韓 興

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 概 述

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站。該電站水庫(kù)正常蓄水位1 690 m，總庫(kù)容為10.75億m3，電站總裝機(jī)容量2 600 MW。攔河大壩為礫石土直心墻堆石壩，最大壩高240 m，且修建在60～70 m的深厚覆蓋層之上，其填筑總量約3 417萬(wàn)m3，統(tǒng)計(jì)大壩填筑單層最大碾壓面積達(dá)17.23萬(wàn)m2，各種壩料的碾壓參數(shù)如表1所示。

超大規(guī)模填筑體量，加之嚴(yán)格的填筑碾壓參數(shù)要求，使得大壩工程碾壓設(shè)備配置與管理成為確保施工質(zhì)量與保障進(jìn)度履約的關(guān)鍵。

長(zhǎng)河壩大壩碾壓全過(guò)程應(yīng)用了GPG數(shù)字化大壩碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警控制，全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)碾壓參數(shù)的功能，避免漏碾、欠壓。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有人工控制碾壓超速行駛報(bào)警功能，使超速碾壓可有效控制。但在施工中人工駕駛控制振動(dòng)碾碾壓平均速度僅為2 km/h，較設(shè)計(jì)行駛速度偏低20%，控制精度低，漏碾返工或搭接寬度過(guò)大、駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度高、強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境影響操作人員身體健康等問(wèn)題不斷顯現(xiàn)。為使碾壓施工實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，確保施工質(zhì)量，提高施工效率，使振動(dòng)碾駕駛員從單調(diào)、乏味、高強(qiáng)度的碾壓作業(yè)中解脫出來(lái)，研究開(kāi)發(fā)了振動(dòng)碾機(jī)身電氣及液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，集成應(yīng)用了衛(wèi)星導(dǎo)航定位、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋控制、超聲波環(huán)境感知等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)碾壓機(jī)械的無(wú)人駕駛精確碾壓機(jī)群作業(yè)。

表1 長(zhǎng)河壩水電站大壩各種填料填筑碾壓施工參數(shù)

圖1 振動(dòng)碾自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)示意

1 技術(shù)原理

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

振動(dòng)碾自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以工控機(jī)、遙控器、車(chē)載控制器PLC(可編輯程序控制器Programmable Logic Controller)形成的程序控制系統(tǒng)；以實(shí)現(xiàn)行駛、振動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等自動(dòng)控制的振動(dòng)碾機(jī)身控制系統(tǒng)；以GPS定位、角度編碼器、傾角傳感器等形成的導(dǎo)航與姿態(tài)補(bǔ)償系；以及加裝在車(chē)身的超聲波傳感器形成的環(huán)境識(shí)別與自動(dòng)避讓系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)見(jiàn)圖1。圖中CAN、A1、D1為通訊協(xié)議，GPS設(shè)備輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)RS232轉(zhuǎn)CAN模塊的轉(zhuǎn)換，輸入到車(chē)載控制器。

1.2 程序控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)中工控機(jī)作為改造電控系統(tǒng)中的控制終端，主要負(fù)責(zé)振動(dòng)碾工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定。車(chē)載控制器是振動(dòng)碾改造電控系統(tǒng)的核心控制器，主要功能分為信號(hào)采集及處理功能、邏輯運(yùn)算及路徑控制功能和輸出驅(qū)動(dòng)功能。根據(jù)工控機(jī)和遙控器的指令實(shí)現(xiàn)振動(dòng)碾的行駛與振動(dòng)控制。同時(shí)，車(chē)載控制器還負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的采集及處理，并結(jié)合工控機(jī)設(shè)定的工作參數(shù)進(jìn)行作業(yè)路徑的規(guī)劃和自動(dòng)路徑跟蹤。

