Постройка новых и ремонт существующих автодорог являются одной из важнейших задач развития большинства национальных экономик. Во всех странах мира, несмотря на популяризацию «экологически чистых» транспортных средств, постоянно увеличивается число автомобилей, растет объем перевозок грузовым автотранспортом, увеличиваются средние скорости движения. Большое внимание уделяется безопасности на дорогах.
Поэтому к строящимся и реконструируемым дорогам сегодня предъявляются высокие требования. Это высокая пропускная способность, капитальность и надежность дорожных одежд, ровность дорожного покрытия, установка сооружений безопасности и систем освещения.
В современной практике строительства дорог используется порядка сотни различных видов машин. Такое многообразие эксплуатируемой техники обусловлено:
- сложностью технологии строительства, реконструкции, ремонта и эксплуатации современных автодорог;
- большим многообразием работ по приготовлению, транспортировке, укладке, планировке, уплотнению, распределению разнообразных материалов: грунта, песка, щебня и их смесей, асфальтобетона, битума, полимерно-битумных композитов и пр.;
- необходимостью иметь в парке или арендовать машины различных типоразмеров.
Среди применяемой спецтехники — экскаваторы, скреперы, грейдеры, бульдозеры, канавокопатели, катки, асфальтоукладчики, подборщики и перегружатели асфальтобетонной смеси. И это, не считая парка самосвалов, других грузовых автомобилей, автокранов, поливомоечных машин, тракторов и многих других. А поскольку требования к современным дорогам высоки, то вся техника должна работать эффективно, обеспечивая выполнение требований проекта строительства с максимальной точностью и быстротой.
От вешек к лазерным нивелирам
Множество работ, например земляные работы, разравнивание грунта, сооружение откосов, планирование, долгое время проводились с использованием примитивных реперов и уровней — вешек, кольев с натянутыми струнами и тому подобных. Для геодезических измерений до сих пор часто применяются технические нивелиры. При этом бульдозерист или грейдерист выполняет срезание или подсыпку грунта, выравнивание поверхности на глаз, постепенно аккуратно достигая проектных отметок. Понятно, что качество работы зависит от его отношения к труду и от профессионального мастерства.
При геодезических измерениях на строительстве дорог обычно используются тахеометры и нивелиры. Задача геодезистов состоит в том, чтобы перед началом работы вынести в натуру и закрепить на местности вешки с указанными на них проектными отметками. После окончания работы техники необходимо выяснить, на каком пикете отметки отклоняются от заданных — в ту или иную сторону.
Большие сложности возникают при строительстве на косогорах, на склонах, когда должен быть выдержан продольный уклон дороги, предусмотренный проектом. В последнее время наряду с оптическими нивелирами активно применяется лазерная техника — лазерные нивелиры и построители плоскостей. Однако требуемого при сооружении современных дорог качества выполняемых работ по разравниванию и планированию земляного полотна, по устройству откосов можно достичь только тогда, когда сам оператор дорожной машины и контролирует ход работы, и оценивает ее результат. При этом он самостоятельно следит за выполнением задания, добиваясь необходимой точности и ориентируясь по показаниям приборов, а не полагаясь лишь на глазомер и на собственный опыт.
Автоматизация работы техники с помощью лазерной технологии
Лазерные нивелиры сейчас широко используются в различных областях строительства. Идея применения лазерной технологии на строительстве дорог в том, что используются не только излучатели, но и приемники лазерного излучения. Они устанавливаются на рабочих органах (отвалах) бульдозеров и грейдеров, а также на скреперах, асфальтоукладчиках, фрезах.
Лазерный нивелир устанавливается на штативе в удобном месте стройплощадки. Он создает проектную горизонтальную (при необходимости — и наклонную) поверхность. На строительной машине, обычно на телескопической мачте, монтируется приемник лазерного излучения. Таким образом определяется положение ножа машины относительно лазерной плоскости. Изменение положения приемника относительно неё позволяет точно определить величину смещения отвала по отношению к проектной поверхности земляного полотна. Точность фиксации лазерной плоскости — до 1 мм.
