩種技術(shù)的應(yīng)用做了詳細(xì)的對(duì)比分析。

GNSS；測量機(jī)器人；碾壓施工；質(zhì)量監(jiān)控

1 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，在高速公路的路基、混凝土面板堆石壩的壩體、大型建筑的地基等工程中，土石方填筑施工具有工程量大、施工強(qiáng)度高以及大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)等特點(diǎn)，對(duì)填筑施工質(zhì)量的要求也越來越高，因此實(shí)現(xiàn)碾壓施工過程中的精細(xì)化質(zhì)量控制顯得尤為重要。填筑碾壓施工過程質(zhì)量的控制以碾壓參數(shù)控制為主，采用傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)和試坑取樣的檢測技術(shù)(即所謂“雙控”方法)已經(jīng)難以保證施工質(zhì)量。如何能夠及時(shí)、快速、直觀地監(jiān)控碾壓施工質(zhì)量成為一個(gè)迫切的需求。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、智能全站儀、無線通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，武漢大學(xué)黃聲享等學(xué)者于2003年將GPS定位技術(shù)應(yīng)用于大壩填筑施工質(zhì)量監(jiān)控，研發(fā)了大壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于湖北清江水布埡水電站面板堆石壩的填筑施工中[1，2]；2010年武漢大學(xué)黃聲享等學(xué)者又開發(fā)了基于測量機(jī)器人的大壩填筑施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并在在建的湖北溇水江坪河水電站大壩工程中得到成功應(yīng)用[3，4]。

GNSS和測量機(jī)器人技術(shù)都是20世紀(jì)90年代以來得到廣泛應(yīng)用的測量定位新技術(shù)，它們?cè)谙嚓P(guān)填筑工程的碾壓施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用，是先進(jìn)測量技術(shù)與實(shí)際工程相結(jié)合的典型案例。工程實(shí)踐應(yīng)用已驗(yàn)證這兩種技術(shù)都能很好地實(shí)現(xiàn)填筑工程碾壓施工過程的質(zhì)量監(jiān)控，但這兩種技術(shù)因其自身的特點(diǎn)在應(yīng)用中存在差異性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)構(gòu)成、適用場景、數(shù)據(jù)精度等方面。本文將從這三個(gè)方面對(duì)兩種技術(shù)的應(yīng)用情況做對(duì)比分析。

2 系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)比

基于GNSS的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)中心、GNSS基準(zhǔn)站、移動(dòng)遠(yuǎn)端組成，如圖1所示?；跍y量機(jī)器人的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)中心、基站集、移動(dòng)遠(yuǎn)端組成，如圖2所示。對(duì)比圖1、圖2可知，基于兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要區(qū)別在移動(dòng)遠(yuǎn)端和基站這兩部分。

(1)移動(dòng)遠(yuǎn)端

基于GNSS技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)在移動(dòng)遠(yuǎn)端安裝的設(shè)備是GNSS接收機(jī)、GNSS天線以及無線通信設(shè)備?；跍y量機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)在移動(dòng)遠(yuǎn)端則只需要在車頂安裝信息反射裝置。

基于GNSS技術(shù)，碾壓機(jī)械的位置信息在移動(dòng)遠(yuǎn)端獲取，即接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)和差分信息來確定空間坐標(biāo)，然后將坐標(biāo)信息通過無線通信設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。而基于測量機(jī)器人，碾壓機(jī)械的位置信息在基站集獲取，即架設(shè)在已知點(diǎn)上的測量機(jī)器人通過跟蹤信號(hào)反射裝置獲取目標(biāo)空間坐標(biāo)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心也是在基站集完成。

對(duì)比分析可知，基于GNSS技術(shù)的系統(tǒng)在移動(dòng)遠(yuǎn)端中設(shè)備較多，安裝起來也較為復(fù)雜，需要考慮供電等問題，同時(shí)設(shè)備價(jià)格也較高，需要考慮設(shè)備的安全性。

