基于BIM数字化的智慧碾压系统与方法

技术领域

本发明属于施工碾压技术领域，具体涉及一种基于BIM数字化的智慧碾压系统与方法。

背景技术

工程碾压是在市政工程施工中重要的施工步骤，一般碾压会经历三个阶段即初压、复压和终压。在每次碾压过程中，需要人力与碾压机具相配合，统计碾压次数，观测碾压路径，统计次数等等，需要消耗较大的人力。在地理环境较为艰苦的地区，如高寒高海拔地区，长期的现场施工对人员健康也是一种危害。

通过对现有智慧碾压产品的调研发现，市面上较为常见的智慧碾压系统是通过软件监控搭载了机载装置的碾压机具进行碾压工作，碾压数据可通过软件进行查看，但仍需要人力统计与整合，无法做到信息化的调用，在信息化水平上仍有改进的地方。其次，对于碾压的精细度把控仍有不足，仍然是通过平均值统计碾压合格率，无法很准确地算出碾压高度。

发明内容

为克服现有技术上述缺陷，本发明提出一种基于BIM数字化的智慧碾压系统，可将BIM数字化技术、三维激光扫描技术与智慧碾压相结合，完成数据的自动处理和碾压自动驾驶。

为此，本发明第一目的在于提供一种基于BIM数字化的智慧碾压系统，其包括：

信息化平台，包括用于输入基础的初始表面模型和完工表面模型、碾压参照数据的输入模块，用于接收机载装置上传的初压过程中的碾压检测数据和三维激光扫描设备上传的扫描表面模型的接收模块，还包括用于对碾压检测数据进行分析的碾压数据分析模块和对扫描表面模型进行分析的模型分析模块，以及用于向机载装置发送碾压指令数据发送模块；

机载装置，用于获得初压过程的碾压检测数据并上传信息化平台，以及接收信息化平台分析后的碾压指令数据；

三维激光扫描设备，用于对碾压后的区域进行激光扫描，得到碾压后的扫描表面模型，并将扫描表面模型上传至信息化平台。

作为优选，所述机载装置包括：提供定位及导航功能的GPS导航模块、测定碾压机具碾压轮振动及土体反作用力的检测模块、用于传输碾压检测数据和接收碾压指令数据的数传模块、用于驱动机载装置运行的驱动程序。

作为优选，所述碾压数据分析模块包括：碾压路径分析子模块，用于根据GPS导航模块获得的定位数据，计算得到碾压路径、碾压次数、碾压区域；压实值判定子模块，用于将检测模块测定的实际振动压实值VCV和试验测定的目标振动压实值进行比较判定，判定压实值数据是否合格；碾压效果控制子模块，当判定压实值数据不合格时，根据工程标准计算得到欠压次数。

作为优选，所述模型分析模块包括：碾压高度分析子模块，用于将扫描表面模型与初始表面模型对比，得到碾压高度；欠压区域和高度分析子模块，用于将扫描表面模型与完工表面模型对比，得到欠压区域和欠压高度。

作为优选，所述机载装置还包括复压控制子模块，用于根据信息化平台回传的碾压指令数据控制碾压机具完成复压。

本发明第二目的在于提供一种基于BIM数字化的智慧碾压方法，包括：

1)输入基础的初始表面模型和完工表面模型、碾压参照数据；

2)机载装置获得初压过程中的碾压检测数据并上传到信息化平台；

3)三维激光扫描设备扫描得到扫描表面模型并上传至信息化平台；

4)信息化平台对碾压检测数据及扫描表面模型进行分析，并向机载装置发送碾压指令数据。

作为优选，所述碾压数据分析包括：根据GPS导航模块获得的定位数据，计算得到碾压路径、碾压次数、碾压区域；将检测模块测定的实际振动压实值VCV和试验测定的目标振动压实值进行比较判定，判定压实值数据是否合格；当判定压实值数据不合格时，根据工程标准计算得到欠压次数。

作为优选，所述扫描表面模型分析包括：将扫描表面模型与初始表面模型对比，得到碾压高度；将扫描表面模型与完工表面模型对比，得到欠压区域和欠压高度。

作为优选，所述智慧碾压方法还包括根据信息化平台回传的碾压指令数据控制碾压机具完成复压。

本发明的有益效果是：

以BIM技术、数字化技术及三维扫描技术为核心，通过机载装置和三维激光扫描设备得到每次碾压的碾压数据，并以此为基础，在信息化平台上通过模型比对分析出若按此碾压数据之后的碾压过程需要的碾压相关数据，并将分析后的碾压数据回传给机载装置，为现场碾压提供依据。

本发明对比现有技术，将智慧碾压与BIM技术、三维激光扫描技术、自动驾驶结合，可提高数据处理速度、提高碾压工程质量效率，节约人工成本，并可进一步降低对碾压问题如超压欠压的反应时间，提高碾压精度。

附图说明

图1为本发明基于BIM数字化的智慧碾压系统实施例原理框图；

图2为本发明实施例中机载装置示意图；

图3为本发明实施例中可插拔数传模块示意图；

图4为本发明基于BIM数字化的智慧碾压方法实施例的系统业务流程图；

图5为本发明实施例中初始表面模型图；

图6为本发明实施例中完工表面模型图；

图7为本发明实施例中三维激光扫描装置示意图；

图8为本发明实施例中三维激光扫描点云模型图；

图9为本发明实施例中初始表面模型与三维激光扫描模型对比示意图；

图10为本发明实施例中三维激光扫描模型与完工表面模型对比示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，为一种基于BIM数字化的智慧碾压系统实施例，本实施例系统包括机载装置10、碾压机具20、信息化平台30、三维激光扫描设备40。其中：