路徑規(guī)劃采用的方式為：設(shè)定工作區(qū)域的4個(gè)角點(diǎn)(如圖2中A、B、C、D點(diǎn)所示)，根據(jù)這4個(gè)角點(diǎn)來(lái)確定作業(yè)區(qū)域的邊界，然后設(shè)定當(dāng)前或最近的角點(diǎn)作為起點(diǎn)(圖2中設(shè)定A為起點(diǎn))，再設(shè)定車(chē)身前進(jìn)方向的角點(diǎn)來(lái)確定作業(yè)的方向(圖2中設(shè)定從A至B)。完成設(shè)定后，控制器會(huì)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的起點(diǎn)和方向來(lái)計(jì)算直線行駛的航向，并計(jì)算出所需碾壓的軌跡數(shù)量(圖2中軌跡數(shù)為4)，待啟動(dòng)自動(dòng)程序后控制器會(huì)根據(jù)所計(jì)算的航向完成設(shè)定區(qū)域內(nèi)所需碾壓軌跡的自動(dòng)碾壓作業(yè)。

圖2 程序控制系統(tǒng)完成的路徑規(guī)劃圖(碾壓2遍)

設(shè)計(jì)的無(wú)線遙控器采用主副配置形式。主遙控器為智能化程度較高的集成遙控器，該遙控器能實(shí)現(xiàn)對(duì)至少4臺(tái)振動(dòng)碾機(jī)群的自動(dòng)控制。副遙控器是非智能的人工控制遙控器，用以避免智能程度系統(tǒng)故障對(duì)作業(yè)過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)碾的緊急制動(dòng)功能。

為實(shí)現(xiàn)碾壓過(guò)程偏差及時(shí)糾偏，系統(tǒng)路徑控制方案采用基于航向的直線跟蹤控制算法：根據(jù)GPS設(shè)備反饋的位置坐標(biāo)來(lái)預(yù)估振動(dòng)碾所需要的航向，并與測(cè)得的車(chē)身實(shí)時(shí)航向進(jìn)行比較，計(jì)算航向誤差。根據(jù)航向誤差來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整振動(dòng)碾的轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定直線的跟蹤。

1.3 機(jī)身控制系統(tǒng)

振動(dòng)碾機(jī)身控制系統(tǒng)的主要工作原理為：對(duì)原車(chē)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改造，在原車(chē)轉(zhuǎn)向器部分增加電磁截止閥來(lái)實(shí)現(xiàn)原車(chē)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)與改造轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的切換。截止閥不通電時(shí)，轉(zhuǎn)向泵輸出油液經(jīng)液壓轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向油缸，即為原車(chē)的人工轉(zhuǎn)向方式。截止閥通電時(shí)，轉(zhuǎn)向泵輸出油液經(jīng)比例節(jié)流閥和電磁換向閥與平衡閥后到轉(zhuǎn)向油缸。通過(guò)控制比例節(jié)流閥線圈的電流，可以改變比例閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向速度的調(diào)節(jié)。通過(guò)控制電磁換向閥兩端不同的線圈通電，控制轉(zhuǎn)向油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向方向的自動(dòng)控制。轉(zhuǎn)向角度由安裝在車(chē)身鉸接點(diǎn)的角度編碼器進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)前后車(chē)架之間車(chē)身轉(zhuǎn)角的反饋。

將原來(lái)的手動(dòng)操縱手柄改為電控手柄。自動(dòng)控制器采集手柄不同位置輸出的模擬量值來(lái)進(jìn)行前進(jìn)/后退的判斷與行駛速度的控制。通過(guò)控制加裝的行駛電控比例閥兩端線圈的電流，改變比例閥的開(kāi)度，改變泵的斜盤(pán)角度和泵的輸出排量，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)碾自動(dòng)行駛速度的控制。通過(guò)控制比例閥兩端不同的線圈通電，改變了泵的液流輸出方向，從而實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)碾行駛方向的控制。

1.4 導(dǎo)航與姿態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)

