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高拱坝曲面无人驾驶智能碾压筑坝技术


发布时间:2021-08-18 11:29

来源: 《建设机械技术与管理》杂志

孙天野1  李晓峰2  陈鹏宇1    高文元2  孙震1

1. 清华大学水利水电工程系,北京 100084; 

2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710024

 

编者按:

  清华大学水利水电工程系智能建造团队一直致力于推进水利工程信息化,提高碾压混凝土大坝施工质量,克服施工问题,保障工程的经济与社会效益,努力在水利工程施工中实现智能建造。陕西省引汉济渭工程建设有限公司联合清华大学将无人驾驶智能碾压混凝土技术应用于三河口碾压混凝土重力坝的施工过程中,并开展无人驾驶摊铺技术的研究。本研究是国内外第一次在碾压混凝土拱坝上使用无人驾驶碾压筑坝技术,这不但能够形成一套碾压混凝土大坝无人驾驶碾压施工方法,而且也能为行业与企业学习并掌握这种新技术提供实际工程示例。

  本刊特邀清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室孙天野博士携“无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究”技术团队,将无人驾驶智能碾压新技术在引汉济渭三河口水利枢纽建设中的应用成果以系列论文形式分享给行业,以期共同促进我国水利工程施工智能建造技术的进步。

 

摘要:随着我国经济的发展以及科学技术水平的提升,水利工程智能化技术的应用得到社会各界的高度重视。无人驾驶碾压技术由GPS基站、无人驾驶压路机、通讯中继站和远程监控中心构成,具有无线局域网通讯、自主运行管理等特点,明显提高了碾压混凝土施工质量与筑坝效率,实现了水利工程的电气化、数字化、网络化、智能化。在高拱坝曲面无人驾驶碾压筑坝技术施工过程中,不断地探索曲线碾压智能筑坝技术,并在陕西省引汉济渭三河口水利枢纽建设中进行应用。

 

关键词:引汉济渭;无人驾驶;智能碾压;曲面碾压

中图分类号:TV512             文献标识码:A

 

0 引言

  无人驾驶碾压筑坝技术是人工智能在水利建设中的具体体现,本项研究将水利建设融入“中国制造 2025”,提升水利工程信息化,提高碾压混凝土大坝施工质量,克服施工过程存在的问题,保障工程的经济与社会效益。本项目将以重点工程带动科技发展,无人驾驶碾压筑坝技术采用自动控制、计算机、通讯、传感、GPS 等高新技术,将会使水利工程建设摆脱以往人员密集型的行业,转化成为知识型的高技术行业,不但能有利保证碾压混凝土质量、明显提高碾压混凝土筑坝效率,而且实现了水利工程建设的新四化:电气化、数字化、网络化、智能化建造大坝。结合引汉济渭重点工程,本项目开展碾压混凝土高坝施工技术研究,对于进一步完善和发展高坝筑坝技术,促进300m级高坝工程建设,具有重要的意义。如何破解工程管理和建设过程中技术难题、工程快速推进、保证三河口大坝工程建设进度,成为摆在建设团队面前的一个重大课题,考验着工程建设者的勇气、智慧和能力[1]

  引汉济渭工程是陕西省有史以来投资规模最大、供水量最大、受益范围最广、效益功能最多的战略性水资源配置工程,对全省的发展具有重大现实意义和长远的战略意义,预计总投资168亿元、设计年调水量在15亿立方米。工程主要由汉江干流黄金峡水利枢纽、子午河三河口水利枢纽、秦岭输水隧洞三部分组成,地跨长江、黄河两大流域,横穿秦岭、隧洞98.3公里,将汉江水源送至关中渭河,可以解决近陕西省千万人的饮水问题。

 

