CC BY
5
Б01 10.36622^Ти.2023.19.2.002 УДК 625.7
ПРОБЛЕМАТИКА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В.Л. Бурковский, И.Н. Волков
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: дороги являются важной частью экономической составляющей страны, поэтому их строительство и эксплуатация крайне необходимы. Имеются недостатки и в качестве асфальтобетонных покрытий. Рассматриваются специфика и проблематика технологических процессов по производству и укладке асфальтобетонной смеси, а также приводится структура систем управления в дорожном строительстве. Рассматривается схема по устройству дорожного покрытия, где описывается каждый этап, а также изучаются различные факторы и проблемы, которые могут повлиять на технологический процесс и рабочие моменты. Основной характеристикой готового асфальтобетонного покрытия является коэффициент уплотнения, который в результате всех технологических процессов должен совпадать с нормативным значением. У каждого технологического этапа выделен входной и выходной контроль. Все процессы идут линейно, без завершенного предыдущего этапа нельзя начать следующий, что является одной из главных проблем. Изложенный в работе теоретический материал может быть использован для создания интеллектуальной системы по управлению технологическими процессами в дорожном строительстве. Такая система очень важна для того, чтобы значительно улучшить качество асфальтобетонного покрытия, уменьшить сроки и стоимость работ
Ключевые слова: управление, дорожное строительство, входной и выходной контроль, технологические процессы, асфальтобетонная смесь, коэффициент уплотнения, структура систем управления
Введение
Одной из главных проблем дорожной отрасли является плохое качество асфальтобетонных покрытий, а также их недостаточное количество. Недостатком является и небольшой срок службы покрытия, что обусловлено высокой разновидностью качества асфальтобетона. Низкое качество асфальтобетонных (а/б) покрытий связано с разными причинами, например, множество изменений нельзя контролировать во время транспортировки смеси [1]. Также очень нестабильны параметры при укладке и уплотнении смеси. Имеются и значительные проблемы по управлению технологическими процессами дорожного строительства, которые обозначены в статье. Дороги являются важной частью экономической составляющей страны, поэтому эта проблема очень актуальна. Данная статья носит обзорный характер и по большей степени опирается на уже имеющиеся исследования и публикации по тематике работы. Целью статьи является анализ проблем и разработка теоретических основ по построению интеллектуальной системы по управлению технологическими процессами в дорожном строительстве.
Специфика технологических процессов в строительстве асфальтобетонных покрытий
Рассмотрим технологию строительства а/б покрытий, их специфику и проблемы. Главной целью является качественное выполнение работ при минимальных затратах. Структура строительства а/б состоит из четырех технологических процессов: подготовительного, транспортного, укладки смеси, контроля при приеме покрытия. В статье обозначены технологические процессы в дорожном строительстве и показана взаимосвязь между ними. Процессы идут линейно, без предыдущей технологической операции, невозможна следующая. Главной проблемой является то, что при несоблюдении условий предыдущего процесса, невозможно сделать следующий этап.
Каждый период влияет на комплекс свойств покрытия [2]. Чтобы каждый период отвечал необходимым требованиям, важно составить правильный технологический процесс дорожного строительства. Необходим системный подход, который можно разделить на более мелкие части. Это будет являться начальным этапом к созданию интеллектуальной системы по управлению и укладке асфальтобетонной смеси.