圖1基于GNSS的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)組成

圖2 基于測量機(jī)器人的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)組成

(2)基站部分

基于GNSS技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)為保證定位精度采用RTK測量模式，所以需要在滿足距離現(xiàn)場較近、天空位置開闊、基礎(chǔ)牢固、網(wǎng)絡(luò)和供電穩(wěn)定等[5]要求的地方建設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，實(shí)時(shí)給移動(dòng)遠(yuǎn)端分發(fā)差分信息。而基于測量機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)的基站部分，則是用于布置測量機(jī)器人和計(jì)算機(jī)以及通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和傳輸，布設(shè)在施工現(xiàn)場附近基礎(chǔ)穩(wěn)定的制高點(diǎn)處，且對(duì)碾壓施工區(qū)域具有良好的通視條件。

基于GNSS技術(shù)，基準(zhǔn)站只需要建立一個(gè)，一般情況，為便于供電、管理和維護(hù)，GNSS基準(zhǔn)站可建立在監(jiān)控中心。而基于測量機(jī)器人技術(shù)，基站部分則因?yàn)橐慌_(tái)測量機(jī)器人只能跟蹤一個(gè)目標(biāo)，所以在多個(gè)目標(biāo)的情況下需要建立多個(gè)基站組成基站集，為便于設(shè)備的安全和維護(hù)，一般根據(jù)現(xiàn)場情況，建設(shè)成包含多個(gè)基站的觀測房。

3 適用場景對(duì)比分析

GNSS定位技術(shù)要求天線上空視野開闊，在一定的高度角(一般為10°～15°)以上無遮擋，這樣才能保證可見衛(wèi)星構(gòu)成良好的幾何圖形，接收到較好的衛(wèi)星信號(hào)。另外，GNSS衛(wèi)星信號(hào)是電磁波，對(duì)天氣抗干擾能力強(qiáng)，所以GNSS定位具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，無論是干燥的沙漠之中，或者寒冷的高山之巔，或者偏僻的孤島之上，或者大雨中都可以進(jìn)行定位。

測量機(jī)器人定位不需要對(duì)空通視，但需要架設(shè)儀器的基站與測量目標(biāo)之間保持通視，同時(shí)由于測程的限制，所以一般選擇距離施工區(qū)域較近、能夠與施工區(qū)域完全通視的地方布設(shè)基站。另外，測量機(jī)器人測距是激光測距，信號(hào)受天氣影響較大，尤其是雨霧天氣，會(huì)導(dǎo)致儀器無法識(shí)別目標(biāo)。

對(duì)比分析可知，GNSS技術(shù)適用于環(huán)境開闊的場景，例如開闊山谷中的大壩、機(jī)場、公路等工程；而測量機(jī)器人在對(duì)天空通視較差的狹長山谷中的大壩工程中則更為適用。例如，某水電站的壩址位于峽谷河段內(nèi)，峽谷河道長約 600 m，河谷呈V形，河谷狹窄，高寬比約為1∶1.8，壩址區(qū)為巖溶峽谷，兩岸山體雄厚，岸坡多為懸崖和陡坡，高程 350 m以下兩岸峭壁聳立，以上地形陡峻，坡角30°～60°，所以該工程選用基于測量機(jī)器人的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。

4 數(shù)據(jù)精度對(duì)比

基于GNSS的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用多系統(tǒng)GNSS RTK定位技術(shù)。隨著GLONASS系統(tǒng)再次實(shí)現(xiàn)24顆衛(wèi)星滿星座部署以及我國獨(dú)立自主研發(fā)的北斗BDS系統(tǒng)已具備向我國及周邊地區(qū)提供定位服務(wù)能力，與過去原有的GPS單系統(tǒng)RTK相比，GPS+BDS+GLONASS三系統(tǒng)RTK極大地增加了可視衛(wèi)星數(shù)，有效地增強(qiáng)了觀測衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度、提高了定位結(jié)果的精度和可靠性[6]。目前，RTK平面定位的標(biāo)稱精度為 1 cm+1 ppm，只要施工區(qū)域在處于GNSS基準(zhǔn)站的服務(wù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)的平面位置精度足以滿足碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控精度要求。在高程方面，適當(dāng)考慮數(shù)據(jù)采集方法并采用合理的高程擬合模型，可達(dá)到±(1～2)cm的高程精度，從而能夠滿足填筑施工攤鋪層厚度與平整度的控制需要[7]。

