基于BIM技術(shù)的任意油箱剩余油量計算方法

尹 君 于 健

(中國中鐵四局集團(tuán)管理與技術(shù)研究院，合肥 230023)

引言

在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)今時代，BIM(Building Information Modeling)技術(shù)已成為工程施工領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)應(yīng)用之一，如李曉軍[1]提出了BIM多尺度建模及自適應(yīng)拼接技術(shù)在山嶺隧道中的應(yīng)用； Hua Xinruo[2]指出BIM是建筑工程設(shè)計、施工、運(yùn)營階段的數(shù)字化過程，BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用不只是通過一個或一類BIM軟件來實(shí)現(xiàn)的，而是多種BIM軟件相互協(xié)作的結(jié)果，文章基于BIM技術(shù)，介紹了建筑金屬防護(hù)材料的耐低溫影響試驗(yàn)； Ma Zhiliang[3]為了提高建筑項(xiàng)目投標(biāo)成本估算的效率和準(zhǔn)確率，介紹了工程量清單投標(biāo)成本估算方法，分析了有關(guān)建筑信息的相關(guān)規(guī)范，根據(jù)北京定額規(guī)范得到5項(xiàng)確定和9項(xiàng)不確定的建筑信息，最后提出了一種基于BIM設(shè)計結(jié)果的建筑項(xiàng)目投標(biāo)成本自動評估方法。

由此可見，此技術(shù)大多是基于建筑工程本體模型在項(xiàng)目實(shí)施階段和運(yùn)維階段的一些分析和應(yīng)用，如朱記偉[4]給出了BIM技術(shù)在BIM應(yīng)用功能、項(xiàng)目管理、信息數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和BIM實(shí)施方案四個方面的應(yīng)用，在工程機(jī)械管理中的應(yīng)用鮮有報道； Du Fei[5]介紹了BIM技術(shù)在高校基礎(chǔ)建設(shè)成本全流程管理中的應(yīng)用，優(yōu)化、改善了當(dāng)前成本管理模式，提升了每一階段的成本管理效率和總體管理水平； Li Jian[6]以工程項(xiàng)目為例講述了利用BIM技術(shù)在設(shè)計階段碰撞檢查，施工階段可視化虛擬施工，4D(BIM+時間)和5D(BIM+時間+成本)施工動態(tài)管理，物資清單隨模型自動統(tǒng)計、更新的新型信息化物料管理等方面的益處。

建筑工程施工離不開大型工程機(jī)械，而目前各種工程機(jī)械大都是燃油型，使得燃油費(fèi)用支出成為施工成本控制的重點(diǎn)對象之一。傳統(tǒng)油料管理大都是人工記賬、結(jié)算，不僅耗用大量勞動力，而且工作效率低，真實(shí)性也有待考證，并且對于油料偷盜行為難以有效監(jiān)管。因此，研發(fā)一種能夠自動監(jiān)控機(jī)械油量的管理系統(tǒng)迫在眉睫?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用層出不窮[7-8]，助推了工程機(jī)械管理的信息化程度。于是，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的大時代背景下，有關(guān)機(jī)械車輛監(jiān)管系統(tǒng)的報道逐漸增多，如張亞平[9]介紹了租賃車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，魏敬成[10]提出了工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，但諸如此類的機(jī)械車輛監(jiān)控系統(tǒng)大多具有車輛位置監(jiān)控、軌跡回放、電子圍欄越界報警等常用功能，對機(jī)械車輛油料監(jiān)控的描述并不多，或者有此功能，但其油量監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不高[11]。

