ГК «Автодор», ООО «Автодор-Инжиниринг», АО «Мостотрест-Сервис», ООО «Титул-2005»

(С.В. Горелов, О.И. Строева, Е.В. Захаров, М.И. Пантюхов)

Аннотация

В данной статье приводится опыт Государственной компании «Автодор» по проведению ремонтов на основе сметных расчетов с формированием цифровой модели дорожного покрытия. По результатам диагностики с применением лаборатории «Трасса-ЦМП» определяются участки, требующие восстановления дорожного покрытия, для них формируется цифровая модель и выполняется детальное обследование состояния дорожной одежды. Результаты в электронном виде передаются подрядной организации в формате систем автоматизированного управления дорожной техникой.

Ключевые слова: цифровая модель дороги, мониторинг дорожных конструкций, дорожное покрытие.

 RESTORATION OF THE NORMATIVE CONDITION OF THE ROAD COVERING BASED ON THE DEVELOPMENT OF COMPLEX DIGITAL STATEMENTS OF DEFECTS

Annotation

This article presents the experience of the state company «Avtodor» on repair of roads based on estimated calculations with creating a digital model of road surface.

According to the results of diagnostics with the use of the road data collection vehicle (with Digital Laser Profiler), the areas requiring the restoration of the road surface are determined.

The results are transferred to the contracting organization as files in the format of road vehicle automated control systems.

 Keywords: digital model of the road, monitoring of road structures, pavement.

 

При разработке проектной документации заказчик зачастую сталкивается с рядом существенных проблем: низким качеством инженерных изысканий и лабораторных испытаний, отсутствием реальных авторства и вариантности проектирования, длительными сроками проектирования, отсутствием информации о фактическом состоянии элементов дорожной одежды.

В итоге отсутствует инновационность принятых проектных решений, увеличивается количество вносимых изменений на стадии реализации проектных решений и, как следствие, меняется стоимость строительно-монтажных работ.

Для решения данной проблемы в соответствии с п. 3 Постановления Правительства РФ от 14.11.2009 года N 928 «Об утверждении Правил организации и проведения работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог федерального значения» с 2018 года Государственной компанией «Автодор» осуществлен переход на формирование комплексных цифровых дефектных ведомостей и разработку сметных расчетов для всех объектов ремонта ее автомобильных дорог.

Данная технология позволяет вдвое снизить объём проектной документации и кратно сократить время ее подготовки при не сопоставимо более высоком уровне достоверности. Основным преимуществом применения комплексных цифровых дефектных ведомостей является возможность выполнения строительно-монтажных работ с использованием системы автоматизированного управления дорожно-строительной техникой.

Комплексные цифровые дефектные ведомости разрабатываются по схеме, представленной на рисунке 1.

При создании комплексных цифровых дефектных ведомостей используется уникальная отечественная диагностическая лаборатория «Трасса-ЦМП», обеспечивающая построение цифровой модели покрытия с помощью 12 измерительных систем (включая профилометр и систему измерения колейности) и фиксацию дефектов от 1 мм. Дополнительно оснащается приемником и базовой станцией ГЛОНАСС ГНСС и панорамной видеокамерой (представляет собой прототип системы машинного зрения) (Рисунок 2).

Передвижная лаборатория «Трасса – ЦМП» дополнительно к комплекту диагностического оборудования оснащается (Рисунок 3):

— приемником (1) и базовой станцией ГЛОНАСС ГНСС (2),

— панорамной видеокамерой (3) (представляет собой прототип системы машинного зрения).

Лазерные 2D сканнеры (профилометры) предназначены для получения высотных отметок поперечных сечений покрытия с заданным шагом измерения. Лазеры смонтированы на единой консоли дорожной лаборатории и обеспечивают ширину захвата каждого из сечений не менее чем на 3,5 м.

Работы по записи данных поверхности осуществляются программно-измерительным комплексом «Дорога-ПРО» (далее ПИК «Дорога-ПРО»). Одновременно с формированием ЦМП возможна запись характеристик: геометрических параметров автомобильной дороги, географических координат проезда, видеодефектовки покрытия, видеосъёмки.

Проезд лаборатории осуществляется по полосам движения обследуемого участка в зоне действия GPS-системы (Не дальше 10 км от базовой станции). Проезды выполняются таким образом, чтобы обеспечить перекрытие полос движения между собойна 10-15 см, Скорость движения для достижения максимальной точности должна составлять не более 30 км\ч.  Во время измерений оператор на экране монитора контролирует работу измерительных датчиков.

