基于北斗RTK的碾壓監控系統應用解決方案
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上海司南衛星導航技術股份有限公司
1、緒論
壓實是道路施工作業的一個重要組成部分，壓實質量對道路的安全與壽命有著決定性的影響，有效的壓實能夠顯著的提高路基的承載能力和穩定性，防止滲透，消除沉陷。
在目前的壓路機作業過程中，主要依賴操作人員的工作經驗，容易出現漏壓、過壓的情況。通常，在完工后，還需要采用點抽檢的方法，進行壓實路面的密實度檢測。這樣的工作流程存在檢測周期長、檢測結果不能真實反映全路段壓實質量的現實問題。
基于北斗RTK的碾壓控制系統可以使工作人員在壓實過程中實時檢測壓實狀況，控制壓實質量，從而保證路基路面在最少碾壓遍數下得到充分壓實，可有效地避免欠壓和過壓等現象的發生。這樣既能節省人力，縮短工期，又可以在保證施工質量的基礎上加快施工進度，具有明顯的社會效益和經濟效益。
2、系統介紹
基于北斗RTK的碾壓監控系統進行定位的方式為實時動態(Real Time Kinematic-RTK)測量定位，其定位精度可達到1.5cm，RTK是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術，是測量技術發展中的一個新的突破。
在實際應用中，監控中心安裝了基于北斗RTK的碾壓監控系統的監控平臺軟件可以遠程監視建筑工程壓路機工作狀態和碾壓質量。該監控平臺軟件可以實時獲取當前壓路機的工作狀態和工作面的壓實信息。監控中心可根據壓路機的實時信息以及工作狀態，對工程機械進行實時的調度、監控、管理等工作。對出現的問題，進行實時糾正管理。并根據軌跡回放，整體控制施工進度和施工質量。
壓路機駕駛員也可以根據安裝在駕駛室中液晶顯示屏實時獲取當前工作面的高程值，掌握碾壓層是否達到規定的壓實度要求，可有效的避免出現過壓和欠壓現象的發生，避免了現有工藝中不論土質類型如何一律必須壓實若干遍的情形，提高鋪層材料的均勻性，避免粗骨料的破碎，提高整個壓實作業的效率，降低了駕駛員的勞動強度。同時壓路機駕駛員還可以從駕駛室中的液晶屏獲取車輛的運行軌跡、速度、壓實次數等信息。及時了解當前工作面的壓實情況，平整度等信息。
質量控制的自動化也能使經驗不足的司機獲得很好的壓實質量，從而降低了能源消耗，既可節省時間，又可提高工程質量，充分體現出實時檢測的優越性，系統的數據處理、分析等工作均在監控中心的 PC 機上進行，也可以直接送入大容量的數據存儲器，以留作檔案或做進一步處理。
3、系統組成
基于北斗RTK的碾壓監控系統由軟件系統與硬件設備兩部份構成，軟件系統又可以分為平臺調度軟件和車載終端軟件。
3.1 平臺調度軟件
安裝在監控中心的平臺調度軟件可以及時的獲取壓路機的工作狀態以及當前工作面的狀況，對工程的進度和工程的質量進行宏觀的調控。
平臺調度軟件主要可以實現的功能包括：
1、可以通過圖像分析技術實時分析碾壓遍數。主要可以進行總碾壓遍數的統計、任意時間段范圍內的碾壓遍數統計。采用實時分析，可對任一部位的碾壓遍數進行查詢，具有分析精度高，速度快，計算準確等特點。
該功能實現的原理為將RTK動態測量的數據導入監控中心的PC機上，A 點為參考站，M點為流動站，求出A點的坐標后，固定 A 點的坐標不改變，解算M點連續位置，得到M點每秒一次的三維坐標及時間信息，據此，可以描述出碾壓軌跡圖，碾壓倉面的三維地形模型以及碾壓遍數圖。
2、該平臺調度軟件可以對壓路機的運行軌跡進行實時的記錄，防止工作面產生過壓和漏壓的現象。
在平臺調度軟件中，得到移動站M 點的連續軌跡點坐標后導入軟件即可得到碾壓軌跡圖，同時，亦可將其坐標導入 EXCEL 表中進行處理。
3、平臺調度軟件可以對碾壓后的工作面平整度進行計算，判斷當前工作面是否達到設計要求。
路面平整度指的是路表面縱向的凹凸量的偏差值，是路面評價及路面施工驗收中的一個重要指標，主要反映的是路面縱斷面剖面曲線的平整性。當路面縱斷面剖面曲線相對平滑時，則表示路面相對平整，或平整度相對好，反之則表示平整度相對差。好的路面則要求路面平整度也要好。路面平整度是評定路面質量的主要技術指標之一，它關系到行車的安全，舒適以及路面所受沖擊力的大小和使用壽命。
4、平臺調度軟件除了可以實時監控碾壓的實際情況外，對所有的監控數據都進行了備份和存儲，事后可以對碾壓過程進行回放，作為施工效果的評價和后分析評價的依據。
5、平臺調度軟件可以與車載終端軟件實現雙向通信，共享信息的同時指揮和管理機械進行施工。