為了解決這一難題，本文實(shí)地調(diào)查了每一種工程機(jī)械車輛的油箱形狀，結(jié)果顯示工程機(jī)械種類不同或種類相同而型號不同，其油箱形狀存在較大差別，主要可分為規(guī)則長方體和不規(guī)則圓柱體、截面為D形的多邊體、梯形體以及多邊多段異形體等多種形狀。規(guī)則長方體油箱四面垂直方向形狀無變化，每單位高度對應(yīng)體積相等，此類油箱油量變化較為規(guī)律； 而異形多邊體油箱四面垂直方向形狀變化多端，使得不同形狀油箱每單位高度所對應(yīng)的體積大不相同，即油料液面形成的表面積隨油料液位高度的變化而變化。因此，解決了異形多邊體油箱每單位高度對應(yīng)的體積，任意形狀油箱剩余油量的計算也就迎刃而解。針對此種情況，本文提出了一種基于BIM技術(shù)的油量計算方法，不僅適用于各種形狀油箱，而且大大提高了油量監(jiān)測的準(zhǔn)確率，同時油箱模型參數(shù)化，加快了油箱建模的速度，最后通過實(shí)例數(shù)據(jù)驗(yàn)證了油量修正方法的可行性及其精度。

1 準(zhǔn)備工作

1.1 設(shè)備與工具

1.1.1 設(shè)備

圓柱體油箱(直徑D=700mm、長S=900mm、圓角弧邊長a=101mm、b=280mm、壁厚m=2mm(圖1(a)))，截面D型多邊體油箱(長S=900mm、寬L=700mm、高H=700mm、半徑R=350mm、端部圓角弧邊長a=100mm、b=280mm、橫向圓角c=30mm、壁厚m=2mm(圖1(b)))，梯形多邊體油箱(上長S1=590mm、下長S2=430mm、寬L=550mm、高H=1 030mm、側(cè)面凹槽斜邊長s=3mm、上底邊長a1=10mm、下底邊長a2=16mm、正面凹槽上底邊長b1=22mm、下底邊長b2=28mm、圓角半徑r=30mm、壁厚m=5mm(圖1(c)))和多段多邊體油箱(上部：長S3=690mm、S4=520mm、斜邊長S6=30mm、寬L1=555mm、L2=310mm、高H1=115mm、圓角半徑r1=160mm、r2=96mm，中部：高H2=474mm、半徑R=809mm，下部：高度H3=460、長邊長S5=470mm，短邊長S6=300mm，斜邊長S7=300mm，壁厚m=5mm(圖1(d)))，所用油箱分別來自卡車、混凝土罐車和裝載機(jī)等工程機(jī)械，油料傳感器(安徽江天云控技術(shù)股份有限公司)，核心采集模塊(自主研發(fā)，本處用于收集油料液位高度值并將其發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器)。

1.1.2 工具

本文所用工具為Revit2018軟件，鋼卷尺(3m)。

1.2 油箱三維模型創(chuàng)建

根據(jù)施工現(xiàn)場工程機(jī)械油箱形狀調(diào)查結(jié)果，利用Revit軟件中的拉伸、放樣、剖切等命令建立常見5種工程機(jī)械油箱參數(shù)化族庫，為運(yùn)營管理階段快速建立目標(biāo)油箱三維模型提供條件，油箱族庫參數(shù)化建模過程如下：

1.2.1 規(guī)則長方體油箱參數(shù)化建模

規(guī)則油箱參數(shù)化建模過程簡述如下：

1)新建—族—公制常規(guī)模型，在參照標(biāo)高視圖下，以原十字形參照平面為基準(zhǔn)，創(chuàng)建4條新的參照平面，分別橫向、縱向標(biāo)注新創(chuàng)建參照平面與基準(zhǔn)參照平面的距離，并點(diǎn)擊EQ，使其對稱均分；

2)分別標(biāo)注橫向、縱向新創(chuàng)建參照平面的間距，分別選定間距并對應(yīng)創(chuàng)建類型參數(shù)，且命名為油箱長度和油箱寬度，使用創(chuàng)建拉伸命令，沿新參照平面形成的四個交點(diǎn)繪制長方形，并將長方形四條邊分別鎖定至對應(yīng)參照平面，任意給定一個高度，完成拉伸命令；

3)切換至任一立面視圖下，在長方體上方創(chuàng)建一條新參照平面，將長方體上邊和下邊分別鎖定至上下參照平面，標(biāo)注上下參照平面間距，選定此間距創(chuàng)建參數(shù)，且命名為油箱高度；

