Positionierungslösung für Straáenwalzen - Grundlage für eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und Dokumentation der Verdichtungsarbeit im Asphaltbau [online]

Kurzfassung

Es liegt nahe, im Baubetrieb computerunterstützte Systeme für
die Steuerung, Überwachung und Dokumentation der Bauausführung
einzusetzen. Abgesehen von der Verbesserung des Arbeitsablaufes
und der Arbeitsergebnisse ermöglichen es die Systeme, durch die
Speicherung von Arbeits- und Prozeßdaten, die Baumethoden exakt
mit Qualitätsmerkmalen, sowie Erstellungs- und Folgekosten zu
verknüpfen. Eine betriebswirtschaftliche Analyse für den
gesamten Lebenszyklus eines Projektes wird möglich.
Im Asphaltstraßenbau bietet sich die Verwendung
computerunterstützter Systeme vor allem wegen des Charakters der
Verfahrenstechnik an; denn es überwiegen sich wiederholende und
klar definierbare Arbeitsschritte. Forschung und Industrie haben
sich im letzten Jahrzehnt der Herausforderung gestellt und
hochkomplexe Systeme für die kontinuierliche Steuerung,
Überwachung und Dokumentation der Bauausführung im Straßenbau
entwickelt, man spricht von Computer Integrated Road
Construction (CIRC). Die aktuellen CIRC-Maschinensysteme
realisieren die Zuordnung der Daten durch eine zwar robuste und
präzise, aber auch kostenaufwendige Positionierung. Die hohen
... mehrKosten stehen bisher der Durchsetzung der Systeme in der Praxis
entgegen. Eine möglichst einfache und kostengünstige Alternative
zu bisherigen Positionierungslösungen würde die Anwendung der
CIRC-Maschinensysteme fördern. Die vorliegende Untersuchung
erarbeitet eine kostengünstige Positionierungslösung für den
Walzeinsatz im Asphaltbau.
Aus der wertenden Beschreibung der Verfahrenstechnik des
Asphaltstraßenbaus (Kapitel 2) und der Prüfungsmethoden, die zur
Feststellung der Qualität der fertigen Leistung angewandt
werden, wird die Forderung abgeleitet, die Verdichtungsarbeit
durch eine gleichmäßige Anzahl von Überfahrten auf der
Arbeitsfläche zu verbessern. Es läßt sich feststellen, daß die
Anzahl der Überfahrten während der Verdichtungsarbeit
entscheidenden Einfluß auf die erzielte Verdichtung hat. Die
erforderliche Anzahl an Überfahrten wird, wie die Untersuchung
zeigt, in den Randbereichen zumeist unter- und in der Mitte des
Verdichtungsbereiches regelmäßig überschritten. Daraus folgt die
Notwendigkeit, die Verdichtungsarbeit bereits während der
Überfahrten kontinuierlich so zu überwachen, daß sogleich
Korrekturen der Fahrmuster und eine zuverlässige Feststellung
der je Bahn geleisteten Überfahrten möglich sind. Durch die
flächendeckende Überwachung und deren Dokumentation ist es
darüber hinaus möglich, von punktuellen Prüfungen der fertigen
Leistung auf die gleichmäßige Verdichtung der gesamten
Arbeitsfläche zu schließen.
Aktuelle CIRC-Systeme für Walzen im Asphaltstraßenbau gliedern
sich in Aktive Systeme (Messung von Bodenreaktionskräften, mit
oder ohne automatische Regelung der Parameter für die
Vibrationsverdichtung) und Passive Systeme (Visualisierung und
Dokumentation der Verfahrbahnen, mit und ohne Wegeplanung).
Passive Systeme sind dabei mit geringerem meßtechnischen Aufwand
realisierbar und bieten, durch die flächige Darstellung der
geleisteten Überfahrten, eine aussagekräftige und zuverlässige
Kontrollmethode. Dabei verwenden die in Kapitel 3 vorgestellten
CIRC-Maschinensysteme sehr teuere, aber hochgenaue
RTK-GPS-Empfänger als Basis der Positionierung. Diese erlauben
Meßgenauigkeiten bis zu wenigen Zentimetern.
Das Konzept eines Passiven Systems für die Überwachung und
Dokumentation der Verfahrbahnen einer Walze mit möglichst
geringem meßtechnischen Aufwand wird in Kapitel 4 vorgestellt.
Die minimalen Anforderungen an die erforderliche Meßgenauigkeit
der Positionierung werden untersucht und festgelegt. Diese
erlauben nun eine kostengünstigere Realisierung der
Positionierung als bisher praktiziert. Es wird begründet, daß
die im Vergleich zu bisherigen Anforderungen geringere
Meßgenauigkeit ohne Einfluß auf die Leistungsfähigkeit und
Anwendbarkeit des Systems der kontinuierlichen Kontrolle ist.
Für die Positionierung bietet sich die Satellitennavigation an
(Kapitel 5). Die Verwendung eines C/A-Code GPS-Empfängers
erweist sich als kostengünstige Lösung und wird in zahlreichen
statischen und kinematischen Versuchen untersucht. Dabei wird
eine, den gesetzten Anforderungen entsprechende Meßgenauigkeit
erreicht. Die Versuche zeigen eine Wiederholbarkeit.
Von diesen Ergebnissen ausgehend, wird eine
Positionierungslösung für den Baubetrieb auf der Basis
kostengünstiger GPS-Empfänger vorgestellt (Kapitel 6). Um die
für den Baubetrieb erforderliche und ausreichende Sicherheit der
Positionierung zu erreichen, werden zwei voneinander unabhängige
kostengünstige GPS-Empfänger eingesetzt und mit einem
Geschwindigkeitssensor kombiniert. Dabei wird eine Serie
asynchroner Erweiterter Kalman-Filter genutzt, um redundante
Messungen zu verarbeiten und zu einer globalen Zustandsschätzung
zusammenzuführen. In zahlreichen Feldversuchen hat der Verfasser
die neuartige, kostengünstige Positionierung für Walzen
untersucht. Sie wurde zuletzt bei umfangreichen Baustellentests
während des Forschungsprojektes OSYRIS im September 2002 in
Schweden erfolgreich eingesetzt.
Das in dieser Arbeit vorgestellte kostengünstige
Positionierungssystem für Asphaltwalzen wird zur Zeit durch die
MOBA Mobile Automation AG, einen industriellen Partner des
Forschungsprojektes OSYRIS, in ein CIRC-System für Asphaltwalzen
integriert. Die Vorstellung des Prototyps ist für das Frühjahr
2004 geplant.