GPS技术-工程机械施工配套新主流.doc

GPS技术：工程机械施工配套新主流面对日益激烈的市场竞争，工程机械制造企业和建筑施工企业都在努力建立自己的竞争优势，其中对新技术的应用成为打造核心竞争力的重要手段。GPS（Global Positioning System），即全球定位系统，是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。随着科技的发展，GPS全球定位技术不仅在测量上得到广泛的应用，而且在工程施工及工程机械上的应用也越来越广泛。特别是近年来以美国的天宝（Trimble）公司、瑞士的徕卡（Leica）公司和拓普康-萨澳丹佛斯公司（TSD）等为代表的国际知名厂商，在挖掘机、推土机、平地机、摊铺机和铣刨机等工程机械上广泛应用3D控制技术，对传统的施工方法产生了革命性的改进。而在国内，由于各方面因素的制约，以3D GPS控制技术为主的工程施工应用才刚起步，并未得到广泛推广。究竟GPS在工程施工中有哪些作用？GPS控制技术在工程机械上应用的前景如何？来自瑞士徕卡公司中国代表处的关符和美国天宝北京代表处的李太丰将介绍GPS技术在工程机械上的应用和发展前景。3D GPS控制系统在工程机械中应用前景广阔早在2000年，瑞士徕卡公司就推出了基于3D TPS（全站仪）/GPS 的高精度机械引导系统。2005年，徕卡公司最新推出了基于3D GPS控制技术的第五代平地之星产品（GradeStar V5.0），不仅可以应用于各类推土机、平地机，其基本通用控制系统MC1200还能用于摊铺机、铣刨机等各类工程机械，继续保持了其在业界的领先地位。何为3D GPS控制系统？使用3D GPS控制系统，可以把工程设计数据直接输入机载计算机，自动生成三维数字模型（DTM，Digital Terrain Model），机载计算机实时比较工程机械铲刀的当前位置和设计数据，并输出校正控制信号至控制设备，对机械的铲刀进行控制。这样施工机械只需要1或2次往返施工，即可达到设计位置。这种以绝对坐标X、Y、Z为基准的全新控制方式，摒弃了测量、打桩、放样等传统工序，一次性解决了高程控制、平整度控制、坡度控制等问题，节省了大量的现场测量工作，把工程机械操作手从繁重的整平工作中解放出来，使他们可以专注于驾驶，大大提高了施工现场的安全性。这样，通过使用3D GPS控制技术，使传统意义上的工程施工进入到数字化施工的新纪元。3D 控制系统由定位设备、通讯设备、机载计算机、控制设备4部分组成。定位设备由GPS或TPS（自动全站仪）组成，根据定位设备的不同，3D控制系统可以分为3D GPS控制系统和3D TPS控制系统，分别适用于不同精度要求的工程。3D GPS控制系统主要用于土方或矿山工程用工程机械，如推土机、平地机、挖掘机等；3D TPS控制系统主要用于精度要求较高的公路面层或机场工程用工程机械，如平地机、摊铺机、铣刨机等。通讯设备由无线电发射装置和调制解调器组成，实现定位设备和机载计算机间的数据传输。机载计算机可以把输入的工程设计数据生成三维数字地形模型，并根据收到的测量数据计算出工程机械的实际位置和方向，与设计值进行比较，并把校正信息输出到控制设备，对机械进行调整。控制设备由一系列控制器和传感器组成，根据安装部位的不同，测量控制机械自身和铲刀的横坡、纵坡、倾斜度等，并根据机载计算机传来的校正信息对机械的铲刀进行控制，最终达到施工设计位置。徕卡3D GPS控制系统的特点2005年，徕卡公司推出了新一代专门用于工程机械的MNS1200 GPS，它完全适应各种复杂恶劣的工作环境，能够在最恶劣的环境条件下正常工作并提供最可靠的定位数据。其采用敏捷跟踪(SmartTrack)技术，能以最快的速度采集卫星信号，最佳的多路径影响消除技巧，甚至在树木及其他障碍物周围都能够接收到最强大的信号。徕卡3D GPS控制系统中的机载计算机为适合施工现场的要求，采用坚固耐用的触摸屏设计，能够防震、防尘、防水。操作手可以在屏幕上看到自己的实时位置和与工程设计值的偏差，然后通过手动或由3D控制系统自动修正到正确的位置。2005年，徕卡公司推出了世界上首台通用型机械控制系统MC1200，可以应用于各类推土机、平地机、摊铺机及铣刨机等的自动控制，也可以在不同种类的设备上使用，使客户的投资最大限度地得到充分回报。