4)使用創(chuàng)建—空心形狀—空心放樣命令分別對規(guī)則油箱棱角圓角化，當(dāng)兩次空心放樣相交時，后放樣操作的路徑，選擇編輯路徑而非拾取路徑，以解決無法在空心放樣區(qū)域再次放樣的難題。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知，規(guī)則油箱有4棱圓角、8棱圓角和1棱圓角三種情況，后期可根據(jù)現(xiàn)場油箱實(shí)際情況保留所需圓角即可。

1.2.2 圓柱體油箱參數(shù)化建模

圓柱體油箱參數(shù)化建模過程如下：

1)新建—族—公制常規(guī)模型，在左立面視圖下，以原有基準(zhǔn)軸中心為圓心，繪制任一半徑圓形，標(biāo)注半徑并設(shè)定類型參數(shù)，且命名為油箱半徑；

2)切換至前立面視圖，在原有基準(zhǔn)豎軸兩側(cè)繪制兩個參照平面，參照規(guī)則長方體油箱參數(shù)化設(shè)置方法，將圓柱體油箱長度參數(shù)化，并命名為圓柱體油箱長度；

3)在三維視圖下，同樣參照規(guī)則長方體油箱圓角化方法對圓柱體油箱兩端截面分別進(jìn)行圓角化，建模結(jié)束。

1.2.3 截面D形油箱參數(shù)化建模

截面D形油箱參數(shù)化建模過程如下：

1)新建—族—公制常規(guī)模型，在左立面視圖下，新建兩條參照平面，參照規(guī)則長方體油箱參數(shù)化方法，將截面D形油箱寬度和高度參數(shù)化，不同之處在于直圓交點(diǎn)仍需鎖定至上下參照平面；

2)切換至前立面視圖，參照規(guī)則長方體油箱高度參數(shù)化方法，將截面D形油箱長度參數(shù)化；

3)同樣參照規(guī)則長方體油箱圓角化方法，對截面D形油箱圓角化，建模結(jié)束。

1.2.4 梯形多邊體油箱參數(shù)化建模

梯形多邊體油箱參數(shù)化建模過程簡述如下：

1)新建—族—公制常規(guī)模型，參照規(guī)則長方體油箱長度、寬度、高度參數(shù)化設(shè)置方法，先后分別參數(shù)化梯形多邊體油箱底長度、底寬度、頂長度和高度。

2)因梯形多邊體油箱底和頂寬度相同，且僅有一條斜邊，故參數(shù)化建模不同之處在于，此處需繪制3條豎向參照平面，以分別確定梯形油箱底長度和油箱頂長度。同時，梯形油箱底長度對稱均分，而梯形油箱頂不需對稱均分。且在繪制梯形底和頂輪廓時，將凹槽輪廓一并繪制完成，最后生成模型。

3)參照規(guī)則長方體油箱圓角化方法，根據(jù)實(shí)際情況將梯形多邊體油箱圓角化，參數(shù)化建模結(jié)束。

1.2.5 多段多邊體油箱參數(shù)化建模

多段多邊體油箱參數(shù)化建模按照油箱下部區(qū)域、中部區(qū)域、上部區(qū)域分別進(jìn)行，詳細(xì)過程如下：

1)新建—族—公制常規(guī)模型，在參照標(biāo)高視圖下，參照規(guī)則長方體油箱參數(shù)化長、寬、高方法，對油箱下部區(qū)域長、寬、高參數(shù)化，此處需分別建立三條豎向和橫向參照平面，用于定位斜邊的兩個定點(diǎn)。

2)切換至參照標(biāo)高視圖，在油箱下部區(qū)域左側(cè)重新創(chuàng)建一條參照平面，用于確定油箱中部及上部區(qū)域長度的左側(cè)角點(diǎn)位置，以新生產(chǎn)的五個點(diǎn)作為油箱中部區(qū)域的邊界點(diǎn)，采用拉伸命令創(chuàng)建油箱中部區(qū)域； 參照規(guī)則油箱高度參數(shù)化方法，將油箱中部區(qū)域高度參數(shù)化。

