基于BIM與實時數(shù)據(jù)的碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)研究

江 浩，舒 倩，史躍洋

(1.國家電投集團遠達環(huán)保股份有限公司，重慶 401120；2.國家電投集團四川電力有限公司，四川 成都 610000；3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100020)

1 研究背景及意義

堆石壩填筑施工質量控制是施工質量控制的重要環(huán)節(jié)，直接關系到大壩的運行安全，而大壩填筑施工質量與壩料質量和碾壓質量有關[1]。因此在堆石壩的填筑施工中，有效地控制壩料性質和碾壓過程的質量是保證大壩填筑施工質量的關鍵，傳統(tǒng)的人工控制碾壓參數(shù)和試坑取樣的檢測方法[2]很難達到水電工程數(shù)字化建設管理創(chuàng)新水平的高要求。因此，本文引入物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術，研發(fā)實時、全天候和高精度的大壩填筑質量實時監(jiān)控系統(tǒng)，引導施工作業(yè)，輔助質量評價，有效提升了工程建設效率和質量[3]。碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)以碾壓源數(shù)據(jù)為基礎、云計算為計算手段、BIM+GIS引擎為可視化載體，將抽象的碾壓參數(shù)和碾壓效果直觀表達，同時實現(xiàn)碾壓全過程的可追溯性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)技術體系

大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)依托北斗定位、振動傳感器等硬件設備，采用RTK技術進行載波相位動態(tài)差分以提高定位精度，依托4G網(wǎng)絡實現(xiàn)無線傳輸，引入公有云服務確保實時數(shù)據(jù)全天候存儲，并基于計算機圖形學相關算法和BIM技術，將施工數(shù)據(jù)圖形化和可視化。

2.1 計算機圖形學技術

依靠硬件設備采集的數(shù)據(jù)通常呈多維、散狀分布，不符合現(xiàn)場碾壓連續(xù)性分布的特征，多維散亂點轉化為連續(xù)分布的面狀結構是數(shù)據(jù)分析的關鍵。依托計算機圖形學中多維散亂點繪圖算法，將實時采集的碾壓機定位點數(shù)據(jù)轉化為連續(xù)系列并圖形化展示。本文主要用到的算法包括點在多邊形內判斷算法、點集在多邊形內判斷算法等。

2.1.1 點在多邊形內判斷

通常判斷點在多邊形內部有3種方式，分別為面積和判別法、夾角和判別法及引射線法。

在大壩碾壓行進過程中，碾壓機并不是一直在倉面上行進，需對碾壓機的位置進行判斷，或在某些位置出現(xiàn)速度或者激振力不合格，需要明確定位該點位，同時保證該點位在碾壓倉面上。本文應用引射線法進行判斷(見圖1)。判斷方法為：射線AP、AO與多邊形的交點數(shù)量為2，屬于偶數(shù)，判斷A點在多邊形外部；射線BM、BN與多邊形交點數(shù)量分別為3和1，為奇數(shù)，判斷B點在多邊形內部。

圖1 點在多邊形內判斷算法圖示

2.1.2 點集在多邊形內判斷

剩余未計算的點可組成凸殼，通過判斷凸殼的頂點是否在多邊形內和多邊形的頂點是否在凸殼外即可區(qū)分多邊形內部和外部的點。

2.2 BIM+GIS引擎技術

“BIM+GIS”引擎承載大壩填筑全過程的碾壓數(shù)據(jù)，并包含首部樞紐范圍內大場景及邊坡等細部模型，地理數(shù)據(jù)的融合和大體量模型的輕量化顯示是“BIM+GIS”引擎的重點及難點。

地理信息數(shù)據(jù)的融合首要解決的問題是DLG、DOM和DEM數(shù)據(jù)的融合顯示，三維引擎通常采用DOM和DEM數(shù)據(jù)融合以達到生成三維地形的作用，但DLG為二維矢量數(shù)據(jù)，不能直接添加到三維引擎中。本文基于RBSC算法，將DLG數(shù)據(jù)融合到三維場景中，再配合DOM和DEM生成的三維地形，達到了多精度DLG、DOM和DEM數(shù)據(jù)的融合顯示。

模型輕量化技術優(yōu)化了渲染流水線負載，最大程度地降低渲染模型的顯存和內存使用量，以最簡單的點、線幾何圖形無縫替代單一的由多邊形和紋理貼圖構成的數(shù)據(jù)模型，從而大幅提高渲染算法的性能。通過動態(tài)選擇渲染圖元，合理指定不同的渲染數(shù)據(jù)模型并進行無縫轉換，實現(xiàn)在任意視點下對三維場景的完整、高精度表現(xiàn)，達到動態(tài)的、視覺無損的多分辨率三維顯示效果。多精度顯示效果如圖2所示。