Затем осуществляется загрузка данных в программный модуль «Цифровая модель поверхности». На вкладке «обработка»отображается протяженность, дата и время проведения измерений, направление проезда. Также в параметрах «Рассчитанные данные цифровой модели» возможен выбор шага интерполяции данных (для *.dxf файлов Autocad рекомендуемый шаг не менее 30 см, для получения облака точек от 1 до 30 см).

На следующем этапе выполняется «склейка» полученных профилей в единую цифровую модель дорожного покрытия. В данном окне (Рис. 8) выбираются данные обработанных цифровых моделей проезда, на основе этих данных производится склейка заездов и сохранение итогового файла в следующие форматы:

— Бинарный файл (*.drm) — минимальный размер и максимальное быстродействие (может быть открыт и обработан только средствами ПИК Дорога-ПРО)

— Текстовый файл (*.xyz) — максимальный размер файла, открывается в любых CAD-программах

— Файл в формате DXF (*.dxf) — специальный формат для выгрузки данных в виде сетки для AutoCAD

Так же выбирается система координат, в которую будет записан полученный файл:

— ECEF — международная система координат WGS84;

— Локальная декартовая система координат – система, точка отсчета которой начинается от первого профиля.

Система представляет из себя комплексное решение, в котором используется оборудование, работающее синхронно от единой аппаратной платформы. Основой при построении поверхности является высокоточная пространственная траектория. Траектория формируется из данных, полученных с геодезического GPS приемника, работающего в RTK режиме, и высокоточной инерциальной системы.

При работе в RTK сигнал может быть неустойчивым в сложных условиях (проезда под путепроводом, в плотной городской застройке и др.). Для повышения точности применятся алгоритм аппроксимации данных по инерциальной системе. Процесс является итерационным и основан на расчете внутри каждой итерации (i = 1, 2, 3, …) отклонения текущей точки GPS от точки трека, построенного по данным инерциальной системы. Для каждой точки вычисляется пространственный вектор преобразования, получаемый по формуле (1),

 

Результатом работы данного алгоритма является траектория, представленная на рис. 9.

Работа со всеми полученными координатами осуществляется в геоцентрической прямоугольной системе координат формата ECEF. Преобразование данных с геодезического GPS приемника по датуму стандарта wgs84 осуществляется по формулам (2, 3, 4).

В свою очередь лазерные профилометрические датчики на каждое событие от системы синхронизации формируют в относительной системе координат срез (профиль полосы движения шириной 3,1 м), на основе этапов алгоритма, приведенного на рисунке 10.

Далее посредством формул матрицы переноса (7) и поворота (8, 9) данный срез размещается в прямоугольной системе координат на интерполированном пространственном треке с заданным шагом.

После всех преобразований выполняется триангуляция с заданным шагом и создаётся регулярная сетка, результат которой приведен на рисунке 11.

Итоговая модель в виде набора трехмерных координат или с привязкой к выбранной системе координат передаётся в текстовый формат XYZ или бинарный формат.

Проверка параметров всего программно-аппаратного комплекса лаборатории выполнялась на специальном измерительном полигоне, для дорожного покрытия которого определены координаты покрытия по методике оценки продольной ровности IRI с шагом 1 м в продольном направлении и шагом 0,5 в поперечном направлении и построена пространственная цифровая модель поверхности.

После получения модели полигона по нему было выполнено несколько проездов для оценки показаний точности. В результате полученных данных удалось добиться необходимой точности между цифровой моделью полигона и проездами  ПДЛ в 2-х направлениях.

Ниже на рисунках показаны гистограммы распределения и пространственные распределения данных, полученных в результате проездов. Проецирование каждой точки «лазерного облака» на заданный вектор осуществляется по следующему алгоритму.

Имеется трек, состоящий из точек 1, 2 и 3. Каждую из точек нам необходимо сместить на заданное расстояние (например, на 5 метров). В данном примере смещение будет выполняться по курсу движения.  Точки записаны с определенной погрешностью (в среднем 1 см в динамике), это максимальное отклонение от эталона. Шаг записи (при максимально возможной частоте 20ГЦ) — 20 см. Получается, что угол между эталоном и существующим треком на 20 см будет 3 градуса. Если мы продолжаем отрезок между точками 1 и 2 до 5 м и находим точку  т 1′, то при таком угле отклонение от эталона будет 26 см. Для пары точек 2-3 ситуация аналогичная.

