Перспективы роботизации инженерно-геологических изысканий в России | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 25 января, печатный экземпляр отправим 29 января.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №16 (463) апрель 2023 г.

Дата публикации: 19.04.2023

Статья просмотрена: 144 раза

Библиографическое описание:

Мигилёв, И. А. Перспективы роботизации инженерно-геологических изысканий в России / И. А. Мигилёв, С. В. Ланько. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 16 (463). — С. 30-34. — URL: https://moluch.ru/archive/463/101740/ (дата обращения: 16.01.2025).



Развитие цифровых технологий, в том числе и робототехники, все больше оказывает влияние как на повседневную жизнь, так и на профессиональную среду. Роботизация различных процессов позволяет повысить качество работ, а также ускорить процессы. Внедрение робототехники в строительную сферу происходит медленными темпами, однако уже есть несколько успешных примеров. Например, печать здания при помощи 3D принтера, китайской компанией «Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co» [1]. При проведении инженерно-геологических изысканий при больших площадях внедрение робототехники для некоторых видов работ позволит минимизировать количество человек (зачастую это важный фактор в труднодоступных местах) и ускорить процессы. Наиболее подходящий вид работ, в который можно роботизировать — статическое зондирование грунтов.

Ключевые слова: робототехника, роботизация, инженерно-геологические изыскания, статическое зондирование.

Статическое зондирование обладает значительной технико-экономической эффективностью, позволяет оперативно получать очень большие объемы информации. Данное зондирование позволяет анализировать грунтовые условия площадок работ, выделять ИГЭ, характеризовать их свойства и выполнять анализ фундаментов. Выполнение этого вида полевых испытаний грунтов можно смело рекомендовать в качестве первого этапа полевых инженерно-геологических изысканий [2]. Статическое зондирование состоит в определении силы сопротивления грунта при погружении с помощью гидравлического устройства, создающего усилие на штангу [3]. В процессе статического зондирования грунтов происходит внедрение зонда, снабженного датчиками силы, температуры, порового давления и др.

Выполнение статического зондирования грунтов подразумевает два подхода при выполнении испытаний, отличающихся способом задавливания зонда. В первом подходе проводится непрерывное задавливание зонда в грунт с постоянной скоростью, равной 2 см/с и принятой в качестве стандартной как в России, так и в мировой практике. В процессе задавливания ведется запись показаний датчиков зонда и строятся диаграммы «скоростных» значений показателей зондирования в зависимости от глубины. Во втором подходе проводится прерывистое задавливание зонда в грунт. Зонд также погружается в грунт с постоянной скоростью, однако перерывы осуществляются на заранее заданной глубине, где выполняется остановка вдавливания зонда и ведется запись параметров зондирования в режиме «релаксации». Каждая такая остановка соответствует отдельному испытанию на заданной глубине, где осуществляется запись данных во времени. В этом случае давление масла не сбрасывается для поддержания зонда строго на постоянной глубине и его положение зафиксировано, равно как и деформация грунта непосредственно под зондом. Такая методика испытания близка к описанному С. С. Вяловым лабораторному динамометрическому методу, где измеряется релаксация напряжения в мерзлом грунте при постоянной деформации [4].

При статическом зондировании на установке УСЗ-20 существует возможность роботизации процессов, которыми руководит человек внутри машины. Предлагается изменить управление гидросистемой опускания, подъёма штанг. На данный момент управлением занимается рабочий, который приводит в действия рычаги или кнопки. Механическое управление можно перенести на пульт управления или в другое отведенное устройство и инженер, при нажатии на определенную функцию, будет получать желаемый результат, не приводя в исполнение рычаг внутри установки. Также не мало важный процесс — установка, замена штанг для зондирования. Существует возможность внедрения робота-манипулятора, который при необходимости сможет произвести замену или установку штанг по команде. Следовательно, можно полностью роботизировать процессы внутри установки УСЗ-20.

Одним из ключевых решений о минимизировании количества рабочих является — роботизация. При этом решении будет необходима группа людей, для транспортировки робота, и инженер, который будет непосредственно управлять им. Концепцию робота можно взять с примера марсоходов “Curiosity” и “Perseverance”. Роверы выполняют похожие задачи, взятие проб грунта с последующим анализом.