圖2 多精度顯示效果

3 系統(tǒng)監(jiān)控目標控制與算法實現(xiàn)

基于常規(guī)心墻堆石壩質量控制理論，本文以大壩施工質量檢查為結果控制目標，以大壩施工工藝參數(shù)為過程控制目標[4]，結合四川省阿壩州劍科水電站項目，建立大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)質量控制體系。

3.1 心墻堆石壩質量控制標準

根據(jù)DL/T 5129—2007《碾壓式土石壩施工規(guī)范》，碾壓式土石壩填筑標準與壩的級別、高度，壩型，壩的不同部位，土石料的壓實特性，壓實機具，壩料的填筑干密度、含水率、力學性質以及施工條件和氣候等多元復雜因素相關[5]。對于心墻堆石壩，心墻碾壓填筑質量決定了壩體的防滲效果，粘性土的填筑標準以壓實度和最優(yōu)含水率作為設計控制指標，砂礫石和砂的填筑標準應以相對密度控制，堆石的填筑標準宜用孔隙率為設計控制指標。不同的工程項目通常通過碾壓試驗確定填筑料的碾壓標準，不同填筑料其試驗指標和試驗方法不同，劍科水電站大壩填筑料試驗檢測方法及指標見表1。

表1 劍科水電站大壩填筑料試驗檢測方法及指標

3.2 心墻堆石壩填筑過程控制

劍科水電站心墻堆石壩共涉及6類填筑料，分別為礫石土心墻料、接觸黏土、反濾料Ⅰ、反濾料Ⅱ、過渡料和堆石料，碾壓施工工藝主要包括單元(倉面)劃分、倉面驗收、測量標線、鋪料、碾壓、倉面監(jiān)控、取樣檢測等，針對不同分區(qū)調整施工工藝和工序，見圖3。

圖3 施工工序

引入定位設備、振動傳感器等設備，以數(shù)字化手段嚴格控制鋪料和碾壓過程。在填筑面建立測量控制網(wǎng)格，利用GPS快速移動測量技術分別測量鋪料后和碾壓后的高程[6]，滿足要求后方可進入下一道工序；碾壓過程中，利用北斗定位設備實時采集碾壓機定位數(shù)據(jù)，通過振動傳感器獲取碾輪振動數(shù)據(jù)，按照相關算法實時計算碾壓機行走速度、激振力數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)格算法繪制碾壓軌跡，并實時計算整個碾壓工作面的標準遍數(shù)覆蓋率[7]，同時在碾壓機駕駛艙內安裝平板，內置工程地圖，實時為碾壓機操作員提供線路指引和碾壓效果，有效避免“盲碾”現(xiàn)象的發(fā)生。通過對鋪料厚度和碾壓過程的嚴格控制，結合現(xiàn)場監(jiān)理和試驗檢測人員的專業(yè)質量檢測，全面提升心墻堆石壩填筑質量，提升現(xiàn)場施工規(guī)范化作業(yè)和管理水平。

3.3 網(wǎng)格化算法及關鍵參數(shù)計算

碾壓控制是堆石壩質量控制的核心手段，在傳統(tǒng)大壩填筑過程中，通常是事后點式檢測，隨機性比較大，并且在碾壓過程中，碾壓行為不可控，漏碾、過碾均可能造成無法挽回的后果。標準碾壓遍數(shù)由前期碾壓試驗獲取，受施工復雜環(huán)境影響施工作業(yè)人員經(jīng)常忘記碾壓遍數(shù)，導致倉面部分區(qū)域過碾或欠碾，因此碾壓參數(shù)的計算至關重要。大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)基于計算機圖形學算法，結合碾壓實際管理流程，對碾壓過程中重要參數(shù)進行計算，包括遍數(shù)、厚度、速度、行進方向等重要參數(shù)，通過圖形化展示給予作業(yè)人員操作指引，提升碾壓施工水平。

3.3.1 網(wǎng)格化計算

根據(jù)計算機圖形學算法，將倉面網(wǎng)格化，網(wǎng)格劃分越小計算越精細，同時占用服務器資源越多、計算時長越長[8]，考慮到工程現(xiàn)場的實用性以及規(guī)范化作業(yè)要求，本文采用0.2 m網(wǎng)格以平行壩軸線為前進方向網(wǎng)格化倉面，并將倉面左下角命名為A，按照逆時針方向分別為B、C和D，以AB為X軸，AD為Y軸。繪制網(wǎng)格化算法完成后，實時計算采集的數(shù)據(jù)，該計算過程中用到點、點集在多邊形內、向量以及三角形萬能公式等相關算法知識，計算分以下幾種工況。

3.3.1.1 倉面第1次計算

步驟一。根據(jù)點在倉面上算法獲取在倉面上的第一點P，根據(jù)余弦定理計算∠PAB和∠PAD的余弦值(∠PAB和∠PAD均為銳角)，點P在倉面坐標系內的坐標為(Xp，Yp)，記錄P點作為最后一次計算點。

