Повышение эффективности строительства внутрихозяйственных автомобильных дорог в сельскохозяйственных предприятиях и организациях

Введение. Основные технические решения проектов новых или реконструкции существующих внутрихозяйственных дорог (элементы плана, продольного и поперечных профилей, типы пересечений и примыканий дорог, конструкция земляного полотна и дорожной одежды) должны приниматься на основе результатов сравнения технико-экономических показателей вариантов, учитывая категорию дороги, ее назначение, перспективную интенсивность движения, состав и нормативную нагрузку на ось транспортных средств, намечаемые способы производства и сроки строительных работ, наличие местных дорожно-строительных материалов или (при их отсутствии) затраты на изготовление, транспортирование и складирование строительных материалов и изделий, наличие производственной базы дорожно-строительных организаций, ценность занимаемых дорогой сельскохозяйственных угодий, специализацию и технологию сельскохозяйственного производства, сезонность работ, климатические, топографические, инженерно-геологические, гидрогеологические и другие условия района строительства [1].

Транспорт сельскохозяйственного назначения выступает в качестве одной из базовых отраслей национального хозяйства России. От степени развития и эффективности его работы зависит бесперебойность всех отраслей сельского хозяйства, а также каждого предприятия либо организации в отдельности. Социально-экономическое развитие страны, а также вступление во Всемирную торговую организацию (ВТО) сопровождается увеличением нагрузки на сельскохозяйственную транспортную сеть, в частности на внутрихозяйственные автомобильные дороги [2].

Современные асфальтобетонные дорожные покрытия - сложное инженерное сооружение, особенно в суровых климатических условиях России, когда погодные условия разных сезонов года могут несколько раз меняться в течение одних суток (изменение температуры окружающей среды - с положительной на отрицательную - до 15 0С; выпадение атмосферных осадков - жидких, твердых; изменение силы, продолжитель- ности, направления ветра и т.п.), что оказывает неблагоприятное воздействие на сохранность и долговечность дорожного полотна.

Основным критерием повышения эксплуатационных качеств внутрихозяйственных автомобильных дорог является их правильное строительство и ремонт с соблюдением всех технологических требований. Но, как показывает практика формирование асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, реконструкция дорожных одежд и ремонтные работы дорог осуществляются с грубыми нарушениями, т.е. вышеперечисленные работы выполняются в неблагоприятные погодные условия с нарушением технологических требований, что снижает сохранность и эксплуатационные качества автомобильных дорог в 3–5 раз [3]. Поэтому строительство, эксплуатация и ремонт внутрихозяйственных автомобильных дорог требуют огромных инвестиций.

Данные проблемы привели к необходимости решения и создания различных систем и устройств по формированию асфальтобетонных дорожных одежд [4–6]. В связи с этим необходимо создание адаптивной системы управления процессом уплотнения дорожного полотна при строительстве внутрихозяйственных автомобильных дорог, которое будет сокращать процесс укладки дорожного полотна во времени, увеличивать срок службы асфальтобетонного покрытия и производительность дорожно-строительных работ.

Цель исследования. Обеспечение эффективного управления процессами дорожного строительства для повышения качества асфальтобетонных покрытий внутрихозяйственных автомобильных дорог за счет использования современных информационных технологий и автоматизации процесса уплотнения.

Для решения поставленной цели исследования были определены следующие задачи :

• 1)    исследовать современные системы автоматического управления процессом укладки дорожного полотна;

• 2)    обосновать необходимость выбора современных информационных технологий в управлении процессами дорожного строительства;

• 3)    разработать структурную схему цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы по проблеме исследования.

В работе [7] рассмотрена система автоматического управления положением выглаживающей плиты асфальтоукладчика, содержащая датчик углового положения, датчик высотного положения, блок управления и гидравлические приводы; в датчике высотного положения применен емкостной чувствительный элемент, а органы управления размещены на датчиках.

Недостатком известной системы является низкая эффективность системы автоматического цифрового управления, обусловленная тем, что при уплотнении асфальтобетонной смеси машинисту-оператору необходимо выполнять настройку рабочего органа асфальтоукладчика по высоте с помощью специального привода и визуально следить за параметрами работы асфальтоукладчика для обеспечения качественного дорожного покрытия.

Известна система автоматического управления рабочего органа асфальтоукладчика [8], содержащая датчик углового положения с индикатором ошибки и переключателями задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения с индикатором ошибки, блок управления, дискретные гидравлические приводы и тензометрический преобразователь усилия в металлоконструкции трамбующего бруса.

Недостатком представленной работы является низкая эффективность системы автоматического цифрового управления, обусловленная тем, что степень уплотнения асфальтобетонной смеси в процессе ее уплотнения контролируется тензометрическим преобразователем усилия в металлоконструкции трамбующего бруса; кроме того, в системе отсутствуют адаптивный (сенсорный) датчик на раме рабочего органа асфальтоукладчика для мгновенного реагирования на изменение какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса, блок фазификатор для перевода исходных данных с датчиков, контролирующих управляющий процесс, в значения лингвистических переменных; блок адаптивного управления для реализации процедуры нечеткого вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний системы управления, в результате чего формируются выходные лингвистические значения; блок дефазификатор для перевода лингвистических значений в точные значения результатов вычислений и формирования управляющих воздействий, подаваемых на дискретные гидравлические приводы, что снижает точность автоматического цифрового управления и приводит к длительному процессу укладки дорожного полотна во времени, значительному сокращению срока службы асфальтобетонного покрытия и снижению производительности дорожно-строительных работ.