6、生成分析報告，可根據每個工作面的實際工作情況生成分析報告。
3.2 車載終端軟件
安裝在壓路機工作平板上的車載終端軟件是專為操作機械的施工人員所定制的，該車載終端軟件主要用于使機械操作人員了解當前施工機械的位置、速度信息，以及及時的獲取當前工作面的狀態和接收監控中心發來的施工指令。
車載終端軟件所具有的功能主要包括：
1、引導司機進行施工，通過碾壓軌跡記錄，指導壓路機進行碾壓施工。該功能實現原理與監控中心軟件一致。
2、機械操作人員可以通過車載終端軟件獲取當前壓路機的行進速度，實現對壓路機速度的控制，進一步控制工作面的壓實質量。
該功能的計算原理是通過車載終端軟件處理得到的M點坐標及其時間信息，可以求出 M 點每個時刻的速度。設相臨兩個時刻 t1 和 t2 的 M 點點位坐標為 P1 ( x1 ， y1 ， h1 )和 P2 ( x2 ， y2 ， h2 )，則距離
P1P22= ( x1- x2 )2 + ( y1-y2)2 + (h1-h2)2
因為數據采集時間間隔為1 秒，即 $t=t2-t1=1；所以，碾壓速度 v=P1P2/$t
由于這種方式計算的速度突變比較厲害，與實際情況并不相符合，所以，在這里采用了一種平滑方式，如將前6秒的速度取平均作為其即時速度。可以時間作為橫坐標軸，速度作為縱軸，繪制數據的碾壓速度圖。
3、以圖像的形式記錄碾壓機的實際碾壓次數和碾壓軌跡圖。避免過壓和欠壓情況的發生。
4、記錄當前工作面的高程以及當前工作面的平整度，方便機械操作人員查看自己的工作是否滿足質量要求。
5、接收平臺調度軟件發送的指令，根據指令進行施工。
3.3 硬件設備
構成基于北斗RTK的碾壓監控系統的硬件部分主要包括構成基準站與移動站的司南導航自主研發的M300GNSS接收機全套設備以及工業平板電腦等設施。
3.3.1 基準站
基準站是為了提高系統的監控精度而設置的，在一般情況下，為便于供電，管理和維護，基準站應建立在監控中心，為確保監控精度，基準站與施工區的距離應控制在5~6km范圍內。
本系統基準站是由M300GNSS接收機+UDL電臺構成，司南導航M300 GNSS接收機采用自主知識產權BDS+GPS雙星五頻GNSS模塊，為GNSS產業革命性產品，其GPS+BDS跟蹤能力，增多跟蹤衛星數量，增加多余觀測量提高解算精度，特別是北斗衛星導航系統組網衛星的不斷增多，可用性與可靠性不斷加強；北斗衛星導航定位系統的獨有功能，5顆地球同步衛星，可大大降低接收機跟蹤衛星的PDOP，提高解算精度。其單點定位精度小于1.5米，RTK定位精度可達到1.5cm，完全可以滿足日常施工要求。
UDL電臺使移動GPS接收機和基準站GPS接收機數據，通過相同頻率進行數據通訊傳輸，實現系統實時動態的精準定位。
3.3.2 移動站以及平板電腦
安裝在碾壓機械上的流動站，主要由系統集成機箱，M300GNSS接收機以及測量天線和無線通訊天線組成。移動站的主要作用在于進行移動觀測，其觀測項目主要是碾壓機械的運行軌跡、運行速度、碾壓遍數和壓實度，并將有效的觀測結果連續、實時地反饋到平板電腦和監控中心。
4、測試及結論
為了驗證基于北斗RTK的碾壓監控系統在運行中的穩定性、可靠性、準確性，確保其能夠按系統設計的預期目的可靠運行、我們在實際項目中對該系統進行了現場驗證。
通過該項目的現場認證，采集到了比較實用可靠的實驗數據，通過對數據大量統計分析得出如下結論：
·系統軟硬件是可靠的，在多次不同環境測試過程中沒有出現任何問題。
·本系統采用了RTK定位技術，其平面定位精度為1.5cm，足以滿足日常施工的精度要求。
·可以完整記錄壓路機的運行軌跡、以及統計碾壓遍數，有效的避免了過壓和欠壓現象的產生。
·可以及時的獲取當前工作面的高程和機械的速度信息，引導機械操作人員施工。
·對于施工過程中的平整度控制，由于沒有具體要求，沒有現成的檢驗標準，只取得了視覺上的平整。
·可以較好的實現車載終端與監控中心的雙向通信，及時的解決施工過程中遇到的問題。
通過本次試驗，基于北斗RTK的碾壓控制系統相比傳統的施工方法有著明顯的優勢。系統應用穩定性強，提高了施工進度，大大節省傳統人力物力。而且無需測量人員和輔助施工人員，縮減人力成本和管理成本。以圖形、數值等多種方式顯示實際施工偏差，引導操作手精確施工，縮短工期。通過及時有效的信息傳遞，有效的避免了二次施工現象，避免了資金浪費，使企業以及承包商的利益最大化。
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