Длина лаборатории 5 метров, при движении на подъём или спуск разница по высотным отметкам передней и задней части лаборатории при уклоне 60 промилле составляет 29 см, которые как поправочное значение нужно вносить для расчета смещения отметки GPS.  Аналогичная ситуация и при поперечном крене, где разница достигает 10 см при 40 промилле и ширине лаборатории 2,5м.

Из-за этой проблемы полученные высотные отметки по GPS при проезде на лаборатории в прямом и обратном направлении в одном сечении отличаются на 30 см (по нивелиру и высокоточному GPS в статике между теми же точками превышение всего 10 см).

На лаборатории ООО «Автодор-Инжиниринг» с применением указанного алгоритма были получены более однородные результаты, однако общая погрешность оказалась выше чем у других ПДЛ. Это связано с более жестким шасси, а также вибрацией консоли, на которой закреплены профилометры и GPS-приёмник.  Для решения данных проблем был использован алгоритм аппроксимации данных GPS по системе МИНС.

Таким образом, результатом работы данной измерительной системы является высокоточная модель поверхности дороги. Полученная модель может быть использована в программах для проектирования ремонтов, расчета таких параметров, как объем выравнивающего слоя, высотные отметки дороги и структурные линии кромок покрытия.

Данная модель используется инженерами ООО «Автодор-Инжиниринг» для определения объемов работ при разработке проектной документации по ремонту автомобильных дорог Государственной компании «Автодор» (Рисунок 17).

По результатам работ Заказчику передаются:

— сводная ведомость объемов работ,

— сметные расчеты,

— проектная поверхность дорожного покрытия и данные, необходимые для реализации проектных решений посредством механизмов, оборудованных 3D-системами автоматического управления дорожно-строительной техникой.

Следующим этапом реализации технологии формирования комплексных цифровых дефектных ведомостей является наличие на объекте единой системы координат, которая объединяет 3D проект и 3D системы САУ ДСТ. Развитие ведомственной опорной геодезической сети вдоль автомобильных дорог и сети референтных базовых станций ГЛОНАСС/GPS позволяет обеспечить координатную привязку в единой системе координат и обеспечить точность позиционирования, как 3D систем на машинах, так и отдельного транспорта до 1 см. На объектах Государственной компании «Автодор» при строительстве этапов а.д. М-11 «Москва-Санкт-Петербург», ЦКАД используются 3D системы управления машинами компаний Hexagon и Leica-Geosysmes. При этом изыскатели, проектировщики и строители работают на объекте в единой системе координат.

После ввода в эксплуатацию объекта ОГС и поправки от базовых станций используются для точного позиционирования передвижных лабораторий, лазерного сканирования, обустройство инфраструктуры, а в дальнейшим и для беспилотных систем транспорта, мониторинга перевозки грузов. В течение жизненного цикла дороги в единой базе данных ГИС хранится цифровая модель дороги с привязкой инженерного обустройства и сооружений к ВОГС, а целью ремонтных работ, в т.ч. с частичной заменой конструктива, становится восстановление эталонной геометрии. Таким же образом формируются модели для 3D фрезерования на основе роботизированных тахеометров. Таким образом, реализованное проектное решение при строительстве или капитальном ремонте является эталоном, не требуя серьезных корректировок на многие годы.

Использование технологии спутникового позиционирования на основе систем ГЛОНАСС/GPS обеспечивает качественно новый уровень автоматизации работы строительной техники ведения практически всех видов дорожных и дорожной строительных работ, без трудоемкого процесса разбивочных работ, обеспечивая проектную точность и качество работ в любой точке проекта.

В основу работы такой системы положено использование 3D цифровой модели проектной поверхности (ЦМП), которая в виде файла закладываются в бортовой компьютер, установленный в кабине. Во время работы машины в режиме реального времени определяется положения рабочего органа машины на основе данных полученных от ГЛОНАСС/GPS приемника и датчиков, установленных на машине. Полученное положение сравнивается с ЦМП, и вычисленное требуемое смещение отображается на мониторе у оператора. При работе в автоматическом режиме – рабочий орган всегда автоматически удерживается в проектном положении. Практическое использование сквозной технологии от проекта до его реализации на объектах Государственной компании «Автодор» (на участках а.д.M-4 ДОН) впервые апробировано Государственной компанией совместно с АО «МОСТОТРЕСТ-СЕРВИС» и «Лемдорстрой». Опыт АО «МОСТОТРЕСТ-СЕРВИС» ООО «ЛемминкяйненСтрой», ДСК «Автобан», «Транстроймеханизация», «Донаэродорстрой» показал следующие преимущества:

— сокращение влияние человеческого фактора;

— отсутствие фактов перерасхода материала на выравнивание слоев дорожной одежды;

— сокращение сроков выполнения работ: каждое звено техники работает в 2-2,5 раза быстрее, оптимизируется логистика движения грузовиков с материалом и прочей техники;

— сокращение простоев техники, возникающих при выполнении подготовительных работ (например, геодезическая разбивка, разбивка пикетажа и высотных отметок не требуется). САУ ДСТ самостоятельно копирует проект на реальную поверхность;

— сокращение затрат и времени на геодезические работы – до 90%. Для работ разбивка не требуется.