С инженерно-геологическими изысканиям стоит похожая задача, различие заключается в глубине отбора образцов и видах исследования. Управление робота может осуществляться как удалённо, так и непосредственно на объекте инженером (буровым мастером). Такой вид изысканий позволит предварительно оценить инженерно-геологические условия площадки для последующего бурения классическим способом.

При статическом зондировании на установке УСЗ-20 существует возможность роботизации процессов, которыми руководит человек внутри машины. Предлагается изменить управление гидросистемой опускания, подъёма штанг. На данный момент управлением занимается рабочий, который приводит в действия рычаги или кнопки. Механическое управление можно перенести на пульт управления или в другое отведенное устройство и инженер, при нажатии на определенную функцию, будет получать желаемый результат, не приводя в исполнение рычаг внутри установки. Также не мало важный процесс — установка, замена штанг для зондирования. Существует возможность внедрения робота-манипулятора, который при необходимости сможет произвести замену или установку штанг по команде. Следовательно, можно полностью роботизировать процессы внутри установки УСЗ-20.

Схема роботизации механического движения внутри машины

Рис. 1. Схема роботизации механического движения внутри машины

Схема роботизации замены/установки штанг зондирования

Рис. 2. Схема роботизации замены/установки штанг зондирования

По аналогии с БПЛА, роботов можно программировать на прохождение маршрутов, оснащать “умными камерами” для оценки рельефа и наличию препятствий. Роботов можно запрограммировать на выполнение задач с высокой точностью, при этом устройства смогут работать в течение длительного периода времени без перерывов или отдыха, что позволяет ускорить процесс анализа грунта. Также они могут обеспечить безопасность на опасных участках, например, в местах с неустойчивым грунтом. Наиболее отрицательными сторонами является стоимость роботов и их обслуживание.

На первоначальных этапах затраты на покупку устройств и обучение персонала могут быть высокими, но в долгосрочной перспективе расходы будут значительно ниже, в сравнении с традиционными методами. Так же как вариант экономии топлива может служить концепция двух двигателей в роботе.

Такую технологию активно используют автомобильные компании, при создании гибридного авто, преобразование механической энергии в электрическую. В основе может находиться японский автомобиль Toyota Prius. Машина использует электродвигатель наряду с бензиновым для обеспечения тяги. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами, который работает на принципах электромагнетизма. Он состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с катушками проволоки. Когда электрический ток пропускается через катушки проволоки, создается магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора и создает вращательную силу или крутящий момент. Данную технологию можно применить в изобретаемом роботе, для обеспечения дополнительной мощности. Таким образом существенно снизится срок окупаемости устройства.

Технологии марсоходов могут быть схожими с роботом в сфере инженерно-геологических изысканий [Рис. 5]. Марсоход “Curiosity” использует ударную дрель, расположенную на конце его роботизированной руки, для сбора образцов горных пород и почвы с Марса. Сверло располагается над целевым образцом, а рычаг устанавливается на место. Буровое долото вращается с высокой скоростью и врезается в поверхность, отламывая небольшой цилиндрический образец породы. Сверло убирается, оставляя образец на месте. Затем манипулятор берет образец и помещает его в прибор для анализа образцов марсохода на Марсе (SAM), который расположен внутри корпуса марсохода. SAM анализирует образец и возвращает информацию о его составе, которая помогает определить геологическую историю и потенциальную обитаемость Марса. Бур марсохода Curiosity предназначен для работы с различными типами горных пород и успешно собрал образцы из многих различных мест на Марсе.

Устройство Curiosity [5]

Рис. 3. Устройство Curiosity [5]

Марсоход Perseverance, который был запущен НАСА в июле 2020 года, также использует дрель для сбора образцов почвы и горных пород с Марса. Однако бур марсохода Perseverance немного отличается от бура марсохода Curiosity, поскольку он предназначен для сбора более полных и глубоких образцов из недр Марса. Сверло устанавливается над целевым образцом, и роботизированная рука марсохода устанавливается на место. Буровое долото вращается с высокой скоростью и врезается в поверхность, отламывая цилиндрический образец породы. Затем сверло убирается, оставляя образец на месте. Затем манипулятор берет образец и помещает его в систему кэширования образцов марсохода (SCS), которая расположена на роботизированной руке. SCS хранит образец в небольшом контейнере и подготавливает его для последующего извлечения с помощью миссии по возврату образца. Бур марсохода Perseverance предназначен для сбора более глубоких и полных образцов, чем бур марсохода Curiosity, что позволяет ученым изучать марсианские недра и искать свидетельства прошлых или нынешних условий обитания на планете.