1 引汉济渭项目概况

  陕西省水资源短缺且时空分布严重不均,位于长江流域的陕南地区占全省面积35%,拥有全省71%水资源量,而秦岭以北的黄河流域占全省面积65 %,水资源量却仅占29%[2-3]。秦岭北麓的关中地区集中了西安、宝鸡、咸阳、铜川、渭南5个大中城市,是全国重点建设8大城市群之一,聚集了全省61%的人口、81%的工业总产值,但是,关中地区人均水量仅为317m3,相当于全国平均水平的13.8%,水资源短缺已成为严重制约关中经济社会发展的“瓶颈”。而且,由于长期缺水降低了水的稀释自净能力,水质污染严重,渭河生态环境也日益恶化[4]。因此,陕西省正在实施的引汉济渭调水工程,正是从陕南汉江流域调水至渭河流域的关中地区,缓解关中地区水资源供需矛盾,改善渭河流域生态环境,促进关中地区可持续发展的大型跨流域调水工程[5]

  引汉济渭调水工程主要包括三河口水库、黄金峡水库和98.3km的秦岭输水隧洞,秦岭输水隧洞设计输水能力为70m3/s。为了完成多年平均调水量15 x108m3的调水任务,工程充分利用黄金峡水库、三河口水库的库容特性,即黄金峡水库主要解决年内不均匀的缺水过程,三河口水库主要应对年际不均匀缺水过程[6]。然而,工程调水过程中的流量变幅大,并且改变了受水区原有工程调度运行方式,受水区地表水、地下水供水峰谷变差大,工程实效性较差[7]

  作为单位面积产水率最高的长江一级支流,嘉陵江流域水量较为丰沛[8],针对上述引汉济渭工程实际运行困难,陕西省近期又规划引嘉入汉工程[9],作为引汉济渭工程补充水源。初步拟定的调水断面在嘉陵江干流略阳县附近,通过约30km的隧洞自流到汉江干流北岸的一级支流沮水河,并自流进入黄金峡水库。因此,嘉陵江调水区可作为引汉济渭的一个补充调水区以及新增调水水源,从而与引汉济渭工程组成了一个复杂联合调水大系统,引汉济渭与引嘉入汉耦合复杂系统联合调水工程示意图如图1[10]所示。

图1 引汉济渭与引嘉入汉耦合复杂系统联合调水工程示意图[10]

  三河口水利枢纽为碾压混凝土双曲薄拱坝,最大坝高145m,坝顶宽9m,拱冠坝底厚37m,坝顶上游弧长472.153m,大坝宽高比2.80,厚高比0.26,上游面最大倒悬度0.16,下游面最大倒悬度0.19,为国内同类型第二高坝。碾压混凝土施工,由于受各种环境因素的影响,施工环境差,碾压震动强烈,施工人员劳动强度大,重复性工作多,工作枯燥乏味。传统的人工碾压方法无法直接获取碾压施工数据,不能直观的分析与评价碾压质量,导致存在漏碾、过碾、欠碾等现象。如何根据大坝体型以及现场实际施工情况,从施工机械智能化改造入手,在施工过程中不断的探索适合碾压混凝土拱坝曲线碾压与碾压避障的安全措施,对碾压混凝土的碾压全过程进行自动控制,克服以往人工碾压作业的各种不足,提高了碾压混凝土施工质量与筑坝效率,减轻作业人员劳动强度,是目前急需解决的技术问题[11]

 

2 无人驾驶智能碾压混凝土筑坝技术的原理

  无人驾驶碾压系统由无人驾驶压路机、基准站、远程监控室三部分构成。无人驾驶压路机依托现场定位系统、施工数据采集系统、数控机械控制系统等基础平台,通过微波无线通讯网络实现机器端与监控端的双向通讯,整合施工现场的信息,对压路机械实现实时管理、精准控制。

  在机器端,也就是无人驾驶压路机,改装了一系列的硬件,加装的硬件包括:集成控制柜、车载无线通讯天线、定位接收机、激光雷达、远程启停开关、电动助力方向盘、发动机驱动器、变量泵驱动器、激光位移传感器等,并进行了相应的软件开发,使之具有了感知周围环境、与监控端通讯、执行监控端指令的功能。

  在监控端,也就是远程监控中心的计算机上,安装有视频辅助监控系统、压路机控制系统、压路机作业监视系统,不仅可以实时监控现场的环境和无人驾驶压路机周围的情况,还具有远程启停压路机、查看碾压区域、设置新的碾压区域以及调整碾压速度、遍数等一系列功能。无人驾驶压路机群系统如图2所示。

