INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 4/2011, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziaá w Krakowie, s. 41–50
Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi
Janusz Dąbrowski
PORÓWNANIE SYSTEMÓW STEROWANIA
I POMIAROWYCH W ZASTOSOWANIACH
DO GEODEZYJNEJ OBSàUGI BUDÓW
____________
COMPARISON OF CONTROL
AND MEASUREMENT SYSTEMS IN THE CONTEXT
OF GEODETIC CONSTRUCTION CONTROL
Streszczenie
W ostatnich latach niezwykle prĊĪnie rozwijają siĊ nowoczesne systemy sterowania. Ich rozwój ma ogromny wpáyw na zakres obsáugi geodezyjnej budów. Porównanie systemów sterowania pozwala na okreĞlenie zmian w obsáudze geode-zyjnej. W wielu wypadkach rozwój systemów sterowania bĊdzie ograniczaá zakres typowych prac geodezyjnych w terenie, natomiast pojawiają siĊ nowe obszary dziaáalnoĞci geodezyjnej w sferze dopasowania, koordynacji i kontroli numerycz-nego modelu terenu z projektem w wersji cyfrowej i postĊpem robót.
PostĊp technologiczny w Ğwiecie jest nieuchronny i permanentny. Rola i miejsce zawodu geodety w tej dynamicznie zmieniającej siĊ rzeczywistoĞci bĊ-dzie w duĪej mierze zaleĪeü od umiejĊtnoĞci dostosowania siĊ i uwzglĊdniania za-chodzących zmian w warsztacie pracy.
Artykuá przybliĪa zagadnienie wykorzystania geodezyjnej obsáugi budów na tle róĪnych systemów sterowania.
Sáowa kluczowe: systemy sterowania, geodezyjna obsáuga budów, nawigacja
satelitarna, GPS
Summary
In recent years there rapidly developed advanced control systems. Their development has a huge influence on the maintenance of geodetic sites. The comparison of control systems allows you to specify changes to support geodesy. In many cases, the development of control systems will limit the range of typical
adjustment, coordination and control of the digital terrain model of the project to digitize and progress of works.
Technological advance in the world is inevitable and permanent. The role and place of the profession of surveyors in this rapidly changing world will depend largely on the ability to adapt and incorporate the changes taking place in the field of professional work.
The article presents the issue of the use of manual surveying sites on the background of different control systems.
Key words: control systems, construction surveying services, satellite navigation, GPS
WPROWADZENIE
Real Time Kinematic (RTK-pomiar w czasie rzeczywistym) to najbardziej zaawansowana technologia poáączenia nawigacji satelitarnej i áącza radiowego o duĪej szybkoĞci, pozwalająca wyznaczyü pozycjĊ danego punktu w czasie rze-czywistym z dokáadnoĞcią kilku centymetrów. Ograniczony zasiĊg stacji radio-wej zmniejsza promieĔ pomiarów do kilkudziesiĊciu kilometrów od stacji bazo-wej. W pomiarach geodezyjnych stosuje siĊ równieĪ system DGPS (Differential Global Positioning System) korzystający z poprawek róĪnicowych do danych z satelitów GPS. Poprawki DGPS pobierane równoczeĞnie z sygnaáem satelitar-nym (np. WAAS, EGNOS) zapewniają ok. decymetrową dokáadnoĞü, [(www.tpi.com.pl(2010),www.kt.agh.edu.pl(2010), www.heading.enter.net.pl/glo nass.htm (2010), www.kosmos.gov.pl (2010)], która jest wystarczająca dla wielu robót budowlanych.
Obecnie na terenie Polski moĪna korzystaü miĊdzy innymi z nastĊpujących systemów nawigacji satelitarnej: GPS Navstar, RóĪnicowy GPS, Glonass, EGNOS - Europejski System Wspomagania Satelitarnego, Galileo, Beidou, Doris, GNSS, Cykada i Cykada-M (http://galileo.kosmos.gov.pl).