MC1200控制系统还具有以下的独特性能，如平地机铲刀平移控制技术可以自由控制铲刀的平移，加速整平工作的进程；平地机桅杆倾斜技术可以计算出桅杆在各个方向和角度上的倾斜，并精确定位刀片的位置；横坡固定技术可使操作手通过徕卡MC1200控制系统，保持恒定的横坡坡度，特别适用于在公路路肩、公路断链等处的施工；GPS和TPS（全站仪）互换技术，用户可以把GPS天线取下，换上360瓷淅饩担庋涂梢允褂肨PS(自动全站仪)对设备进行3D控制，其精度要大大高于3D GPS系统，适用于需要精确整平的公路、机场等项目。应用徕卡3D GPS控制系统同传统施工方法的比较传统的施工方法要先对项目现场进行初测，然后开始设计，再根据项目设计结果进行实地打桩放样，然后工程机械施工，测量打桩放样，工程机械再施工，再次测量打桩放样，如此反复直至施工至设计位置。这种方法需要测量人员的大量工作，并且在反复的测量打桩放样过程中造成了工程机械的闲置。机械驾驶员也要在驾驶机械的同时，以打好的桩子为参照物，反复操作调整机械铲刀以求施工接近设计位置，对驾驶员的技术水平和经验提出了很高的要求，也对施工现场的安全产生了隐患。使用3D GPS控制系统，直接把设计资料输入机载计算机，控制机械进行施工，直至达到设计位置。真正实现了无桩施工，省去了测量人员的现场打桩放样工作，减少机械闲置时间，驾驶员也可以专注于机械驾驶，铲刀的控制工作由3D控制系统来实现，并能够在很短时间内精确达到最终的设计位置，对驾驶员的工作强度和技能要求大大降低。同时，任何设计上的更改都可以由驾驶舱中的机载计算机实现，施工后的结果也可以输出到项目办公室，实现了内外作业数据的实时无缝链接。使用徕卡3D控制系统，能够彻底改变传统的施工程序。经过实际工程项目的检验，使用徕卡3D控制系统，至少提高施工效率30。3D GPS控制系统的优越性使用徕卡3D GPS控制系统，直接把工程设计数据用于项目施工，减少了不必要的误差。GPS基站和施工机械之间不需要保持通视，特别适合大型土木工程项目。系统一次设置就可以保证连续施工。利用一个基站，能够同时控制多台设备，控制范围达到10km，还可以根据需要扩大控制范围。3D GPS控制系统能够全天候施工，不受天气和光线的影响。随着施工效率的提高，显著缩短工期。系统精确度高，能够节约大量施工材料，提高施工质量。徕卡3D GPS控制系统真正实现了无桩施工，大大减少了施工现场测量人员的工作量，同时GPS接收器还可以单独用于施工前后的现场测量工作，是全站仪之外的一个高端测量仪器。3D GPS控制系统在中国的应用前景徕卡3D GPS控制系统在美国、澳大利亚和欧洲许多国家的大型项目上都得到了成功的应用。目前，中国的施工机械生产厂家和施工企业都在积极地学习和引进最新的技术，对于GPS在工程机械领域的应用来说，目前还有一些实际的问题要面对。国内的施工机械厂家大都在努力的控制生产成本以降低价格保证市场份额，对于投资机械自动控制系统作为标准配置（这是3D GPS/TPS控制系统的基础）并没有很高的积极性，这就限制了3D技术普及的基础；对施工企业来说，由于我国的人力成本较低，相对于3D系统本身的价格，其节约的人力成本并不很显著，对于3D系统所提高的生产效率和精确度，广大施工企业还有一个逐步接受的过程。另外，在工程设计环节，很多项目并未完全采用数字化设计，这样在使用3D技术时存在一个原始设计资料数字化的过程，这也制约了3D技术的快速普及。随着工程计算机辅助设计CAD的广泛应用和数字地形模型（DTM）技术的发展，工程设计工作也正在向无图纸、数字化的方向发展，3D 机械控制技术正是顺应了这一发展趋势，是将来数字化施工的基础。可以预见，3D GPS控制系统必将成为今后机械自动控制的主流，并对工程施工产生深远的影响，其在工程机械方面的应用也将随着GPS和TPS（全站仪）的发展变得越来越广泛。装有GPS的工程机械将成为施工企业的得力助手GPS可以安装使用在任何种类的推土机、平地机、挖掘机及铣刨机等工程机械上，在修建公路、大面积的住宅和商业用地建设、开垦荒地、海岸建设以及设计复杂的大型高尔夫球场、水利大坝、机场及码头等等大中型的建设项目中，装有GPS的工程机械可以成为施工企业的得力助手。GPS控制系统的特点国外目前非常广泛的使用装备GPS控制系统的工程机械，使工程机械实现了真正的三维定位，工作效率大大提高，减少了重复工作及机械操作成本。主要特点如下：实现室内完全控制。在控制室内真正的3D显示及控制机械，非常显著的减少测量和土地平整检查工作，大大提高机械的利用率。在控制室内，操作手可以看到整个工地的土方平整度。没有达到设计要求的地方用不同颜色表示出来，使操作手无须测量人员的帮助，自己就清楚如何进行下一步的工作。操作手通过3D显示，导航机械，在无桩的情况下，准确知道机械是否在设计及施工范围内工作。加快工作循环。