图2  无人驾驶压路机系统示意图

  具体碾压流程可表示为:压路机就位→根据GPS调整转向角→按照规划路线行走→按原路径返回→进入下一条导航路线→区域静碾完成→进行振动碾压→按照作业参数运行→区域碾压作业完成。

  其中,无人驾驶压路机通讯网建设与调试、压路机改造与调试、碾压混凝土施工过程模拟与试验是重点难点。

  (1)无人驾驶压路机通讯网络是无人驾驶碾压系统的“生命线”,根据拱坝施工现场条件,设计微波无线通讯网络;研究适合压路机行驶的天线形式与最优波段,设计接收天线最大接收范围,保证覆盖整个施工区域;设计无人驾驶压路机系统通讯协议,开发客户端、服务器端网络应用程序,以及现场调试。

  (2)压路机智能化改造是无人驾驶碾压混凝土的基础,机械碾压设备通过添加伺服电机、GPS、机载计算机等,形成压路机机-电-液-信一体化智能系统,使压路机能够感知作业环境,而且能够与作业环境动态协调;开发压路机无人驾驶作业操作系统,开发压路机发动机、变量泵等控制子系统的驱动程序,开发压路机无人驾驶安全保障系统。

  (3)碾压混凝土施工过程模拟程序化是无人驾驶碾压作业的关键。现场试验与调试是开发计算机软件程序模拟人工碾压作业参数的过程,应用计算机软件模仿施工机械作业过程、模拟驾驶员操作过程,实现压路机自动完成指定的碾压任务。提取碾压混凝土施工各环节,设计相应程序模块,形成无人驾驶碾压混凝土施工工法。

 

3 无人驾驶碾压混凝土坝曲线碾压

  碾压混凝土拱坝不但体型复杂,而且还埋有大量监测仪器的预埋件,以及施工临时设施,这对于碾压混凝土大仓面连续施工是不利的。对于可以事先设计好预埋件的位置,在无人驾驶碾压过程中增加避障功能。但还存在大量施工过程中临时增加的障碍物,这是无人驾驶碾压作业面临的艰巨困难。如何让压路机能够探测或感知这些障碍物,且能够采取有效措施是需要解决的关键问题。

  由于碾压混凝土拱坝体型、坝轴线的曲线特性,无论模板,还是预埋冷却水管都是曲线布置。因此,碾压混凝土摊铺与碾压自然也需要按平行坝轴曲线方式作业。这要求压路机在碾压区域规划与路径设计时充分考虑到其曲线复杂性。压路机按预定曲线路径巡航对压路机控制软件的要求无论控制精度还是稳定性都高。

  土石坝碾压采用了方形区域碾压的方式,在施工区域4个角采集4个坐标点,圈定一个施工区域即可施工。混凝土拱坝体型不适用于该方式,在取4点的基础上开发了新的曲线模式。

  (1)测点

  用手持GPS流动站在碾压区域中心位置(上游到下游中心),沿着轴向,采集A、B两点的坐标,这样行走模式即为直线模式,碾压车辆在A B两点之间按施工参数碾压。用APP生成区域*.txt文档。A是第一个点坐标,B是第二个点坐标。如下图3所示:

图3  直线碾压区域采集示意图

  当需要碾压曲线的时候,可以继续采集C、D、E、F、G、H等点,点成弧形,如下图4示例:

图4  曲线碾压区域采集示意图

  此时车辆将在A-H点之间行驶,行走路径即为曲线。随着点数的增多,碾压轨迹约接近弧形。碾压区域上游到下游的距离即为碾压宽度。整个碾压宽度如果分为1个区域碾压,区域数即为1,次序数也是1。整个碾压宽度如果分为左右2个区域碾压,区域数即为2,碾压左边区域的车辆次序数为1,碾压右边区域的车辆,次序数为2。 向量AB,左边即为左区域,右边即为右区域。

  (2)坐标准备

  将区域文档发送到控制计算机上,如图5所示。

图5  碾压区域坐标文件

  (3)设置施工参数(参数设置面板)

  进入控制软件,选择相应的碾压区域(左上角),发到监控室的是哪个文件,就选哪个区域,比如发区域3.txt,就选区域三。压路机编号选择当前施工车号,在可用车号里输入压路机编号。点击载入坐标,此时,刚才发送上来的文件,就被读进系统。设置下方的施工参数,摊铺宽度、区域数、次序数。如下图6所示。

