Исследование возможности 3D системы Автоматического Контроля при выполнении дорожно-строительных работ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 526.9 (07)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ 3D СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Артем Игоревич Шушпанов

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: artem.shushpanoff@mail.ru

Ольга Газисовна Бесимбаева

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, кандидат технических наук, тел. (7212)56-26-27, e-mail: bog250456@mail.ru

Гульнара Ергалиевна Жунусова

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, кандидат технических наук, тел. (7212)56-26-27, e-mail: lena_gulya@mail.ru

Маржан Базарбаевна Игемберлина

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, ст. преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, магистр тех. наук, тел. (7212)56-26-27

В статье рассмотрен вопрос создания и применения 3D модели участка дорожного полотна в Системах Автоматического Контроля для выполнения дорожно-строительных работ.

Ключевые слова: системы автоматического контроля, цифровая модель, моделирование, программное обеспечение.

RESEARCH OF THE OPPORTUNITIES OF 3D SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL FOR A MOTORGRADER

Artyom I. Shushpanov

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, master student of Mine survey and geodesy department, 1еХ. (7212)56-26-27, e-mail: artem.shushpanoff@mail.ru

Olga G. Besimbaeva

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, associate professor of Mine survey and geodesy department, cand. tech. sci., 1еХ. (7212)56-26-27 e-mail: bog250456@mail.ru

Gulnara E. Jhunusova

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, associate professor of Mine survey and geodesy department, cand. tech. sci., td. (7212)56-26-27, e-mail: lena_gulya@mail.ru

Marjane B. Igemberlina

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira avenue, a senior lecturer of Mine survey and geodesy department, mag. tech. sci., tel. (7212)56-26-27

The article discusses the creation and use of 3D models section of the roadway in the automatic control system to perform road construction works.

Key words: systems of automatic control, digital model, modeling, simulation software.

Создание и использование трехмерной модели дороги в Системах Автоматического Контроля для строительной техники значительно повышает эффективность и точность выполнения дорожно-строительных работ. В статье рассматривается вопрос об использовании и внедрении Систем Автоматического Контроля и трехмерной модели участка трассы Республиканского значения «Астана-Павлодар» в производство дорожно-строительных работ.

В связи с постоянным ростом требований к качеству и скорости производства дорожно-строительных работ возникает необходимость внедрения современных технологий и методов строительства. В конечном счете, качество строительства линейных сооружений определяется точностью их возведения. Сегодня строители всего мира активно применяют современные 3D Системы Автоматизированного Управления для обеспечения автоматизации всех этапов дорожно-строительных процессов. Главным плюсом использования 3D Систем Автоматического Контроля для Автогрейдеров является возможность обеспечения автоматического контроля рабочего органа машины.

Автоматический контроль ножа Автогрейдера достигается путем интегрирования специальных сенсоров в гидравлику и электрическую проводку машины, установки и использования специального бортового компьютера, а также использования внешнего геодезического оборудования.

Для корректной работы 3D Систем Автоматического Управления необходимо создать трехмерную модель участка работ. На основе этой модели, бортовой компьютер машины производит сравнение текущего (фактического) положения режущей кромки рабочего органа машины с проектным. В результате этого сравнения, бортовой компьютер посылает сигнал в гидравлическую систему машины, меняя положение рабочего органа в соответствии с проектом. Наиболее удобной и эффективной программой создания трехмерных моделей линейных объектов для Систем Автоматического Управления, является программа Trimble Business Center (TBC).

Для разработки трехмерных моделей проектов и участков работ разработана специальная версия программного обеспечения TBC - Trimble Heavy Civil Construction. Отличительной особенностью этой версии программы Trimble Business Center является появление функций, специально предназначенных для быстрого и эффективного построение коридоров линейных объектов, а также упрощенное создание поверхностей. Также в программу было добавлено несколько модулей для конвертации трехмерных моделей участков работ в файлы, предназначенные для осуществления Автоматического Машинного Контроля.

Трехмерная модель участка работ должна содержать проектные пространственные координаты дороги (X,Y,H). В качестве основы для создания 3D модели (коридора) дороги достаточно иметь следующие данные: координаты оси дороги (X,Y,H), горизонтальный угол наклона проезжих частей дороги и ширину дороги [1].

Для начала создания трехмерного проекта линейного объекта необходимо загрузить координаты оси (X,Y,H) дороги в программное обеспечение Trimble Business Center. Для этого первоначальные проектные данные конвертируются в файл с расширением CSV с разделителем запятая. После этого преобразования координаты дороги должны быть разделены запятыми, а десятые доли координат - точками (рис. 1).

Frie Edrt Format View Heip

¡T17. 2 , 5693922. 04,4310106. OS, 327. 97 Ftpl6, 5694137. 70,4310347. 97, 323. 56 TIB.1,5694371.92,4310557.00,320.40 TIB.2,5694674.01,4310646.16,317. 20 Rpl9,5694669. 04,4311071. 03,315. 33 T19.1,5695120.59,4311273.39,314. 29 T19. 2,5695426.71,4311560.47,313.26 Ftp20, 5695640. 36,4311793. 63, 312. 79 T20.1,56956BO.69,4311997.46,312.34 T20.2,5696176.70,4312300.46,311. 52 Ftp21, 5696375. 91,4312540.19, 311.46 T21.2,5696510.76,4312719.40,310.26 T21.1,5696739.26,4313047. 95,311. 33 Rp22, 5696910. 37,4313335. 29, 309. 54 T22.2,5697090.96,4313563. 66,307. 94 T22.1,5697252.76,4313633.94,309. 03 Копа,5697422. 07,4314156.70,306.65

Рис. 1. Преобразование координат оси дороги

После импорта проектных данных и проверки их корректности необходимо создать ось дороги. Для этого все импортированные точки необходимо объединить с помощью ломаной линии (рис. 2). В ходе объединения точек на экране отображаются их высотные отметки.