導(dǎo)航與姿態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)碾自動(dòng)行駛和自動(dòng)轉(zhuǎn)向以及控制精度的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，振動(dòng)碾的位置和行駛方向這兩個(gè)信息的獲取需要借助于GPS位置接收機(jī)和GPS航向接收機(jī)。通過(guò)建立衛(wèi)星、GPS基站、車(chē)載GPS流動(dòng)站與自動(dòng)控制系統(tǒng)間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)碾位置、行駛速度、航向的定位與導(dǎo)航。

同時(shí)為進(jìn)一步提高振動(dòng)碾壓實(shí)際作業(yè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向和傾斜偏差影響作業(yè)精度等問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了角度編碼器和傾斜傳感器。角度編碼器：由于振動(dòng)碾為鉸接轉(zhuǎn)向形式，在實(shí)現(xiàn)振動(dòng)碾自動(dòng)作業(yè)路線跟蹤控制的過(guò)程中，需要采集鋼輪與車(chē)身之間的轉(zhuǎn)角信息來(lái)檢測(cè)車(chē)身的位姿。轉(zhuǎn)角由安裝在車(chē)身鉸接點(diǎn)的角度編碼器進(jìn)行采集，角度編碼器輸出信號(hào)通過(guò)CAN總線輸入到控制器。傾斜傳感器：為解決振動(dòng)碾自動(dòng)作業(yè)過(guò)程中，工作路面狀況惡劣，車(chē)身傾斜導(dǎo)致的GPS定位位置與車(chē)身實(shí)際位置偏移。在振動(dòng)鋼輪一側(cè)增加設(shè)計(jì)安裝了傾角傳感器，提高了振動(dòng)碾自動(dòng)作業(yè)的精度。

1.5 環(huán)境識(shí)別與自動(dòng)避讓系統(tǒng)

考慮影響作業(yè)安全影響因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了環(huán)境識(shí)別與自動(dòng)避讓系統(tǒng)，利用超聲波傳感器檢測(cè)車(chē)身周?chē)欠裼形矬w靠近，當(dāng)在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到有物體靠近時(shí)，振動(dòng)碾能自動(dòng)停止作業(yè)，待物體遠(yuǎn)離后能繼續(xù)完成作業(yè)。考慮到超聲波傳感器的檢測(cè)范圍和檢測(cè)對(duì)象(人、設(shè)備)在振動(dòng)碾前方和后方各均勻布置了三個(gè)超聲波傳感器。超聲波傳感器檢測(cè)范圍的參數(shù)如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器檢測(cè)范圍的參數(shù)

2 工程應(yīng)用

2.1 無(wú)人駕駛振動(dòng)碾作業(yè)步驟

2.1.1 基礎(chǔ)配套設(shè)施

無(wú)人駕駛振動(dòng)碾作業(yè)的需首先完整對(duì)振動(dòng)碾的升級(jí)改造包括：機(jī)身液壓及點(diǎn)控系統(tǒng)改裝、搭載GPS接收發(fā)射裝置、搭載安全避障裝置、構(gòu)建無(wú)人駕駛中控系統(tǒng)，并需在施工區(qū)域內(nèi)規(guī)劃建設(shè)GPS信號(hào)基站等。

2.1.2 作業(yè)前的準(zhǔn)備

無(wú)人駕駛振動(dòng)碾施工的作業(yè)準(zhǔn)備工作分為：設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢查及設(shè)備搭載的無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢查。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括：設(shè)備水箱、油箱、交接班記錄等是否滿足作業(yè)要求。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括：設(shè)備通電后工控機(jī)上電啟動(dòng)打開(kāi)上位機(jī)程序，檢查上位機(jī)通訊是否正常、衛(wèi)星數(shù)量是否達(dá)到GPS定位要求(4顆以上衛(wèi)星方能實(shí)現(xiàn)RTK狀態(tài)固定)、安全避障系統(tǒng)是否正常。工控機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面見(jiàn)下圖4。