Главные причины оснащения подрядных организаций системами 3D САУ ДСТ – увеличение производительности техники с обеспечением требуемых точности и качества, сжатые сроки выполнения работ.  Уровень оснащенности этих компаний технологиями 3D составляет около 20% техники используемой в работе. В мировой практике средняя оснащённость системами составляет для Северной Европы 60%, Центральной Европы и США – около 30%, причем на текущий момент установлено законодательно требование по использованию 3D САУ ДСТ на всех этапах строительства цементобетонных дорог.

Устранение неровностей и выравнивание в поперечном профиле срезкой существующего асфальтобетонного покрытия осуществляется по картограмме фрезерования, полученной в результате лазерного сканирования поверхности существующего покрытия.  Основную часть работ по устранению неровностей и выравниванию в поперечном профиле срезкой существующего асфальтобетонного покрытия предусматривается осуществить в пределах основных полос движения самоходной дорожной фрезой шириной 2000 мм без демонтажа существующего барьерного ограждения. Основным рабочим органом такой машины является фреза-барабан, снабженный высокопрочными режущими зубьями. В процессе вращения фрезы-барабана срезается слой покрытия на заданную толщину, срезанный фрезой материал с помощью транспортера, грузится в автомобили-самосвалы и перевозится в указанные места складирования. Поверхность, остающаяся после фрезерования, является основанием для нового слоя покрытия.

Для обеспечения требований к продольной ровности уложенного покрытия и высокой степени соответствия проектным решениям, работы по фрезерованию существующего покрытия производятся с использованием трехмерной цифровой системы управления дорожной фрезой на основе роботизированных тахеометров.

При фрезеровании дорожного покрытия работа системы нивелирования заключается в управлении рабочим органом машины, удержании его на заданной высоте и коррекции уклона согласно проекту. На машине установлены датчики наклона, измеряющие положение рабочего органа в поперечном направлении и продольный уклон машины.

Все данные с датчиков поступают на панель управления для дальнейшей обработки (рис. 18). Также на борту машины с помощью телескопической мачты крепится призма-отражатель, местоположение которой непрерывно определяется тахеометром. Данные о положении призмы передаются из приемника в панель управления.

Данные, полученные от датчиков и тахеометра, обрабатываются, сравниваются с проектными данными и отклонениями, заданными оператором, после чего передается сигнал на гидравлический распределитель машины.

В результате рабочий орган машины всегда движется строго по проектной плоскости.

В отличие от традиционно используемых ультразвуковых систем, точность которых и качество выполняемых работ во многом зависит от человеческого фактора, данная система обеспечивает формирование проектной поверхности любой сложности автономно и без какой-либо разбивки.

Технология работы по фрезерованию покрытия с применением системы автоматического нивелирования на рассматриваемом участке заключается в выполнении следующих последовательных операций:

— перед началом работ в бортовой компьютер через панель управления загружаются проектные данные в цифровом виде по участку работ (рис. 4.7);

— 1-й роботизированный тахеометр устанавливается в удобном месте и привязывается по 2 – 3 опорным точкам к местной строительной системе координат, 2-й тахеометр используется для контроля высотных отметок покрытия непосредственно после фрезерования (рис. 18);

— после включения системы 1-й тахеометр автоматически находит активный отражатель, установленный на кузове фрезы над креплением барабана, и в постоянном режиме отслеживает его перемещение;

— координаты передаются в бортовой компьютер, установленный на машине по радиомодему;

— бортовой компьютер, используя данные от тахеометра и датчика наклона, определяет положение и текущий уклон барабана;

— в режиме реального времени данные сравниваются с проектными значениями, т.е. тем положением режущей кромки, которое должно было бы быть в данной позиции;

— бортовой компьютер выдает команду, насколько надо поднять или опустить левый или правый гидроцилиндр фрезы;

— изменение положения цилиндров происходит автоматически с точностью проектных отметок в пределах 3 – 5 мм, и машинисту не требуется вести фрезу только по одной проходке, он может перемещаться по полотну практически в любом направлении, формируя точную копию запроектированной поверхности дороги.