После создания оси дороги, необходимо построить разбивочный элемент. Важным этапом создания разбивочного элемента является сегментация ломаной линии (оси дороги) в плане и по высоте. Сегментация означает присвоение разбивочному элементу пространственных координат (Х,У,И) соответствующих проектных точек (пикетов). Созданный разбивочный элемент будет служить осью для трехмерной модели поверхности. В дальнейшем от разбивочно-го элемента строится коридор дороги.

Коридор представляет собой 3D-модель линейной структуры, такой как дорога или водный путь. Коридор основан на разбивочном элементе и включает в себя шаблоны, которые определяют поперечные профили линейного объекта на всем протяжении коридора. Шаблон коридора создается путем использования инструкций, необходимых для построения поперечников линейного объекта.

Рис. 2. Создание оси дороги

Проектная 3D модель участка дороги, использующаяся для машинного контроля должна содержать следующие элементы: проезжую часть, уклон, ось линейного сооружения, обочину. Все эти элементы создаются с использованием различных типов инструкций. На данный момент в программе Trimble Business Center существует 8 типов инструкций: Смещение/Уклон, Смещение/Отметка, Откос, Уклон/Уклон, Уклон/Отметка, Соединиться, Возвышение и Поверхность [2]. Каждая из этих инструкций определяет способ построения различных частей дорожного полотна. Следует отметить, что в одном трехмерном проекте линейного сооружения можно создать все конструктивные слои дорожной одежды и земляного полотна. После использования необходимых инструкций и создания всех шаблонов земляного полотна, программа TBC автоматически создает трехмерную модель участка дороги [3] (рис. 3).

: Файл Редактировать Вид Проект Выбрать Точка Линия Поверхность Коридор Тоннель Черчение Изображение Подготовка данных Расчет Перемещение землян ой массы План ! Сервис ТСС Окно Справка

1| Смещение/Укпон | 1 »- hjui | 2 -10,000 м|% -2,00'/.| | | Закончить"

1 Смещетк'Уклон | ■ :, j 3 |1£ 1 1,000 и|% -2.00*4 |з_

1 СмещекнеЮ™. 1 - Ц, 4 ||£ 0.000 м|Д Д-О.ЛИм 1

IE—« 5 U. ■■ 12.000 м|% -2.00% щпцс

"1 Соединиться | 3 S 1

Рис. 3. Трехмерная модель участка дороги Далее созданный проект послойно конвертируется в специальные файлы формата .cvd и х^, предназначенные для загрузки в бортовой компьютер Систем Автоматического Контроля [2]. Основываясь на данные этих файлов, а

также на информацию, получаемую от внешнего геодезического оборудования, осуществляется работа Систем Автоматического Управления.

В 2014 году, на Автогрейдер Caterpillar 160K, принадлежащий компании «Казахдорстрой» была установлена Система Автоматического Контроля. Автогрейдер работал на строящемся участке трассы I категории «Астана-Павлодар». Протяженность участка - 20км, количество полос - 4, тип дорожной одежды -бетонное покрытие. В ходе реконструкции данного проекта у компании «Ка-захдорстрой» возникли проблемы с точностью работы Автогрейдера, а также с недостаточным объемом выполняемых работ данной машиной за смену. Главным фактором, ограничивающим производительность машины, являлось низкое качество геодезической поддержки данной машины. В среднем, на проведение нивелировочных работ и выставление разбивочных кольев, у полевой бригады геодезистов уходило около 3-4 часов в день. Соответственно в течение этого время Автогрейдер простаивал без работы. Для решения этих трудностей, было решено использовать Систему Автоматического Контроля. Главным преимуществом данного оборудования является отображение на экране бортового компьютера высотных отметок проекта в режиме реального времени. А это значит, что промежуточная нивелировка и выставление разбивочных кольев больше не требуются. Таким образом, время необходимой геодезической поддержки работы Автогрейдера сократилось до 30 минут в день, что практически полностью исключило проблему простоя машины.

По результатам внедрения 3D Системы Автоматического Управления на участок дороги «Астана-Павлодар», производительность Автогрейдера на различных конструктивных слоях дороги выросла на 200%, в то время, как точность выполнения профилирования увеличилась в 2 раза, а именно с ± 3см до ± 1,5 см.

Внедрение современных Систем Автоматического Управления в процесс строительства линейных сооружений, увеличивает качество и скорость проведения всех этапов строительных работ, а также практически полностью автоматизирует работу строительной техники, тем самым практически полностью, исключая вероятность «человеческого» фактора.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Техническая инструкция // Авторское право от 2010 года компании Trimble

2. Программный комплекс для промышленного и гражданского строительства // Авторские права Trimble, 2010.

3. Бесимбаева О. Г., Хмырова Е. Н., Бедарев А. С. Исследование возможности 3Д моделирования для маркшейдерского обеспечения ведения горных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). -Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 178-184.

© А. И. Шушпанов, О. Г. Бесимбаева, Г. Е. Жунусова, М. Б. Игемберлина, 2015