(1)

(2)

步驟二。計算下一個在倉面內的點Q，并按照步驟一計算Q點在倉面坐標系內的坐標(XQ，YQ)。

步驟三。計算向量PQ和向量AB夾角cosα，并判斷cosα的大小。施工現(xiàn)場通常用白灰繪制倉面邊界線，用于碾壓機行進指引，如圖4所示。通過現(xiàn)場觀察試驗，本文計算中當|cosα|≥0.7時，可認為碾壓機平行于壩軸線行駛(見圖4a)，更新Q點的坐標為(XQ，YP)，黑色矩形框內小網(wǎng)格即為碾壓機碾壓過的區(qū)域，LL’為碾壓機寬度，更新最后一次計算點為Q。當|cosα|<0.7時，可認為碾壓機垂直于壩軸線行駛，更新Q點的坐標為(XP，YQ)(見圖4b)，更新最后一次計算點為Q。

圖4 碾壓機行進指引

3.3.1.2 倉面第N次計算(N>1)

倉面第N次計算(N>1)，首先取最后一次計算點作為起始點，重復倉面第1次計算過程。

3.3.2 關鍵參數(shù)計算

碾壓控制的關鍵參數(shù)包括遍數(shù)、厚度和行駛速度[9]，對于碾壓遍數(shù)，繪制完網(wǎng)格后，為每一個網(wǎng)格遍數(shù)賦值0，按照網(wǎng)格化算法計算出碾壓機兩點間行駛過的網(wǎng)格， 該部分網(wǎng)格遍數(shù)增加1遍。

厚度的計算基于采集的高程計算，每一個網(wǎng)格的初始高程為鋪料之前的倉面高程，碾壓機兩點間行駛過的網(wǎng)格高程更新為P點的高程，碾壓完成后減去倉面高程即為厚度[10]。

速度的計算不依賴于網(wǎng)格化計算，根據(jù)坐標計算兩點間距離S，兩點的時間差記為δt，速度計算如下

(3)

式中，V為兩點的平均速度；S為兩點間的距離；δt為兩點的時間差。

4 監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)頁端和手機APP組成。網(wǎng)頁端主要實現(xiàn)大壩碾壓實時數(shù)據(jù)與BIM模型集成，包括倉面管理、碾壓實時監(jiān)控、碾壓質量報告等主要子模塊；手機APP主要方便現(xiàn)場作業(yè)，以實用和服務施工現(xiàn)場為前提和開發(fā)原則，包括倉面管理和碾壓成果管理。

4.1 網(wǎng)頁端

倉面管理實現(xiàn)對大壩填筑面的規(guī)劃和管理，包括大壩的坐標、碾壓指標等關鍵參數(shù)，相關參數(shù)的錄入是倉面碾壓過程中報警和預警的基礎；倉面鋪料、整平等完成具備碾壓條件后，可在實時監(jiān)控界面查看碾壓機行走軌跡、倉面遍數(shù)或厚度實時數(shù)據(jù)，并且根據(jù)倉面設定的碾壓指標進行報警，及時發(fā)現(xiàn)倉面碾壓過程中的不規(guī)范行為，提升大壩填筑質量；碾壓完成后，可查看數(shù)字化碾壓質量報告，報告包括遍數(shù)、速度、激振力報告等。圖5為碾壓實時監(jiān)控軌跡繪制圖。

圖5 碾壓實時監(jiān)控軌跡繪制

4.2 手機端

水電工程施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，數(shù)字化的應用多數(shù)情況下依賴于手機APP。倉面管理主要用于錄入倉面坐標、輸入倉面碾壓指標，考慮到現(xiàn)場輸入工程坐標出錯率較高，APP提供圖像識別功能，通過拍照或者上傳照片自動識別工程坐標；碾壓成果管理主要用于輔助查看已經(jīng)碾壓完成的倉面的碾壓結果，包括碾壓遍數(shù)、碾壓后的高程、碾壓速度和報警統(tǒng)計等。圖6為手機倉面管理-碾壓成果管理界面。

圖6 倉面管理-碾壓成果管理

5 結 論

本文以“BIM+GIS”引擎和碾壓監(jiān)控目標質量控制標準與理論為基礎，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和計算機技術，研發(fā)出大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)，并成功應用于項目現(xiàn)場，彌補了人為管理過程中的遺漏，有效提升了施工現(xiàn)場碾壓質量，促進了工程管理層次和質量的提升，創(chuàng)造了可觀的社會經(jīng)濟效益。隨著北斗技術的進一步發(fā)展，定位精準度將大幅度提升，將更進一步提升大壩碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)準確度，促進智慧水電的全面發(fā)展。