© Бурковский В.Л., Волков И.Н., 2023
Технологический процесс
1 Подготовительные и производственные операции
В ходи 011 контроль качества исходных материалов
Технологическая подготовка (проверка) АБЗ
Приготовление смеси
Хранение смеси и накопительном бункере и отгрузка
2 Транспортные операции
Загрузка смеси в транспортное средство
Оформление паспорта
Транспортирование смеси
Выгрузка смеси в асфальтоукладчик
3 Операция формирования покрытия из смеси
Подготовка основания
Укладка смеси
Соединение полос и уплотнение смеси
Устранен I [е дефектов
Нарезка деформационных швов
Приемочный контроль качества покрытия
Рис. 1. Структурная схема технологического процесса строительства асфальтобетонного покрытия
На рис. 1 показан технологический процесс по укладке асфальтобетонной смеси, выделим его специфику и проблематику. Первым структурным этапом являются подготовительные работы. Проверяется качество исходных материалов согласно ГОСТ 9128-2013, а также проходит технологическая подготовка асфальтобетонного завода (АБЗ). АБЗ - это комплекс производственных сооружений, зданий, машин, предназначенных для изготовления асфальтобетонных и битумоминеральных смесей, используемых при строительстве и ремонте асфальтового покрытия. Затем готовится смесь, после чего хранится в накопительном бункере. Входным контролем является подготовка мате-
риалов, подбор состава асфальтобетонной смеси. Выходом первого этапа является готовая смесь с температурой до 160 °С. В приготовлении а/б смеси имеется множество проблем. Например, всегда нужно иметь необходимое количество материалов для приготовления а/б смеси и осуществлять контроль за их характеристиками непрерывно. Первый технологический процесс завершен, когда готовый материал поступает в автомобиль-самосвал или другую машину по перевозке смеси [3]. Вторым этапом является транспортировка готовой смеси. Сначала смесь загружается в специальные машины, где контролируется температура при каждой погрузке. При погрузке смеси в автомобиль-самосвал выписывают паспорт установленной формы. В нем отмечают вид смеси, дату и время погрузки, температуру и количество смеси. Доставка а/б смеси не должна быть более 1.5 часа, при температуре воздуха свыше 10°С. При приезде автомобиля-самосвала к месту укладки асфальтобетонной смеси смотрят присутствие товарно-транспортной накладной, дату и время отправления смеси, ее паспорт с указанием вида, типа и марки, массы и температуры, а также наличие отметки о соответствии смеси требованиям технических условий согласно ОДМ 218.3.102-2017.
Смесь осматривается визуально. Контролируется ее однородность, рыхлость. Она не должна липнуть к автомобилю. Затем производится транспортировка с выгрузкой на асфальтоукладчик [4]. Входным контролем является готовая асфальтобетонная смесь, документы и наличие необходимых дорожных машин для ее транспортировки. Выходом является наличие смеси с правильным составом и правильной температурой на дорожно-строительной площадке.
В третьем этапе сначала готовится основание, затем производится укладка смеси. Дальше происходит соединение полос и уплотнение смеси. В конце устраняются все недостатки. Дефекты а/б слоев покрытия делят на два вида: связанные с техническим состоянием оснащения и вызванные характеристиками а/б смеси. При втором варианте проблему обычно устраняют внесением поправок в структуру смеси или в процесс ее приготовления, хранения и транспортирования. Некоторые дефекты могут быть связаны с оснащением и свойствами сме-
си одновременно. Недостатком является то, что выделить их в приоритетным порядке очень сложно.
Затем происходит нарезка деформационных швов. В процессе нарезки деформационных швов рекомендуется систематически контролировать соответствие получаемых геометрических размеров конструктивных элементов це-ментобетонных покрытий.
Входным компонентом третьего этапа является горячая смесь, достигающая температуру до 140-160 °С, а выходным - готовая дорожная одежда с заданным профилем, ровностью и коэффициентом уплотнения Ку, который представляет собой отношение полученной плотности к соответствующей стандарту плотности, найденной на стадии подбора смеси. Коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси находят по формуле
Ку-
раг
ра ''
(1)
где ра! - это средняя плотность, а ра -действительная плотность образцов асфальтобетона по ГОСТ 12801-98, г/см3.
Нормативное значение Ку - это 0,95-0,99.
Входным этапом структурной системы четвертого этапа является готовая дорожная одежда. А выходным: дорога, отвечающая всем требованиям и всем стандартам.
Такие технологические процессы, как уплотнение смеси, укладка покрытий, это очень специфичный процесс из-за громадного количества причин, влияющих на всю систему. Например, на качество асфальтобетонной смеси влияют такие факторы, как разные вариации соотношения крупного заполнителя и мелкого заполнителя; производственные факторы (например, сушка песка в сушильном барабане). Также огромное влияние имеют факторы транспортировки [5]. В России у разных заводов, разные технологии производства, оборудования, а также разное нахождение месторождений. Поэтому в каждом случае разная дальность транспортировки, скорость, стоимость, а также температура смеси [6].
Главная проблема по управлению технологическими процессами состоит в том, что необходимо учитывать огромное количество
факторов, зачастую в условиях неопределенности, характеризующихся трудностью рабочего процесса.