圖4 工控機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

2.1.3 作業(yè)區(qū)域及施工參數(shù)設(shè)定

碾壓作業(yè)區(qū)域邊界設(shè)定有兩種方法，可在工控機(jī)直接錄入測(cè)得的工地坐標(biāo)完成作業(yè)區(qū)域的設(shè)定，亦可通過(guò)駕駛振動(dòng)碾至作業(yè)區(qū)域邊界點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)碾機(jī)身定位直接錄入到工控機(jī)作業(yè)區(qū)域。完成邊界點(diǎn)錄入后，點(diǎn)擊“檢查參數(shù)”按鈕，顯示起始點(diǎn)和方向選擇按鈕后進(jìn)行作業(yè)起始點(diǎn)和方向的確定。

值得注意的是：振動(dòng)碾坐標(biāo)錄入方法按照順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虼_定好碾壓區(qū)域的邊界點(diǎn)；人工駕駛振動(dòng)碾，每到達(dá)一個(gè)區(qū)域，便按下“錄入”，記錄當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)。振動(dòng)碾剛到達(dá)時(shí)，GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)可能不穩(wěn)定，可稍等幾秒或多錄入幾次當(dāng)前坐標(biāo)。

上述操作完成后可在工控機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)碾?yún)?shù)水位設(shè)置，包括：行駛速度、碾壓遍數(shù)、循環(huán)次數(shù)、換行距離、接行寬度等。完成參數(shù)設(shè)定后，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕。當(dāng)發(fā)送完成后，可以觀察“路徑監(jiān)測(cè)”界面。路徑監(jiān)測(cè)界面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)碾壓作業(yè)面的區(qū)域面積。

2.1.4 碾壓作業(yè)

工作參數(shù)設(shè)置完成后，將振動(dòng)碾剎車(chē)松開(kāi)，并通過(guò)油門(mén)拉桿將振動(dòng)碾發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至2400r/min左右，將“就地/遠(yuǎn)程”切換開(kāi)關(guān)旋至遠(yuǎn)程檔。在上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面上，點(diǎn)擊自動(dòng)模式，即可進(jìn)行振動(dòng)碾的無(wú)人駕駛模式，進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)。碾壓作業(yè)過(guò)程中，遠(yuǎn)程碾壓監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控碾壓速度、碾壓狀態(tài)、行走軌跡等主要信息。在完成一個(gè)倉(cāng)位碾壓施工作業(yè)后，無(wú)人駕駛振動(dòng)碾會(huì)自動(dòng)停止作業(yè)，可重復(fù)以上操作進(jìn)行下一倉(cāng)位碾壓施工作業(yè)。

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可使用遠(yuǎn)程遙控器對(duì)控制器進(jìn)行緊急斷電，停止作業(yè)。若操作員正在設(shè)備內(nèi)，中控機(jī)界面上設(shè)有緊急停止按鈕，操作員可按下緊急停止按鈕，使振動(dòng)碾緊急停止來(lái)進(jìn)行避險(xiǎn)。

2.2 應(yīng)用效果

首臺(tái)振動(dòng)碾完成技術(shù)改造后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，典型的試驗(yàn)場(chǎng)地為25 m×8 m的長(zhǎng)方形區(qū)域，場(chǎng)地表面平整度±30 cm，振動(dòng)碾分4條軌跡碾壓，沿每條軌跡標(biāo)準(zhǔn)線每5 m布置一個(gè)偏差測(cè)點(diǎn)，偏差值偏向上游為負(fù)，偏向下游為正。試驗(yàn)設(shè)定碾壓速度2.7 km/h，靜碾2遍+振碾4遍，主要試驗(yàn)偏差值記錄見(jiàn)下表2，行駛速度隨時(shí)間變化關(guān)系見(jiàn)圖5。