在最少的监测下，操作手自己知道下一步如何施工，减少很多不必要的工作环节，加快工作循环，节约时间，加快工期。减少重复工作。可在控制室内第一时间直接得到设计信息，并可据此直接更改设计不合理之处，减少重复工作，降低工作成本。改善材料利用率。精确的土方平整度，确保不浪费基层材料，大大提高收益。材料的节省直接反馈到经济效益。 实时数据交换功能。使用装有GPS的工程机械，在控制室内装有专用的控制箱和显示器，使用数据卡可以实时进行双向数据交换，接受任何软件设计的图纸到系统中。众所周知，传统工作方法的明显缺陷是人工处理和经常返工，测量、设计和建筑过程被分为不同的阶段进行处理，这导致了经常性的返工以及沟通与实施都非常缓慢的设计变更。使用装有GPS的工程机械实现了无放样坡度控制及导航，使建筑土方工程的工作方式发生了最为显著的变化。工程承包商在施工阶段能够认识到其带来的很多好处。应用了GPS系统，可以使土方搬运更加容易，生产效率高，平整土地效果好。使用双GPS天线，可以容易地实现工作铲刀的高程和横坡控制，可以测量精确的位置、刀片或铲斗的精确横向坡度和朝向。这对于使用带有角度刀片（6向刀片）的推土机以及具有复杂设计的表面，比如带有超高坡度的项目是非常有利的。GPS还可以非常容易的从一台工程机械移到另一台工程机械上，安装简单，使用灵活。GPS 3D真正实现了土地平整控制，实现了在室内设计和平整土地的实时数据交换。为了达到土地平整度更高的精度要求，可以把GPS和激光结合使用，这样能达到非常高的土地平整精度。而且GPS在自动化管理工程上有突出贡献，真正实现了实时交换数据。尤其在施工初期，在土方工作量非常大的情况下，GPS可以用来导航工程机械，实现完全遵守设计图纸情况下无桩施工，减少了很多的工作量。天宝公司GPS产品的特点在土方工程的作业方法中，最为革命的变革之一是1995年最初由天宝和 Spectra Precision（现在已经是天宝的一部分）提出的3D系统，也是GPS技术在工程及工程机械领域内应用的开始。天宝公司推出的GCS900产品，应用在各种工程机械上，主要功能是坡度控制及导航，该系统代表了新一代的3D系统。GCS900 坡度控制系统是一个全自动控制系统，它将设计表面、坡度和基准线都整合在驾驶室中。该系统使用天宝公司的MS980智能天线，安装到机械刀片的每一边上。系统可以达到2030 mm的坡度精度，还可以与激光技术结合应用在工程机械上，可以达到2-3mm的坡度精度。天宝公司采用的MS980智能天线是一个一体化的GPS 接收机和天线，具有最大的便携性和灵活性。这个坚固的智能天线是专门为艰苦的土方工程环境而设计的，其表现已经在矿山和建筑应用中得到了实际证明。MS980智能天线每秒多次计算它们的确切位置，内置的控制箱决定刀片的确切位置，并且将这些位置和设计进行比较以计算到设计坡度的挖方或填方。这些信息以剖面图、断面图或文字的形式显示在控制箱的显示器上。挖/填方数据也用来驱动阀门自动的进行刀片控制。在工地活动房屋上，GPS 电台网络是连接到互联网的，并接收上传的数据。基准站电台将其通过无线传输发送到工地上使用GCS900坡度控制系统的机械上。在机械上，CS900 驾驶室中的计算机接收到更新的数据，现场指挥或设计工程师告诉机械操作员可以拿到新的设计文档。操作员选择新的信息，设计变更在野外几分钟内就可以完成，而不是和过去一样需要几天的时间。GPS系统在国内工程机械领域的应用前景在国内目前装有GPS的工程机械产品几乎没有，不是该技术不成熟，天宝公司的GCS900可以安装在国内生产的工程机械上，如山推、彭浦的推土机，鼎盛天工、徐工的平地机，湖南矿工机械研究所自己开发研制的采盐机等等工程机械上。目前国内的应用水平属于初级阶段，有待人们的意识改变及经济的持续发展。作为该领域的厂家，天宝公司会更加积极、毫不懈怠的推广，帮助国内该领域的快速发展。 所以，国内将在各个工程领域内广泛使用安装GPS的工程机械，尤其在国家级的大型工程项中。随着自动化管理技术的普及，将更深入推动安装GPS工程机械的推广。链接：拓普康萨澳丹佛斯（TSD）推出针对TPS定位找平系统的G3芯片拓普康萨澳丹佛斯公司（TSD）是日本拓普康（TPS）公司和美国萨澳-丹佛斯（Sauer-Danfoss）公司在2001年成立的合资公司，是世界上惟一可以向主机厂提供全套行走液压控制和定位、找平系统集成的公司，在工程机械的定位及找平控制技术方面具有一定的优势。长期以来，TSD也致力于技术创新，以满足城市施工和道路、建筑工程中不断变化的需求。目前，卫星定位系统被广泛运用于地面测量和施工设备控制方面。当树木、建筑物或陡坡形成的