GPS系统在工程机械领域中的应用

张 健

(黑龙江省伊春高速公路管理处)

1 前 言

GPS 自投入运行以来逐步向民用开放，为各行各业服务。因此美、日各大汽车公司相继在自己的产品上配装新一代的信息系统与导航系统。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。

2 3D GPS 控制系统

(1)定位设备。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，分别适用于不同精确度要求的工程。3D GPS 控制系统主要用于土方工程，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，如平地机、沥青摊铺机、稳定土摊铺机、水泥混凝土滑模摊铺机、铣刨机等。3D GPS 控制系统中的定位设备由GPS 基站和安装在机械上的GPS 接收器组成，GPS 基站通常安装在一个固定的、半永久性的位置上，能够覆盖10 km 的范围，同时控制在区域内工作的所有安装了GPS 接收器的施工机械。

(2)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。

(3)机载计算机。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，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。徕卡3D GPS 控制系统中的机载计算机为适应施工现场的要求，采用坚固耐用的触摸屏设计，能够防震、防尘、防水。

(4)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，最终达到施工的设计位置。

3 3D GPS 控制系统的优越性

(1)同传统施工方法的比较。传统的施工方法要求先对项目现场进行初测，然后开始项目设计，在根据项目设计结果进行实地打桩放样，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，以打好的桩为参照物，反复操作调整机械铲刀一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。使用徕卡3D GPS 控制系统，由于能够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，由3D 控制系统来实现铲刀的控制工作，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，施工后的结构也可以输出到项目办公室，实现了内外业数据的实时无缝链结。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3D 控制系统，至少提高了30%的施工效率。

(2)GPS 解决方案的优越性。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10 km，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;系统精确度达到30 mm，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，大大减少了工作量，同时GPS 接收器还可以单独用于前后的现场测量工作，是全站仪之外的一个高端测量仪器。

4 GPS 控制系统的发展情景

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

［1］钟仁福. GPS RTK 在工程放样中的应用研究［J］. 中国高新技术企业，2009，(5).

［2］卢吉锋. RTK 和全站仪在线路工程横断面测量中应用［J］. 河北工程技术高等专科学校学报，2010，(1).