3)切換至前立面視圖，采用空心拉伸命令，以油箱中部區(qū)域高度和中部區(qū)域與下部區(qū)域短邊長度差為直角邊，并以直角邊端點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)繪制圓弧，將圓弧參數(shù)化，且命名為中部區(qū)域圓弧半徑Ro以任一寬度生成空心多邊體，切換至左立面視圖，將空心拉伸幾何體兩端分別鎖定至兩側(cè)參照平面。

4)切換至參照標(biāo)高視圖，以油箱中部區(qū)域輪廓為基準(zhǔn)線，創(chuàng)建油箱上部區(qū)域輪廓，并將各邊分別鎖定至重合的參照平面； 參照規(guī)則油箱高度參數(shù)化方法，將油箱上部區(qū)域高度參數(shù)化。

5)參照規(guī)則油箱圓角化方法，將多段油箱圓角化，建模結(jié)束。

使用鋼卷尺精確測量本論文示例油箱各部分尺寸，并根據(jù)各油箱尺寸，修改各油箱參數(shù)化模型中的對應(yīng)尺寸快速建立各油箱三維模型，并利用BIM技術(shù)在工程量計算方面的功能求得各油箱模型的總體積[12]。

1.3 油料消耗曲線擬合

油箱消耗曲線函數(shù)求解參照戴浩法[13]并加以改進(jìn)。首先，在油箱高度范圍內(nèi)任取若干高度值，并以其中一個高度值作為剖切高度值，使用Revit中的剖切命令對油箱三維模型進(jìn)行剖切，并求出剖切后油箱模型的體積。其次，按照此種方法逐次剖切油箱模型，直至求出按照所有高度值剖切后油箱模型的體積。多段油箱切分時，不同油箱段之間的連接點(diǎn)取相同高度值作為承上啟下的剖切高度值，以確保曲線函數(shù)的連續(xù)性。

1.4 油量監(jiān)測評估

首先，分別收集各示例油箱一個月之內(nèi)的加油數(shù)據(jù)，同時默認(rèn)各示例油箱加油數(shù)據(jù)的絕對準(zhǔn)確，記為實(shí)際加油量V1； 其次，分別收集各示例油箱在系統(tǒng)客戶端對應(yīng)顯示的加油數(shù)據(jù)，記為系統(tǒng)加油量V2； 最后，比較系統(tǒng)加油量與實(shí)際加油量，并求其差值和油量監(jiān)測的精確度w，油量監(jiān)測精確度計算公式如下：

(1)

(2)

式中，n為樣本數(shù)量，i為樣本序號。

2 結(jié)果與討論

2.1 油箱三維模型

圖2給出了本文所用示例油箱的三維模型圖，由圖可知示例油箱均為異形多邊體油箱，對每一個油箱而言，其任一高度所對應(yīng)的體積均不相等。根據(jù)此原理可以得出，對每一個異形多邊體油箱而言，其任一液位高度所對應(yīng)的油料體積也均不相等。圖2(d)為多段多邊體油箱，共分為上部、中部、和下部3個區(qū)域，其中上部和下部區(qū)域每單位液位高度對應(yīng)體積相等，可視為規(guī)則多邊體油箱。

圖2 油箱三維模型

2.2 單段油箱油料消耗曲線函數(shù)

采用以不同高度值剖切油箱模型的過程模擬油料液位因消耗而降低或因加油而升高的過程，并以剖切高度與油箱總高度的比值作為函數(shù)自變量，以剖切后油箱模型體積與油箱總體積的比值作為函數(shù)因變量，采用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[14]，分別求出各油箱油料消耗曲線函數(shù)。

圖3給出了圓柱體油箱、截面D形多邊體油箱和梯形多邊體油箱的油料消耗曲線函數(shù)。由圖3可知，圓柱體油箱的消耗曲線其體積比隨液位高度比的增大先緩慢升高、再迅速升高、最后趨于平衡，曲線總體呈S形，此種變化規(guī)律符合油箱截面為圓形的變化特點(diǎn)[15]。截面D形多邊體油箱消耗曲線的變化規(guī)律同圓柱體油箱，因其僅有一個半圓形截面，使得體積比隨液位高度比增大而變大的程度要低于圓柱體油箱。梯形多邊體油箱消耗曲線的體積比隨液位高度比的增大而逐漸增大，符合拋物線函數(shù)的變化規(guī)律[16]。因此，此三種異形油箱的油料消耗曲線呈非線性規(guī)律變化，其函數(shù)關(guān)系式分別為：