W inwestycjach liniowych czĊsto spotykamy siĊ z problemem rozszerzenia zasiĊgu pracy RTK. SáuĪą do tego przekaĨniki radiowe. Z uwagi na moĪliwoĞü wzajemnych zakáóceĔ tzw. zapĊtleĔ (rys. 2) moĪna stosowaü maksymalnie dwa przekaĨniki.
Problem zapĊtleĔ moĪna rozwiązaü poprzez internet, wedáug schematu za-prezentowanego na rys. 3.
Podobnie jak w geodezji tradycyjnej, takĪe w nawigacji satelitarnej na do-káadnoĞü pomiarów duĪy wpáyw ma ukáad satelitów. Sygnaáy nadawane z sate-litów i odbierane przez odbiornik tworzą wciĊcie przestrzenne. WciĊcie pod zbyt ostrym kątem (rys. 4) powoduje spadek wiarygodnoĞci pomiarów lub wrĊcz uniemoĪliwia dokonanie odczytu.
ħródáo: opracowanie wáasne [http://www.tpi.com.pl] Source: own work [http://www.tpi.com.pl]
Rysunek 1. Schemat dziaáania RTK Figure 1. Schematics of RTK
ħródáo: opracowanie wáasne [http://www.tpi.com.pl] Source: own work [http://www.tpi.com.pl]
Rysunek 2. Przykáadowy schemat zapĊtlania siĊ przekaĨników Figure 2. Example diagram of the looping
ħródáo: opracowanie wáasne [http://www.tpi.com.pl] Source: own work [http://www.tpi.com.pl]
Rysunek 3. Rozszerzenie zasiĊgu RTK dla budowli liniowych Figure 3. RTK extension for linear structures
ħródáo: opracowanie wáasne [http://www.tpi.com.pl] Source: own work [http://www.tpi.com.pl]
Rysunek 4. Geometria wciĊcia przestrzennego w nawigacji satelitarnej Figure 4. Geometry of Spatial Navigation Satellite Indentation
CzĊstym ograniczeniem wykorzystania GPS na skutek braku widocznoĞci satelity moĪe byü:
− obfita wysoka roĞlinnoĞü, − wysoka zabudowa,
− obiekty inĪynierskie (mosty, wiadukty, tunele)
DziĊki jednak zastosowaniu Sieci Permanentnych Stacji Referencyjnych ASG EUPOS moĪemy wykonywaü pomiary w sytuacjach niekorzystnych lub niedostĊpnych dla klasycznych pomiarów GPS.
ħródáo: Opracowanie wáasne [http://www.kt.agh.edu.pl] Source: own work [http://www.kt.agh.edu.pl]
Rysunek 5. Schemat pomiarów w trybie RTK (Real Time Kinematic)
z wykorzystaniem Aktywnej Sieci Geodezyjnej ASG EPOS
Figure 5. Scheme of measurements in RTK (Real Time Kinematic)
using the Active Geodetic Network ASG EPOS
DziĊki temu moĪliwe staáo siĊ wyposaĪenie sprzĊtu budowlanego w systemy sterowania, ĞciĞle powiązane z numerycznym modelem terenu i projektem. Pomiary GPS wykonywane z odpowiednią dokáadnoĞcią w realnym czasie na obiekcie bĊdącym w ruchu daáy podstawy do precyzyjnego sterowania i kontroli pracy maszyn budowlanych. Dla pracy geodety istotne znaczenie ma wiedza z zakresu obsáugi geodezyjnej budów, obsáugiwanych przez systemy sterowania. Producenci systemów sterownia zmierzają do caákowitej automaty-zacji pracy i zmiany charakteru obsáugi geodezyjnej poprzez
zmniejsze-nie bezpoĞredzmniejsze-niej pracy terenowej tzn. wytyczeĔ i pomiarów kontrolnych. ZwiĊkszy siĊ natomiast udziaá i zaangaĪowanie geodetów przy opracowaniu numerycznego modelu terenu i prac związanych z jego kalibracją, i z numerycz-nym projektem technicznumerycz-nym.
PORÓWNANIE SYSTEMÓW STEROWANIA FIRMY TRIMBLE
Rozwój technologii pozwoliá na sterowanie maszynami budowlanymi we wspóápracy z zewnĊtrznymi urządzeniami pomiarowymi.