Устройство Perseverance [6]

Рис. 4. Устройство Perseverance [6]

Предлагаемое устройство

Рис. 5. Предлагаемое устройство

В России есть множество условий для роботизации инженерно-геологических изысканий. Для развития технологий в данной отрасли существуют различного рода внеучебная деятельность. Например, с 2016 года работает детский технопарк — Кванториум. Также открываются инженерные школы, где дети осваивают компьютерные технологии и инженерию. В будущем это приведет к появлению специалистов, которые без каких-либо трудностей смогут создать все условия для развития роботизации в строительной сфере.

Литература:

  1. Иноземцев Александр Сергеевич, Королев Евгений Валерьевич, Зьюнг Тхань Куй. Анализ существующих технологических решений 3D-печати в строительстве, вестник МГСУ, стр. 867, 2018.
  2. Журнал «Инженерные изыскания», № 8, стр. 40–45, 2013.
  3. Мангушев Р. А., Карлов В. Д. Механика грунтов. Учебник. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, стр. 264, 2011.
  4. «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации»
  5. Материалы Пятнадцатой Общероссийской научно-практической конференции изыскательских организаций, стр. 313–316, 2019.
  6. Teledyne commends NASA on successful landing of Mars Rover Perseverance. 19.02.2021
  7. Maya Wei-Haas, NASA’s Perseverance rover made this selfie near a rock nicknamed Rochette on September 10, 2021, after drilling two chalk-size rock cores—the first successful samples the rover collected. 18.02.2022,
Основные термины (генерируются автоматически): статическое зондирование, SAM, SCS, марсоход, процесс, статическое зондирование грунтов, установка, буровое долото, высокая скорость, механическое управление.


Похожие статьи

Экономическая эффективность применения трёхмерного сканирования в архитектуре и строительстве

Данная статья освещает тему применения 3D-сканирования, как способ удешевления геодезических и обмерных работ в строительстве и архитектуре. Рассмотрена проблема оптимизации расходов и сокращения сроков выполнения инженерно-изыскательных работ.

Внедрение технологий информационного моделирования в процесс эксплуатации зданий и сооружений

Внедрение технологий информационного моделирования является комплексным проектом, затрагивающим деятельность практически всех служб и отделов эксплуатирующей организации. В рамках данной статьи рассматривается поэтапное внедрение BIM-технологий в эк...

Анализ особенностей нанодревесины как теплоизоляционного материала в проектировании зданий

Наноструктурные материалы обретают в строительстве все большую востребованность, что обусловлено их уникальными свойствами (высокая износостойкость, особые электрофизические свойства, огнеупорность, снижения гигроскопичности древесины и др.). В данно...

Совершенствования и оптимизация процессов углубления скважин за счет применения современного аппаратно-программного комплекса каротажа в процессе бурения и интерпретация его результатов

С целью повышения информативности и эффективности производства буровых работ возникает необходимость развития специальных систем контроля параметров бурения, геофизических исследований и каротажа в режиме реального времени. Преимущества от применени...

Разработка и исследование мультиагентных моделей

Построена мультиагентная модель торгового центра «Континент». Исследование и построение модели выполнено с использованием инструментального средства AnyLogic 8 PLE. Проведен ряд экспериментов с моделью: 1) Исследована плотность пешеходного потока при...

Компьютерная стабилография в аспекте проблем профессионального отбора

Методические подходы и практическая разработка методик определения устойчивости человека к воздействию знакопеременных ускорений были и остаются предметом исследования ряда авторов. Совершенствование средств транспорта, развитие авиации, и космонавти...

Обработка данных наземного лазерного сканирования для получения обмерных чертежей объектов культурного наследия

В данной статье раскрывается понятие наземного лазерного сканирования и описывается процесс его использования для съемки объектов культурного наследия. Особое внимание уделяется обработке данных, полученных при сканировании, и созданию на их основе о...