Для построения лазерной плоскости используются лазерные нивелиры. Приемники, устанавливаемые на мачтах, оснащаются фотодиодами, закрепленными по кругу. Это гарантирует фиксацию лазерной плоскости с любой стороны — «угол зрения» такого приемника 360º. Приемник соединен с простым индикативным устройством. Если лазерная плоскость находится на заданном уровне, грейдерист или бульдозерист видит зеленый огонь, если нет — загорается красный огонь. Если лазерная плоскость выходит за пределы видимости аппаратуры, приемник показывает направление, куда нужно перенести лазерный нивелир.
Это самая простая модификация лазерной системы. Более сложная предполагает установку контроллера и специального интерфейса, который сам управляет работой механизмов. Эти системы выпускаются производителями геодезического оборудования Geodimetr, Leica Geosystems, MOBA, Spectra Precision, Trimble, Topcon. В качестве примера можно рассмотреть систему для автоматического управления грейдерами MOBA GS-506 — простую, но эффективную. Оборудование МОВА производится немецкой компанией MOBA Mobile Automation AG.
Система включает такие элементы:
- Лазерный нивелир — построитель плоскости. Возможно использование фактически любого лазерного нивелира, проецирующего плоскость на большое расстояние — до 300 м.
- Приёмник лазерного луча LS-3000. Работает со всеми распространёнными ротационными лазерными излучателями, например, излучателями красного света (гелий, неон) или инфракрасными.
- Датчик продольного уклона на базе жидкостного сенсора. Он считывает показания уклона отвала и всего грейдера.
- Контроллер, принимающий показания от датчика продольного уклона.
- Бортовой компьютер, анализирующий продольный профиль трассы и обрабатывающий показатели контролера.
- Блок управления цилиндрами, управляющими отвалом (ножом) грейдера.
Кроме того, грейдер оснащается ультразвуковым датчиком MOBI Sonic-Ski, который измеряет расстояние до поверхности земли с точностью до 2 мм.
Системы автоматизированного управления техникой 3D
В этих системах осуществляется контроль за работой дорожно-строительной техники не только в профиле, но и в плане. То есть определяется не только положение её рабочего органа — отвала бульдозера или грейдера, ковша скрепера и так далее, но и производится определение его плановых координат. Эти системы кроме лазерных систем используют спутниковую навигационную аппаратуру или роботизированные тахеометры. Для обработки результатов также используется бортовой компьютер. В отличие от 2D-систем, в данном случае в компьютер вводится заданная проектом цифровая модель всей поверхности (площадки).
В настоящее время полнофункциональные решения по управления строительной техникой с высокоточным 3D-геодезическим контролем предлагают две компании — Topcon и Trimble. Появились также гибридные решения, объединяющие описанную выше систему MOBA с GPS-аппаратурой разных производителей. Система mmGPS от Topcon mmGPS — это система автоматического управления дорожно-строительной техникой, состоящая из двух подсистем — лазерного нивелирования с контролем положения отвала и GPS-позиционирования в режиме RTK. Контроль планового положения машины происходит с помощью GPS-приемников Topcon.
Базовая станция, оснащенная радиомодемом, устанавливается на стройплощадке или на строящемся участке дороги. Роверный приемник с GPS-антенной на мачте и с радиоантенной закрепляется на машине. Даже в неблагоприятных условиях положение бульдозера и грейдера можно контролировать с точностью 2-3 см. Точность измерений по высоте, которые производятся с помощью лазерного оборудования, составляет ±2...4 мм. В комплект системы Topcon mmGPS входят лазерный нивелир PZL-1, мобильный датчик PZS-1 на обычной вехе или штативе и мобильный датчик PZS-MC, установленный на машине (PZS-MC и GPS-антенна могут закрепляться на одной мачте).
Ширина зоны распространения вращающегося лазерного луча от прибора PZL-1 — 300 метров. На протяжении строящегося участка дороги можно расположить 3-4 нивелира, увеличив рабочую зону до одного километра. Бульдозер, грейдер или скрепер оборудуются также датчиками продольного и поперечного уровня и вращения рабочего органа (отвала, ножа, ковша). Управление им производится с помощью контроллеров на гидравлических клапанах, получающих команды от бортового компьютера. Компьютер System Five 3D устанавливается в кабине машиниста.