Praca maszyn budowlanych prowadzona moĪe byü w oparciu o [Dąbrow-ski 2010a i b]:
− metody wizualne (tradycyjne, intuicyjne) – poziomem odniesienia dla operatora są paliki (drut) zastabilizowane zgodnie z projektem,
− systemy pomiarowe (poĞrednie, niepeáne) – poziomem odniesienia: dla czujników zamontowanych na maszynie budowlanej jest páaszczyzna wyzna-czona przez laser lub dane z tachimetru, dla operatora poziomem odniesienia są wskazania czujnika,
− systemy sterowania (peáne 3D) – poziomem odniesienia są dane pocho-dzące z nawigacyjnych systemów satelitarnych i z projektu numerycznego przetworzone przez komputer pokáadowy i w formie przetworzonej wyĞwietlone na ekranie w kabinie operatora.
Prace budowlane wymagające najwyĪszej dokáadnoĞci narzucają koniecz-noĞü wyznaczenia wspóárzĊdnych odpowiednich punktów z milimetrową do-káadnoĞcią. Z uwagi na szybki rozwój technologiczny, systemy sterowania no-wej generacji cechuje duĪa elastycznoĞü i modularnoĞü. Szeroki wachlarz zastosowaĔ w budownictwie drogowym, mieszkaniowym, czy teĪ przy budowie obiektów sportowych korzystnie wpáywa na konkurencyjnoĞü danego systemu sterowania. MoĪliwoĞü mierzenia odpowiedniej: wysokoĞci, nachylenia i wy-chylenia, to podstawowe kryteria doboru odpowiedniego sprzĊtu. ElastycznoĞü systemu moĪemy uzyskaü poprzez zastosowanie odpowiedniego wyposaĪenia, co ma bezpoĞredni wpáyw na cenĊ i dokáadnoĞü wykonywanych prac.
Systemy sterowania w zaleĪnoĞci od potrzeb mogą byü wyposaĪone miĊ-dzy innymi w:
− podwójny GPS (zastosowanie: równiarki, spychacza, zgarniarki, koparki), − pojedynczy GPS (zastosowanie: równiarki, spychacza, zgarniarki, ko-parki, walca ),
− pojedynczy UTS (w wersji wczesniiejszej ATS; zastosowanie: równiarki, spychacza).
− wiele UTS (zastosowanie: rozĞcieáacz)
Systemy sterowania mają gáównie za zadanie: przyĞpieszenie pracy, zmniejszenie liczby poprawek, ograniczenie do minimum wytyczeĔ i prac
kon-trolnych, a w efekcie finalnym redukcjĊ kosztów i polepszenie zarządzania tabo-rem.
W systemach GCS firmy Trimble dostĊpne są do wykorzystania:dalmierze ultradĨwiĊkowe, lasery, GPS, GPS ze wspomaganiem laserowym, UTS.
Podstawowym kryterium doboru wyposaĪenia systemów sterowania jest dokáadnoĞü wykonywania konkretnych prac budowlanych. Porownanie dokáad-noĞci systemów zastosowanych przez firmĊ Trimble zawiera tabela 1.
Tabela 1. Porównanie systemów sterowania w zaleĪnoĞci od wyposaĪenia Table 1. Comparison of control systems depending on equipment
Laser GPS GPS + Laser UTS
ZasiĊg w pionie nachylenie0.2m + bez ograniczeĔ nachylenie1m + >10m
ZasiĊg w poziomie 900m >10,000m 450m 700m
Rząd dokáadnoĞci w pionie mm cm mm mm
Rząd dokáadnoĞci w poziomie nie dotyczy cm cm mm
Wymaganie widocznoĞci tak nie tak tak
CzĊstoĞü ustawieĔ codziennie (na placu budowy)raz codziennie codziennie
ħródáo: Opracowanie wáasne. Source: own.
PojedyĔczy odbiornik GPS jest optymalny przy pracy z kilkoma maszy-nami na jednym placu budowy gdy nie jest wymagana duĪa dokáadnoĞü i precyzja prac, na przykáad przy pracach polegających na przemieszczeniu mas materiaáu.