图6  碾压参数的设置

  (4)启动无人驾驶(压路机控制面板)

  确认压路机各设备指示灯都是正常状态,确认压路机旁边、碾压区域,无造成危险的人员以及车辆。发动机转速设置为2400,点击确定按钮。点击坐标下发,无人驾驶按钮。车辆将启动无人驾驶碾压。行驶速度设置成0.5,点击行走控制即可控制压路机速度。振动频率-振动控制按钮,控制压路机的振动(数值0是停振,20是正常振动)。图7为压路机的控制和参数设置。

图7  压路机的控制

   (5)监控施工

  从界面上各状态指示灯、仪表盘、碾压轨迹、监控摄像头实时观察压路机施工状态,并调整压路机施工。图8为无人驾驶监控系统界面。

图8  无人驾驶监控系统界面

  点击语音报警按钮,开启语音报警功能,实时播报出现故障的压路机以及对应故障模块。

 

4 结论

  与传统技术相比,本项目研发曲面高拱坝无人驾驶智能碾压筑坝技术,具有以下优点:

  (1)根据大坝体型以及现场实际施工情况,在施工过程中不断的探索适合碾压混凝土拱坝曲线碾压,对碾压混凝土的碾压全过程进行自动控制,克服以往人工碾压作业的各种不足,明显提高了碾压混凝土施工质量与筑坝效率,减轻了作业人员劳动强度。

  (2)无人碾压轨迹设定模块能够设置曲线和直线组合的轨迹,使得压路机的行走路线更加灵活,有效的解决了因坝体体型为曲线和静碾和振动碾快速转换问题,形成了连续碾压区域,提高了作业效率。在确定了采取曲线无人碾压区域路径,可形成压路机群作业,提高无人碾压工作效率。

 

参考文献

[1] 清华大学水利水电工程系,无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究——中期报告[R]. 北京:清华大学,2019.

[2] 班漩,朱碧莹,舒鹏,等. 汉江流域气象水文变化趋势及驱动力分析[J]. 长江流域资源与环境,2018, 27(12) :2817-2829.

[3] 严栋飞,解建仓,姜仁贵,等. 汉江上游径流变化趋势及特征分析田[J]. 水资源与水工程学报,2016, 27 (6):13-19.

[4] 畅建霞,姜瑾. 引汉济渭调水工程水资源配置研究[J]. 自然资源学报,2011, 16(1) :110-118.

[5] 刘玒玒,尚宇梅,张宇,等. 引汉济渭来水条件下西安市多水源联合调度[J]. 武汉大学学报(工学版),2017,50(1):25-30.

[6] 马永胜,惠蕾,高小芳. 基于引汉济渭工程的水库联调系统开发与应用[J]. 陕西水利,2016, 12 (2) :122-123.

[7] 苏丹,费良军,杨晓茹. 陕西省引汉济渭工程受水区水资源优化配置研究[J]. 水资源与水工程学报,2008, 19 (4) :46-49.

[8] 王晨晖,魏娜,解建仓,等. 基于多目标模糊优选模型的引嘉入汉工程调蓄方案优选[J]. 水资源与水工程学报,2018,29(1):144-148.

[9] 马永胜,彭穗萍,朱兴华,等. 陕西省引嘉入汉调水工程规划[R]. 西安:陕西省水利电力勘察设计研究院,2016.

[10] 马永胜,史娟,潘景辰. 复杂跨流域调水系统联合优化调度研究——以陕西省引嘉入汉调水工程为例[J]. 水资源与水工程学报,2020,31(5):142-148.

[11] 史广生. 高拱坝无人驾驶碾压筑坝技术实施与应用[J]. 施工技术. 2020,47(9):31-33.

 

作者简介:孙天野,男,博士研究生,工程师,主要研究方向为智能建造与工程应用。 

基金项目:陕西省水利科技项目,无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究(2018SLKJ-2)。

(责任编辑:休鱼)



关键词: 输入,碾压,施工,无人驾驶,压路机,混凝土,工程,区域,技术,作业

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