Машинист производит необходимые операции — укладку материала, разравнивание, планировку, — руководствуясь показаниями на дисплее, а не по шашкам нивелирной рейки или другим ориентирам. Как правило, для «грубого» достижения проектной отметки на ровной поверхности достаточно одного прохода машины. Далее оператор, руководствуясь показаниями компьютера, осуществляет уже точное достижение проектного уровня. Бортовой компьютер системы использует показания GPS-приемника, датчиков наклона и поворота отвала (ножа) для вычисления положения и текущего уклона лезвия. Эти данные сравниваются каждый раз с проектными данными, пока они не совпадут.
Ультразвуковые датчики высоты
При укладке дорожного покрытия одним из критических показателей является ровность. Ровность, достигнутая при строительстве и укладке дорожного покрытия, определяет в дальнейшем безопасность и комфорт при езде, исправность ходовой части автомобилей и долговечность самого дорожного покрытия.
Современные дорожные машины — бульдозеры и грейдеры, а также катки, асфальтоукладчки, планировочные фрезы — обязательно комплектуются ультразвуковыми датчиками высоты. Их устройство, типы и модификации — это отдельная тема, выходящая за рамки предмета геодезии. Отметим лишь, что одни из наиболее известных и точных датчиков поверхности выпускаются немецкой фирмой MOBA Mobile Automation, о которой уже говорилось выше. Например, MOBA G-176 измеряет высоту до физической поверхности с точностью ±2 мм. MOBA Sonic-Ski — это пять датчиков, установленных на одной платформе типа «лыжа». Эта же фирма выпускает индикаторы уклона поверхности.
В то же время, асфальтоукладчики и дорожные фрезы пока не оснащаются ни 2D-, ни 3D-cистемами автоматического управления (исключение — дополнительная опция в системе Trimble ScreedPro). Основными приборами на них являются именно датчики высоты, получающие исходные данные от существующей поверхности, бордюра и специально натянутой струны. С другой стороны, Topcon и Trimble включили ультразвуковые датчики и в свои 3D-системы автоматического управления дорожной и строительной техникой и даже разработали собственные модели этих устройств. Так, Topcon оснащает дорожные машины ультразвуковыми датчиками II TM или 9-метровой «лыжей» с четырьмя датчиками ІІ TM Smoothtrac.
Возвращаясь к асфальтоукладчикам, необходимо упомянуть систему Trimble ScreedPro. Используя ультразвуковую и лазерную технологии, она автоматически контролирует высоту и уклон выравнивающей плиты асфальтоукладчика, что обеспечивает точность распределения асфальтобетонного покрытия и его соответствие проектной толщине. Ультразвуковой датчик Tracer Plus монтируется на краю плиты и измеряет расстояние до опорной поверхности, например, бордюрного камня, натянутой струны или предыдущего слоя покрытия. Если измеренное расстояние отличается от исходного, то посылается сигнал гидравлической системе машины на изменение положения выравнивающей плиты, позволяя сохранить определенную толщину слоя асфальта.
Датчик уклона CSM-30 устанавливается на поперечную балку выравнивающей плиты и непрерывно определяет и корректирует её поперечный уклон. Вместо датчика уклона CSM-30 на асфальтоукладчик можно установить LM-25, который кроме определения уклона позволяет подключить к системе лазерный приёмник, что исключает необходимость натягивания струны на прямолинейных участках дорог. Для этого устанавливается лазерный нивелир.
В заключение остается добавить, что лазерные системы управления строительной техникой относительно недороги: комплектование одной машины обходится примерно в 3000–4000 евро, включая стоимость лазерного нивелира и бортового компьютера. Внедрение решений типа Trimble BladePro 3D или Topcon mmGPS подразумевает покупку GPS RTK-систем или роботизированных тахеометров, а это существенно удорожает стоимость всего комплекса. В то же время, статистические данные американских специалистов, основанные на анализе 1400 проектов, говорят о том, что стоимость подготовки площадок при внедрении автоматических систем управления машинами снижается на 56%, а расходы на горючее — на 68%. Кроме того, эти системы позволяют намного повысить качество выполнения работ.