UTS (Universal Total Stadion – precyzyjny tachimetr robotyczny, wcze-Ğniej ATS (Advenced Tracking Sensor - zaawansowany czujnik Ğledzenia) jest zalecany przy pracy z pojedynczą maszyną i czĊstym jej przenoszeniu gdy liczy siĊ dokáadnoĞü wykoĔczenia prac.
Pojedynczy odbiornik laserowy steruje wysokoĞcią lemiesza, natomiast nachylenie lemiesza sterowane jest rĊcznie. Dla uzyskania zadanej dokáadnoĞci na duĪych nachyleniach, wymaganych jest wiele przejazdów maszyny. NajwyĪ-sze dokáadnoĞci lasery uzyskują we wspóápracy z UTS.
Zamontowanie dwóch odbiorników laserowych pozwala na sterowanie wysokoĞcią oraz nachyleniem lemiesza. System taki pozwala na wiĊkszą kon-centracjĊ operatora na prowadzeniu maszyny. DziĊki temu uzyskuje siĊ wiĊkszą efektywnoĞü i dokáadnoĞü pracy.
Dwa odbiorniki GPS to system uzyskujący wysoką dokáadnoĞü i jest bar-dzo wszechstronny. DziĊki niemu moĪemy znacznie lepiej wykorzystaü atuty danej maszyny. Na przykáad dla równiarki lepiej moĪna wykorzystaü: wysuniĊ-cie lemiesza, pochylenie kóá przednich i moĪliwoĞü áamania ramy maszyny. Podwójny GPS to przede wszystkim dokáadniejsze zorientowanie maszyny. Wedáug firmy Trimble, systemy dwóch GPS-ów daje wyĪszą dokáadnoĞü niĪ
ħródáo: Opracowanie wáasne [Instrukcja obsáugi kontroli sytemu skali GCS 900 ] Source: own work [Instrukcja obsáugi kontroli sytemu skali GCS 900 ]
Rysunek 6. Wykres zaleĪnoĞci ceny od funkcjonalnoĞci systemu Figure 6. A graph of the correlation of prices with the system functionality
Rys. nr 6 przedstawia zaleĪnoĞü ceny i funkcjonalnoĞci poszczególnych systemów, i potwierdza zasadĊ, Īe cena jest silnie skorelowana z funkcjonalno-Ğcią i moĪliwoĞciami urządzenia.
WNIOSKI KOēCOWE Z PORÓWNANIA SYSTEMÓW STEROWANIA FIRMY TRIMBLE
Systemy sterowania zastosowane do cywilnych potrzeb są caákowicie za-adaptowane z wczeĞniejszych systemów wojskowych. Pierwsze próby nawigacji satelitarnej pojawiáy siĊ juĪ pod konie lat piĊüdziesiątych (!). SáuĪby wojskowe krajów wysoko rozwiniĊtych [www.kosmos.gov.pl (2010)] potrafiáy okreĞliü wspóárzĊdne przemieszczającego siĊ punktu z duĪą dokáadnoĞcią, juĪ w latach siedemdziesiątych ubiegáego wieku. Wszelkiego typu czujniki ruchu uĪywane obecnie w sprzĊcie geodezyjnym i budowlanym, miaáy szerokie zastosowanie wiele lat temu, przy budowie w rakiet balistycznych. Po opanowaniu kosmosu dla celów militarnych (systemy sterowania pociskami rakietowymi) systemy nawigacyjne znajdują coraz szersze zastosowanie w wielu dziedzinach Īycia, miĊdzy innymi w budownictwie. MoĪliwoĞü orientacji punktu w przestrzeni wraz z okreĞleniem kierunku przemieszczania znajdzie bardzo szerokie wanie we wspóáczesnym Ğwiecie [Dąbrowski 2010]. Udane próby ich zastoso-wania na placach budów pozwalają przypuszczaü, Īe wiele prac z geodezyjnej obsáugi budów liniowych zostanie w swym zakresie ograniczonych. Byü moĪe, Īe w przyszáoĞci wytyczanie duĪych obiektów w terenie zostanie ograniczone do minimum. Zdecydowanie jednak wzroĞnie rola i znaczenie numerycznego mo-delu terenu i umiejĊtnoĞü kalibracji z projektem numerycznym. Zmiany zacho-dzące na rynku udowadniają, ze coraz wiĊksze znaczenie w procesie ksztaácenia geodetów powinna zajmowaü geomatyka i systemy informacji o terenie. Rozwój nawigacji satelitarnych w przyszáoĞci prawdopodobnie znacznie ograniczy