表2 無(wú)人駕駛振動(dòng)碾自動(dòng)碾壓偏差值記錄 cm

圖5 堆石區(qū)振碾前進(jìn)作業(yè)速度-時(shí)間關(guān)系曲線

實(shí)踐證明，振動(dòng)碾自動(dòng)控制碾壓直線偏差值基本控制在±10cm，最大偏差值不超過(guò)30cm，碾壓速度偏差控制在±0.1km/h，考慮一定的搭接寬度，一次碾壓合格率完全能夠滿足質(zhì)量要求。首臺(tái)振動(dòng)碾在長(zhǎng)河壩電站進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的實(shí)踐應(yīng)用，在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)振動(dòng)碾的程序又進(jìn)行了系列改進(jìn)：①新增了自動(dòng)尋址功能，振動(dòng)碾可在自動(dòng)記錄自當(dāng)前位置到作業(yè)起點(diǎn)的作業(yè)情況；②作業(yè)區(qū)域新增坐標(biāo)系選擇功能：通過(guò)程序設(shè)定建立世界坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系的換算關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)不同工地坐標(biāo)的錄入；③新增循環(huán)次數(shù)的設(shè)定功能：可實(shí)現(xiàn)對(duì)各條碾壓車(chē)道的連續(xù)碾壓遍數(shù)設(shè)定；④系統(tǒng)增設(shè)了安全自鎖功能：當(dāng)振動(dòng)碾機(jī)身出現(xiàn)油料不足或機(jī)械故障時(shí)，振動(dòng)碾會(huì)自動(dòng)停止作業(yè)。

為進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)用效果，后續(xù)又改造了4振動(dòng)碾，實(shí)現(xiàn)了5臺(tái)無(wú)人駕駛振動(dòng)碾的機(jī)群化作業(yè)。通過(guò)近5 000 h的應(yīng)用，成效如下：質(zhì)量控制，避免漏壓、欠壓、超壓，確保一次碾壓合格率(均值97.1%)；施工效率，對(duì)比人工駕駛作業(yè)施工效率提高約10.6%，同時(shí)可縮短間歇時(shí)間約20%；安全風(fēng)險(xiǎn)，可降低人為影響和夜間施工安全風(fēng)險(xiǎn)；勞動(dòng)保護(hù)，可有效減少振動(dòng)環(huán)境下對(duì)人體損傷。

3 結(jié) 語(yǔ)

振動(dòng)碾無(wú)人駕駛技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了施工機(jī)械無(wú)人駕駛，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)碾行駛速度、碾壓遍數(shù)、搭接寬度等的精確控制，可采用導(dǎo)入測(cè)量坐標(biāo)或機(jī)身定位完成作業(yè)區(qū)域的設(shè)定，通過(guò)顯示控制器實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域、作業(yè)環(huán)境、施工參數(shù)及行駛狀態(tài)等的實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)記錄。無(wú)人駕駛系統(tǒng)充分考慮到振動(dòng)碾機(jī)身(油料不足或機(jī)械故障)及外部環(huán)境影響等影響作業(yè)安全因素，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境自動(dòng)識(shí)別與自動(dòng)制動(dòng)、避讓。振動(dòng)碾無(wú)人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，避免了強(qiáng)烈振動(dòng)環(huán)境對(duì)操作人員的傷害，保護(hù)了操作人員的健康。該技術(shù)目前已獲相應(yīng)專(zhuān)利，具有大中型土石方工程碾壓的通用性，推動(dòng)了施工機(jī)械裝備的技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，具有較廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 崔樹(shù)華, 汪學(xué)斌, 周峰. 壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)及智能壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化, 2013(3): 18- 22．

[2] 楊璐, 馮占強(qiáng). 智能壓實(shí)技術(shù)發(fā)展概況[J]. 工程機(jī)械文摘, 2011(1): 50- 53．

[3] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]．

[4] 吳高見(jiàn). 高土石壩施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水利水電施工, 2013(3): 1- 7．

[5] 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(9): 814- 816．

[6] 韓興, 段超. 長(zhǎng)河壩水電站大壩心墻鋪筑與碾壓施工設(shè)備綜述[J]. 水力發(fā)電, 2016， 42(10): 73- 75．