Цифровая 3D автоматическая система нивелирования для асфальтоукладчиков предназначена для выполнения высокоточных работ по укладке асфальтобетона.

В отличие от традиционно используемых ультразвуковых систем, точность которых и качество выполняемых работ во многом зависит от человеческого фактора, эта система обеспечивает формирование проектной поверхности любой сложности автономно без какой-либо разбивки. Основные преимущества системы:

— Повышение продольной ровности;

— Исправление микро и макро неровностей покрытий, в том числе на сложных участках.

— Экономия асфальтобетона;

— Работа без разбивки и струн.

Мониторинг в процессе строительства объектов дорожной инфраструктуры реализован на ЦКАД в 2018 году, при котором в едином «облаке» использовались данные с ГНСС геодезической службы и данные 3D САУ ДСТ. Оперативный контроль за отметками уровня земполотна позволял начальникам участка организовать поставку материала в необходимом объеме, а также оптимизировать транспортную логистику.

В индивидуальном порядке подрядчики внедрили на объекте BIM-системы, в которых оперативно обрабатывались данные о текущих стадия строительства и велась рабочая исполнительная документация. BIM-система обеспечивала:

— Удаленную работу с проектом из офиса;

— Удаленный контроль выполнения работ, включая контроль фактических отметок относительно проектной поверхности и мониторинг текущего местоположения;

— хранение истории локаций с отметками по времени для определения где и в какой момент времени находились машины и геодезисты;

— удаленная загрузка проектных данных на машину, механизатор получает проектные данные раньше и быстрее приступает к работе.

— оценка работы, сбор и обработка информации о проходах машины и визуальное их отображение позволяло оценивать качество работ, отслеживать прогресс относительно проектных данных.

Анализ информации в BIM-системе с различных систем сбора данных (от БПЛА и мобильных сканирующих лазерных систем) позволил быстро отслеживать изменения в проектных данных, необходимость доставки материала, а также добиться:

— Повышения точности и скорости работ;

— Постоянный контроль проектных отметок в режиме реального времени;

— Сокращение количества проходов – экономия топлива, смазочных материалов и жидкостей, амортизации техники;

— Сокращение по времени и стоимости геодезических работ, разбивки и контроля, простоя техники;

— Возможность работы в ночное время;

— Безопасность работ.

Таким образом, принимая во внимание полученный Государственной компанией положительный опыт реализации проектов на основе 3D-технологий, предлагаем расширить их применения в целом в дорожной отрасли с учетом следующих предложений:

— на пилотных объектах ремонтов автомобильных дорог осуществить формирование комплексных цифровых дефектных ведомостей и разработку сметных расчетов;

— разработать отечественные автоматизированные системы подготовки и осуществления строительства, управления строительным контролем и авторским надзором, дорожно-строительной техникой;

— для сети федеральных и региональных дорог сформировать геопространственные базы данных и геоинформационные системы управления автомобильными дорогами, создать цифровые модели объектов инфраструктуры автомобильных дорог Российской Федерации;

— включить в программу стандартизации в области дорожного хозяйства, утвержденную приказом Минтранса России от 28.09.2017 № 395 тематики, касающейся обустройства автомобильных дорог на основе цифровых технологий, обеспечивающих устранение мест концентрации ДТП, внедрение автоматизированных и роботизированных технологий организации дорожного движения и контроля за соблюдением правил дорожного движения;

— при рассмотрении проектной документации в ФАУ «Главгосэкспертиза России» предусмотреть возможность работы с цифровыми 3D моделями элементов автомобильной дороги, искусственных сооружений, технологического оборудования.

 

Список литературы / References

 

1. В.С. Щербаков, С. А. Милюшенко. Совершенствование системы управления выглаживающей плитой асфальтоукладчика. – Омск, 2010 Монография Омск СибАДИ УДК 625.76.08 ББК 39.311-06-5 М 60 Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»/
2. С. В. Горелов. Комплексные цифровые дефектные ведомости и автоматизированные сметные расчеты. – Статья с сайта http://www.avtodor-eng.ru/cntnt/novosti-1/n430.html.
3. С. В. Горелов. Технические средства реализации технологии комплексных цифровых дефектных ведомостей для объектов ремонта автомобильных дорог. – Статья с сайта http://www.avtodor-eng.ru/cntnt/novosti-1/n437.html.