圓柱體油箱：y=-1.3058x3+1.9608x2+0.3486x-0.0012，R2=1；

截面D形多邊體油箱：y=-0.5799x3+0.8698x2+0.7138x-0.0019，R2=1；

梯形多邊體油箱：y=0.1682x2+0.8315x-0.0004，R2=1。

圖3 油箱(a)、(b)、(c)油料消耗曲線

2.3 多段油箱油料消耗曲線函數(shù)

圖4給出了分段多邊體油箱的油料消耗曲線。結(jié)果顯示，在油箱不同區(qū)域，對應(yīng)油料消耗曲線也不相同，這是因?yàn)橛拖洳煌瑓^(qū)段的形狀不相同所造成的。由于油箱上部和下部區(qū)域多邊體各面在垂直方向上無變化，使得該區(qū)域每單位高度對應(yīng)油箱體積相等，曲線呈線性規(guī)律變化； 而油箱中部區(qū)域多邊體有一面在垂直方向上有變化，使得每單位高度對應(yīng)油箱體積不相等，曲線呈非線性規(guī)律變化。油箱上部、中部和下部區(qū)域油料消耗曲線函數(shù)關(guān)系式如下：

上部區(qū)域：y=1.3369x-0.3365，R2=1；

中部區(qū)域：y=0.4712x2+0.4034x+0.1198，R2=0.9999；

下部區(qū)域：y=0.8796x+0.0006，R2=1。

圖4 油箱(d)油量消耗曲線

李剛[17]提出了最小二乘法擬合多項(xiàng)式時，決定系數(shù)R2值反應(yīng)了多項(xiàng)式擬合的置信度，R2數(shù)值越接近1，說明擬合函數(shù)置信度越高，精度也就越高，從各示例油箱擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2值可知，本文各示例油箱油料消耗曲線函數(shù)擬合精度較高，具有較高的可信度。

2.4 油量監(jiān)測評估

為了驗(yàn)證剩余油量計算方法的可行性及其精確度，本文采用剖切油箱模型模擬油料液位變化的過程，求得油箱對應(yīng)的油料消耗曲線函數(shù)，并將此函數(shù)寫入油量監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，油料傳感器實(shí)時讀取油料液位高度比值(函數(shù)自變量)，系統(tǒng)根據(jù)油料消耗曲線函數(shù)自動求出油量體積比值(函數(shù)因變量)，之后將體積比值乘以油箱總體積，得到油箱剩余油量，結(jié)果展示在系統(tǒng)客戶端。

圖5、圖6、圖7和圖8分別給出了各示例油箱系統(tǒng)加油量與實(shí)際加油量對比分析圖，對加油量數(shù)值按照升序方式排序，由圖可知各示例油箱加油量數(shù)值在34L到254L范圍內(nèi)隨機(jī)變化時，每一次系統(tǒng)加油量與實(shí)際加油量數(shù)值幾乎可以重疊，二者差值均較小，差值量穩(wěn)定分布在0附近，說明本文提出的油量計算方法所統(tǒng)計的系統(tǒng)加油量與車輛實(shí)際加油量數(shù)值基本一致，該種油量計算方法可行。同時計算結(jié)果顯示各示例油箱月平均加油量數(shù)值精確度分別為98.54%、94.86%、95.43%和96.74%，平均值為96.39%，進(jìn)一步說明，該種油量計算方法精確度較高。

圖5 油箱(a)加油量對比

圖7 油箱(c)加油量對比

圖8 油箱(d)加油量對比

3 結(jié)論

本文提出的任意油箱剩余油量計算方法可以應(yīng)用于任意形狀油箱，不僅提高了異形多邊體油箱油量監(jiān)測的準(zhǔn)確率，又大大降低了成本和操作難度。通過對四種異形多邊體油箱油量監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用，證明了本方法擁有油量監(jiān)測的準(zhǔn)確性和廣泛應(yīng)用的可行性。