基于測量機(jī)器人的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用極坐標(biāo)法[8]進(jìn)行目標(biāo)定位。該方法的測量定位精度估計(jì)可表達(dá)為：

(1)

其中，β為豎直角測量值，S為斜距，mS為測距誤差，mβ為測角誤差，mi、mv分別是儀器高和目標(biāo)高的測量誤差。

以某填筑工程所采用的測量機(jī)器人質(zhì)量監(jiān)控為例，在自動(dòng)跟蹤模式下該測量機(jī)器人的距離測量精度為 3 mm+1.5×10-6ppm，ATR測角精度為1″。因填筑施工區(qū)域不大，可忽略球氣差影響，同時(shí)可忽略儀器高與目標(biāo)高的測量誤差。由式(1)可見，當(dāng)儀器的測距、測角精度一定時(shí)，測量點(diǎn)的點(diǎn)位精度和高程精度只與距離、垂直角大小有關(guān)。當(dāng)S=500 m時(shí)，用不同的β值分別代入式(1)，可得表1所示的點(diǎn)位坐標(biāo)測量精度，可知基于測量機(jī)器人獲取的碾壓機(jī)械空間位置坐標(biāo)平面和高程精度均在mm級(jí)。

距離為500 m時(shí)不同垂直角對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)精度 表1

從數(shù)據(jù)精度對(duì)比可知，兩種技術(shù)采集的數(shù)據(jù)精度均能達(dá)到施工質(zhì)量監(jiān)控的技術(shù)要求。在較小的施工范圍內(nèi)，使用測量機(jī)器人獲取的數(shù)據(jù)精度更高，施工質(zhì)量參數(shù)的控制也更為精確。

5 結(jié) 語

通過系統(tǒng)組成、適用場景、數(shù)據(jù)精度的對(duì)比可知，GNSS和測量機(jī)器人兩種技術(shù)在填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控中都得能得到較好應(yīng)用，但在應(yīng)用中，因其自身的特點(diǎn)影響，存在差異性。GNSS技術(shù)對(duì)于天氣條件的抗干擾性強(qiáng)，不受雨霧影響，適用于范圍大，但其在碾壓機(jī)械上安裝的設(shè)備較多且昂貴，需要考慮設(shè)備使用的穩(wěn)定性和安全性；測量機(jī)器人技術(shù)在碾壓機(jī)械上安裝設(shè)備簡單、便宜，采集的數(shù)據(jù)精度高，但其受測程限制，監(jiān)控的有效范圍較小，另外在雨霧等天氣影響下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法監(jiān)控的情況。所以，總體而言，GNSS技術(shù)在天空開闊、大規(guī)模機(jī)械施工等場景中優(yōu)勢明顯，而測量機(jī)器人則更適用于施工范圍較小、陡峭峽谷的工程場景。

[1] 黃聲享，劉經(jīng)南，吳曉銘. GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及其在堆石壩施工中的初步應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2005，30(9)：813～816.

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[7] 黃聲享，曾懷恩. GPS實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)碾壓試驗(yàn)的高程精度評(píng)定[J]. 測繪信息與工程，2004，29(5)：39～40.

[8] 郭際明，梅文勝，張正祿等. 測量機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成與精度研究[J]. 武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25(5)：421～425.

ComparisonofGNSSandGeorobotTechnologyinRollingConstructionQualityMonitoring

Yan Guoqi1，Zhang Wen2，Yu Feng3，Li Yang1，Tan Chong1

(1.Wuhan Airport Development Construction Co.，Ltd.，Wuhan 430023，China； 2.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3.Wuhan Navigation and LBS，Inc.，Wuhan 430073，China)

The GNSS and Georobot technology have been applied in Rolling Construction Quality Monitoring，and both of them have achieved good results. This paper compares and analyses the application of these two techniques in rolling construction，on aspects of monitor system，use conditions，precision.

GNSS；georobot；rolling construction；quality monitoring

1672-8262(2017)06-98-03

P228，P258

A

2017—10—06

嚴(yán)國齊(1969—)，男，高級(jí)工程師，主要從事市政工程項(xiàng)目管理等工作。

張文(1988—)，男，博士研究生，研究方向：精密工程測量、變形監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警等。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41274020)