Структура системы управления в дорожном строительстве
Различают две группы структур управления дорожным строительством: организационную и функциональную [7]. Взаимные связи между элементами определяются организационной структурой управления. Организационная структура дорожного предприятия представляет собой организационную форму, в которой осуществляется процесс управления строительным хозяйством. Она назначает взаимодействие частей подсистемы управления, их отношение; опирается на формальных связях её членов; включает информацию о содержании функционирования организации, показывающей управленческую структуру (число уровней управления и количество элементов на каждом уровне) [8]. Связи между элементами структуры могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные связи бывают линейными и функциональными.
На рис. 2 рассматривается обобщенная структура комплексной системы управления по производству и укладке асфальтобетонной смеси с пятью уровнями [9].
Система включает в себя такие технологические процессы, как производство а/б смеси, отгрузка, транспортировка, укладка, уплотнение и контроль покрытия. На каждом уровне происходит контроль параметров готового покрытия.
Главной характеристикой готового а/б покрытия является коэффициент уплотнения асфальтобетона, который в течение уплотнения изменяется. Чем больше плотность а/б смеси после прохождения асфальтоукладчика, тем ровнее асфальтобетонное покрытие. Также с этим процессом связан срок службы а/б покрытия. Важной характеристикой дорожных катков является уплотняющая способность, которая позволяет достигнуть нужного коэффициента уплотнения смеси.
Рис. 2. Структура комплексной системы управления
Для решения этой задачи применяются такие средства, как электронный блок управления дорожно-строительной машиной путем поступления в него информации с датчиков о текущей степени уплотнения покрытия и сравнивается контролируемый параметр с заданным проектным значением. На рис. 3 приведена структурная схема расположения блоков и элементов системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси катком [10].
Также электронный блок позволяет автоматически регулировать параметры работы, чтобы было непрерывное уплотнение асфальтобетонной смесью. На асфальтоукладчике используются такие средства управления, как тензометрические датчики, датчики частоты вращения, действительной скорости, частоты вращения эксцентрикового вала, которые являются элементами подсистемы по управлению технологическими процессами дорожного строительства.
Рис. 3. Структурная схема расположения элементов и блоков системы автоматического управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком: 1 - устройство ввода; 2 - однокристальный микропроцессор; 3 - устройство вывода; 4 - блок нечеткой логики; 5 - тензометрические датчики; 6 - датчик действительной скорости движения вибрационного катка; 7 - датчик частоты вращения эксцентриковоговала привода уплотняющего вальца; 8 - золотниковый исполнительный механизм; 9 - контур подсистемы автоматического управления режимами уплотняющего вальца
Заключение
В статье приведены структура системы управления дорожным строительством и технологические процессы, а также средства управления, задействованные в них. Выделено четыре этапа и для каждого из них дан входной и выходной контроль. Изложенный в работе теоретический материал может быть использован для создания интеллектуальной системы по управлению технологическими процессами в дорожном строительстве. Создание данной интеллектуальной системы значительно сократит время и стоимость работ, а также повысит качество асфальтобетонного покрытия.
Литература
1. Борщ В.В. Автоматизация технологических процессов производства асфальтобетонных смесей для дорожного строительства с использованием ультразвуковых технологий: афтореф. дис. ... д-ра техн. наук / В.В. Борщ. М., 2015. 42 с.
2. Бастрыгина А.В., Прокопьев А.П. Критерии оценки качества дорожных покрытий нежесткого типа для управления процессами уплотнения // Молодежь и наука: VII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и
молодых ученых. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2011.
3. Доценко А.И. Комплексная автоматизация производства асфальтобетонной смеси с учетом влияния факторов её транспортировки, укладки и уплотнения: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.13.06 / А.И. Доценко. М., 2005. 42 с.
4. Дорожная техника - 2011: кат.-справ. - СПб.: ООО «Славу-тич», 2011. 201 с.
5. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Определение значения коэффициента пластичности дорожной одежды // Изв.вузов. Сер. «Строительство», 2006. № 1. С. 76-79.
6. Автоматизация технологических процессов дорожного строительства: монография / А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура, Г. В. Кустарев, Р. Т. Емельянов. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. 245 с.
7. Неъматилла А.Г., Навшод А.К. Модели упорядочивания структур управления систем с рассредоточенными объектами // Евразийский союз ученых, 2020. № 61 (75). С. 46-48.
8. Основы управления дорожным строительством URL: https://studfile.net/preview/5761270/page:15/
9. Пудовкин А.Н. Структура задач иерархической системы управления производством асфальтобетонной смеси // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 10. С. 270-271.
10. Шулбаева А.С. Совершенствование процесса распределения асфальтобетонной смеси: магистерская диссертация : 08.04.01 / А.С. Шулбаева. Красноярск: СФУ, 2017. 89 с.