Следовательно, можно сделать вывод о необходимости повышения эффективности цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси за счет применения сенсорного датчика на раме рабочего органа асфальтоукладчика, обеспечивающего мгновенное реагирование на изменение какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса; блока-фазификатора, обеспечивающего перевод исходных данных с датчиков, контролирующих управляющий процесс, в значения лингвистических переменных; блока адаптивного управления, обеспечивающего реализацию процедуры нечеткого вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний системы управления, в результате чего формируются выходные лингвистические значения; блока-дефазификатора, обеспечивающего перевод лингвистических значений в точные значения результатов вычислений и формирование управляющих воздействий, подаваемых на дискретные гидравлические приводы, а также повышение точности цифрового адаптивного управления и значительное сокращение процесса укладки дорожного полотна во времени, увеличение срока службы асфальтобетонного покрытия и производительности дорожностроительных работ.

Для решения поставленной задачи цифровая адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси [9], содержащая датчик углового положения с индикатором ошибки и переключателями задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения с индикатором ошибки, дискретные гидравлические приводы и тензометрический преобразователь усилия в металлоконструкции трамбующего бруса, она дополнительно содержит сенсорный датчик, установленный на раме рабочего органа асфальтоукладчика, блок фазификатор с четырьмя входами, блок адаптивного управления и блок дефазификатор, при этом датчик углового положения, вырабатывающий сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от гравитационной вертикали, связан с первым входом блока фазификатора, датчик высотного положения, вырабатывающий сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа от заданного копиром положения, связан со вторым входом блока фазификатора, тензометрический преобразователь усилия, вырабатывающий сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции трамбующего бруса, связан с третьим входом блока фазификатора, а сенсорный датчик, вырабатывающий сигнал, пропорциональный изменению какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса, связан с четвертым входом блока фазификатора, блок фазификатор, обеспечивающий перевод исходных данных с упомянутых датчиков, контролирующих управляющий процесс, в значения лингвистических переменных, связан с блоком адаптивного управления, реализующим процедуры нечеткого вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний системы управления, и формирующим выходные лингвистические значения для связанного с ним блока дефазификатора, обеспечивающего перевод лингвистических значений в точные значения результатов вычислений и формирующего управляющие воздействия, подаваемые на дискретные гидравлические приводы для сведения текущих ошибок к нулю.

На рисунке приведена структурная схема цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси.

Структурная схема цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси

Цифровая адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси содержит датчик углового положения 1 , имеющий индикатор ошибки и переключатели задатчика стабилизируемого угла, датчик высотного положения 2 , имеющий индикатор ошибки, тензометрический преобразователь усилия 3 , сенсорный датчик 4 , блок фазификатор 5 , блок адаптивного управления 6 , блок дефазификатор 7 и дискретные гидравлические приводы 8 . Датчик углового положения 1 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа асфальтоукладчика от гравитационной вертикали. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика углового положения 1 на первый вход блока фазификатора 5 . Датчик высотного положения 2 вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный величине отклонения рабочего органа от положения, заданного копиром. Сигнал ошибки поступает с выхода датчика высотного положения 2 на второй вход блока фазификатора 5 . Тензометрический преобразователь усилия 3 вырабатывает сигнал, пропорциональный усилию в металлоконструкции трамбующего бруса, который поступает с выхода тензометрического преобразователя усилия 3 на третий вход блока фазификатора 5 . Сенсорный датчик 4 , установленный на раме рабочего органа асфальтоукладчика, вырабатывает сигнал, пропорциональный изменению какого-либо фактора окружающей среды и технологического процесса, который поступает с выхода сенсорного датчика 4 на четвертый вход блока фазификатора 5 . Блок фазификатор 5 переводит исходные данные с датчиков, контролирующих управляющий процесс, в значения лингвистических переменных, для блока адаптивного управления 6 . Блок адаптивного управления 6 реализует процедуры нечеткого вывода на множестве продукционных правил, составляющих базу знаний системы управления, в результате чего формируются выходные лингвистические значения для блока дефазификатора 7 . Блок дефазификатор 7 переводит лингвистические значения в точные значения результатов вычислений и формирует управляющие воздействия, подаваемые на дискретные гидравлические приводы 8 для сведения текущих ошибок к нулю. Длительность и частота управляющих сигналов зависят от величины ошибки.

Результаты исследования. Выполненный научный анализ существующих современных систем автоматического управления процессом укладки дорожного полотна показал, что для обеспечения технологической работоспособности асфальтоукладчика по-прежнему применяется труд машиниста-оператора и не в полном объеме используются современные информационные технологии, что подтверждает низкую эффективность системы автоматического цифрового управления. Путем анализа технической и патентной литературы была предложена новая цифровая адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси, обеспечивающая повышение точности цифрового адаптивного управления и значительное сокращение процесса укладки дорожного полотна во времени, увеличение срока службы асфальтобетонного покрытия и производительность дорожно-строительных работ.

Выводы

• 1.    Современные достижения в области автоматического управления процессом укладки дорожного полотна создают предпосылки необходимости проведения дополнительных научных исследований для поиска новых технических решений и разработки устройств управления технологическим процессом.

• 2.    Обоснован выбор современных информационных технологий в управлении процессами дорожного строительства.

• 3.    Предложена структурная схема цифровой адаптивной системы управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси. Получен патент на изобретение № 2499095 РФ «Цифровая адаптивная система управления процессом уплотнения асфальтобетонной смеси».