Разработка элементов автоматизации сейсмического микрорайонирования с использованием ГИС технологий

Представлена методика проведения сейсмического микрорайонирования (СМР) с использованием географических информационных систем (ГИС). Использование ГИС технологий существенно облегчает и ускоряет создание карт СМР – конечного результата работы.

Возможность применения технологии реверс-инжиниринга для быстрого прототипирования в машиностроении

В настоящее время, когда многие страны отказываются экспортировать свою продукцию в Россию, все чаще требуется разработка собственных машин и механизмов, что позволит предотвратить простои большей части объектов социальной инфраструктуры. Часто, реве...

Инновационные методы диагностики состояния кирпичных стен перед их усилением

Статья посвящена инновационным методам диагностики состояния кирпичных стен перед их усилением. В ней рассматриваются современные неразрушающие технологии, которые позволяют эффективно и точно выявлять дефекты и ослабленные участки в кирпичных констр...

Похожие статьи

Экономическая эффективность применения трёхмерного сканирования в архитектуре и строительстве

Данная статья освещает тему применения 3D-сканирования, как способ удешевления геодезических и обмерных работ в строительстве и архитектуре. Рассмотрена проблема оптимизации расходов и сокращения сроков выполнения инженерно-изыскательных работ.

Внедрение технологий информационного моделирования в процесс эксплуатации зданий и сооружений

Внедрение технологий информационного моделирования является комплексным проектом, затрагивающим деятельность практически всех служб и отделов эксплуатирующей организации. В рамках данной статьи рассматривается поэтапное внедрение BIM-технологий в эк...

Анализ особенностей нанодревесины как теплоизоляционного материала в проектировании зданий

Наноструктурные материалы обретают в строительстве все большую востребованность, что обусловлено их уникальными свойствами (высокая износостойкость, особые электрофизические свойства, огнеупорность, снижения гигроскопичности древесины и др.). В данно...

Совершенствования и оптимизация процессов углубления скважин за счет применения современного аппаратно-программного комплекса каротажа в процессе бурения и интерпретация его результатов

С целью повышения информативности и эффективности производства буровых работ возникает необходимость развития специальных систем контроля параметров бурения, геофизических исследований и каротажа в режиме реального времени. Преимущества от применени...

Разработка и исследование мультиагентных моделей

Построена мультиагентная модель торгового центра «Континент». Исследование и построение модели выполнено с использованием инструментального средства AnyLogic 8 PLE. Проведен ряд экспериментов с моделью: 1) Исследована плотность пешеходного потока при...

Компьютерная стабилография в аспекте проблем профессионального отбора

Методические подходы и практическая разработка методик определения устойчивости человека к воздействию знакопеременных ускорений были и остаются предметом исследования ряда авторов. Совершенствование средств транспорта, развитие авиации, и космонавти...

Обработка данных наземного лазерного сканирования для получения обмерных чертежей объектов культурного наследия

В данной статье раскрывается понятие наземного лазерного сканирования и описывается процесс его использования для съемки объектов культурного наследия. Особое внимание уделяется обработке данных, полученных при сканировании, и созданию на их основе о...

Разработка элементов автоматизации сейсмического микрорайонирования с использованием ГИС технологий

Представлена методика проведения сейсмического микрорайонирования (СМР) с использованием географических информационных систем (ГИС). Использование ГИС технологий существенно облегчает и ускоряет создание карт СМР – конечного результата работы.

Возможность применения технологии реверс-инжиниринга для быстрого прототипирования в машиностроении

В настоящее время, когда многие страны отказываются экспортировать свою продукцию в Россию, все чаще требуется разработка собственных машин и механизмов, что позволит предотвратить простои большей части объектов социальной инфраструктуры. Часто, реве...

Инновационные методы диагностики состояния кирпичных стен перед их усилением

Статья посвящена инновационным методам диагностики состояния кирпичных стен перед их усилением. В ней рассматриваются современные неразрушающие технологии, которые позволяют эффективно и точно выявлять дефекты и ослабленные участки в кирпичных констр...

Задать вопрос