Поступила 25.01.2023; принята к публикации 17.04.2023 Информация об авторах
Бурковский Виктор Леонидович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел.+7 (473) 243-77-20, e-mail: bvl@vorstu.ru,
Волков Иван Николаевич - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7 (908)141-26-12, e-mail: ivan1900volkov@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4196-5688
PROBLEMS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES MANAGEMENT IN ROAD CONSTRUCTION
V.L. Burkovskiy, I.N. Volkov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: roads are an important part of the economic component of the country, so their construction and operation is essential. There are some disadvantages in the quality of asphalt concrete pavements. The article discusses the specifics and problems of technological processes for the production and laying of asphalt mix, and also provides the structure of control systems in road construction. A pavement scheme is considered, where each stage is described, as well as various factors and problems that can affect the technological process and working moments are studied. The main characteristic of the finished asphalt concrete pavement is the compaction coefficient, which, as a result of all technological processes, must coincide with the standard value. Each technological stage has input and output control. All processes proceed linearly, without the completed previous stage, it is impossible to start the next one, which is one of the main problems. The theoretical material presented in the work can be used to create an intelligent system for managing technological processes in road construction. Such a system is very important in order to significantly improve the quality of the asphalt concrete pavement, reduce the time and cost of work
Key words: management, road construction, incoming and outgoing control, technological processes, asphalt mix, fill
factor, structure of control systems
References
1. Borshch V.V. "Automation of technological processes for the production of asphalt concrete mixes for road construction using ultrasonic technologies" ("Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov proizvodstva asfal'tobetonnykh smesey dlya dorozh-nogo stroitel'stva s ispol'zovaniyem ul'trazvukovykh tekhnologiy"), abstract of Dr. of Tech. Sci. diss., Moscow, 2015, 42 p.
2. Bastrygina A. V. "Criteria for assessing the quality of non-rigid pavements for controlling compaction processes", VII All-Russian conference "Youth and science " ("Molodezh' i nauka"), 2011
3. Dotsenko A.I. "Integrated automation of the production of asphalt concrete mix, taking into account the influence of factors of its transportation, laying and compaction" ("Kompleksnaya avtomatizatsiya proizvodstva asfal'tobeton-noy smesi s uchetom vliyaniya faktorov yeyo transportirovki, ukladki i uplotneniya"), abstract of Dr. of Tech. Sci. diss., Moscow, 2005, 42 p.
4. "Road equipment" ("Dorozhnaya tekhnika") 2011, cat.-ref. ,St. Petersburg: Slavutich, 2011, 201 p.
5. Zavyalov M.A., Zavyalov A.M. "Determination of the value of the coefficient of plasticity of pavement", Proceedings of higher educational institutions. Building (Izv. vuzov. Ser. Stroitel'stvo), 2006, no. 1, pp. 76-79.
6. Prokopiev A.P., Ivanchura V.I., Kustarev G.V., Emelyanov R.T. "Automation of technological processes of road construction" ("Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov dorozhnogo stroitel'stva"), Krasnoyarsk: Sib. feder. un-t, 2013, 245 p.
7. Nematilla A.G., Navshod A.K. "Models for ordering control structures of systems with dispersed objects", Eurasian Union of Scientists (Yevraziyskiy soyuz uchenykh), 2020, no. 6-1 (75), pp. 46-48.
8. "Fundamentals of Road Construction Management" ("Osnovy upravleniya dorozhnym stroitel'stvom"), pp. 115-118, available at: https://studfile.net/preview/5761270/page:15/
9. Pudovkin A.N. "The structure of the task of the hierarchical control system for the production of asphalt concrete mix", The Bulletin of the Orenburg State University (Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta), 2011, no 10, pp. 270-271.
10. Shulbaeva A.S. "Improving the process of distribution of asphalt concrete mixture" ("Sovershenstvovaniye protsessa raspredeleniya asfal'tobe-tonnoy smesi"), Master's diss, Krasnoyarsk: SFU, 2017, 89 p.
Submitted 25.01.2023; revised 17.04.2023 Information about the authors
Victor L. Burkovsky, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473) 243-77-20, e-mail: bvl@vorstu.ru
Ivan N. Volkov-graduate student of the department of electric drive, automation and control in technical systems, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (908) 141-26-12, e-mail: ivan1900volkov@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4196-5688