tra-dycyjne pomiary geodezyjne. BĊdzie to miaáo duĪy wpáyw na sposób i zakres ksztaácenia geodetów. W przyszáoĞci zdaniem autora geodeci, a wáaĞciwie fa-chowcy od systemów informacji o badanym obiekcie (obecnie ziemi) ze skali makro bĊdą wykorzystywani w skali mikro. Na przykáad obecnie wykonywane operacje laparoskopowe mogą byü w przyszáoĞci szeroko zastąpione odpowied-nimi systemami sterowania. Maszyna budowlana pracująca samodzielnie na podstawie NMT w skali makro do záudzenia przypomina narzĊdzie chirurgiczne pracujące w czasie operacji pod kontrolą specjalisty. DziĞ nie jesteĞmy jeszcze w stanie okreĞliü wszystkich moĪliwych zastosowaĔ systemów sterowania. Ich wpáyw na Īycie gospodarcze i na otaczającą nas rzeczywistoĞü trudny jest do przewidzenia. Niewątpliwie rozwój systemów sterowania znacznie ogranicza nakáady pracy i ma istotny wpáyw na podniesienie efektywnoĞci pracy.
Do zalet systemów sterowania moĪemy zaliczyü: − podniesienie wydajnoĞci i dokáadnoĞci pracy, − ograniczenie prac przygotowawczych i kontrolnych,
− caákowita kontrola nad przebiegiem pracy poszczególnej maszyny i caáej floty,
− zminimalizowanie ryzyka kradzieĪy lub niewáaĞciwego wykorzystania maszyn budowlanych,
− natychmiastowa reakcji serwisu na awarie lub brak paliwa, Do wad systemów sterowania moĪemy zaliczyü:
− znaczący koszt inwestycji,
− brak opáacalnoĞci stosowania systemów dla maáych obiektów, − duĪa wraĪliwoĞü na mechaniczne uszkodzenia,
− szkodliwy wpáyw na zdrowie osób pracujących w obrĊbie strefy bezpo-Ğredniego oddziaáywania systemu sterowania (fale radiowe, promieniowanie laserowe itp.).
BIBLIOGRAFIA
Dąbrowski J. Systemy pomiarowe w pracach geodezyjno-budowlanych. Geomatyka i inĪynieria. Kwartalnik 1/2010, Jarosáaw 2010. ss.63.
Dąbrowski J. Systemy sterowania w pracach geodezyjno-budowlanych. Geomatyka i inĪynieria. Kwartalnik 2/2010, Jarosáaw 2010. ss.74.
Instrukcja obsáugi kontroli sytemu skali GCS 900 Niemcy 2008. ss. 168. http://www.tpi.com.pl [dostĊp: 12 paĨdziernika 2010].
http://www.kt.agh.edu.pl [dostĊp: 12 paĨdziernika 2010].
http://www.heading.enter.net.pl/glonass.htm [dostĊp: 14 paĨdziernika 2010]. http://www.kosmos.gov.pl [dostĊp: 14 paĨdziernika 2010].
PaĔstwowa WyĪsza Szkoáa Techniczno-Ekonomiczna w Jarosáawiu im. ks. Bronisáawa Markiewicza Instytut InĪynierii Technicznej The State School of Higher Vocational Education in Jarosáaw The Institute of Technical Engeeniring e-mail:jd@pwszjar.edu.pl 37-500 Jarosáaw, ul. Czarnieckiego 16 tel. (16) 621-75-20 Recenzent: Prof. dr hab. inĪ. Waldemar KrupiĔski