所述信息化平台30，包括用于输入基础的初始表面模型和完工表面模型、碾压参照数据的输入模块，接收机载装置10上传的初压过程中的碾压检测数据和三维激光扫描设备40上传的扫描表面模型的接收模块，接收到碾压检测数据和扫描表面模型后，信息化平台上的碾压数据分析模块和模型分析模块分别对碾压检测数据和扫描表面模型进行分析得到碾压指令数据，数据发送模块将碾压指令数据发送给机载装置。

所述机载装置10，获得初压过程的碾压检测数据并上传信息化平台进行整合分析，以及接收来自信息化平台的碾压指令数据。

所述三维激光扫描设备40，对碾压后的区域进行激光扫描，得到碾压后的扫描表面模型，并将扫描模型通过外接数传模块13上传至信息化平台。

所述三维激光扫描设备包括三维激光扫描模块、测距定位模块。其中，三维激光扫描模块用于对地形进行三维激光扫描，从而得到点云模型；测距定位模块用于测定三维激光扫描设备测点的坐标，从而保证测量精度及控制精度。测距定位模块可避免建设北斗地面增强基站，简化施工流程，提高施工效率。

如图1，本实施例的机载装置10包括：提供定位及导航功能的GPS导航模块11，测定碾压机具20碾压轮振动及土体反作用力的检测模块12，传输碾压检测数据和接收碾压指令数据的数传模块13及相应的驱动程序组成。图2所示为本实施例一种机载装置10示意图，其中：GPS导航模块11安装在驾驶室内，用于自动导航；检测模块12安装在碾压轮上，用于测定碾压轮的振动频率、振幅、速度及填筑材料的压实属性如软硬属性等；数传模块13安装在驾驶室内，用于接收检测模块及GPS导航模块的数据并上传至信息化平台30。

需要说明的是，用于上传三维激光扫描模型的数传模块和用于上传碾压数据的数传模块可以为同一种模块，也可以为不同的模块。

图1所示亦为机载装置数据流向图，GPS导航数据由GPS导航模块获得，碾压数据由检测模块检测获得，并由数传模块进行收集，之后数传模块与信息化平台进行数据交互，完成数据流通。

以下为针对高寒高海拔地区机场、铁路等应用的基于BIM数字化的智慧碾压方法的举例。本实施例主要展示了在高寒高海拔机场跑道路基碾压过程中，为初压过程提供一种基于BIM模型的数字化及数据信息化整理的方法从而精细指导碾压。业务流程如图4所示，具体包括以下步骤：

S1、通过信息化平台30共享碾压BIM模型

用户需根据现场情况及设计要求建立机场跑道区域路基(也称基础)的初始表面模型和完工表面模型，并将机场跑道区域路基的初始表面模型和完工表面模型上传信息化平台，形成模型文件。基础的初始表面模型和完工表面模型合称为“碾压BIM模型”具体名称可通过编辑功能进行修改。

信息化平台支持rvt.、dgn.等多种格式模型，将上传的模型进行发布，即完成模型共享操作，此时模型支持所有用户检索调用，用户可在平台界面可查看模型名称、模型版本及大小。所述初始表面模型如图5所示，模型部分为机场跑道区域的土层结构和相应厚度，周边斜线区域为周围土体。所述完工表面模型如图6所示，斜线区域为周围土体，网格区域为设计碾压完成区域。

S2、赋予碾压BIM模型碾压参照数据

碾压参照数据的目标振动压实值的计算为现有技术。为便于理解，通过以下实例对目标振动压实值的计算做一介绍。参照《建筑工程技术与设计》2021年1月中张忠伟编写的《严寒地区路基连续压实控制技术研究》及《铁道建筑》2018年4月第58卷第4期王永、史存林等编写的《铁路路基填料最优振动压实模式判断准则研究》。

首先，划分出三块土体检测区域，将填料按照松铺厚度进行摊铺。

然后，采用碾压机具对土体检测区域进行碾压。碾压顺序为：静压1遍，弱振2遍，强振1～4遍，弱振1遍，静压1遍，形成土体的轻度、中度、重度三种密实状态。

再从每块土体的密实状态区域选取6-10个土体检测点，实验就是从每种密实状态的土体中取出一部分土芯做压实值检测。每个检测点按试验规程检测压实质量常规检测验收指标，同时记录所有点的振动压实值VCV(Vibratory compaction value)。

之后，汇总并整理检测数据，剔除异常值，将三块土体区域的至少18个检测点的振动压实值VCV和常规质量验收指标数据进行相关性分析，通过以下计算公式计算得到相关系数r。

其中相关系数r的计算步骤如下：

其中：x---按照现行相关标准确定的常规质量验收指标的合格值，普通填料为地基系数，化学改良土为压实系数。本实施例中假设填料为化学改良土，x的取值为压实系数K。

y---目标压实值

n---取样次数。本实施例中假设实验取样为18次。

x

再次，得到相关系数r后，判定现场土体的相关性成立并根据常规质量验收指标及填料的动态变形模量建立线性回归模型。即：

VCV＝ax+b

其中：x---按照现行相关标准确定的常规质量验收指标的合格值，普通填料为地基系数，化学改良土为压实系数。本实施例中已假设填料为化学改良土，所以x为压实系数K。a、b为回归系数。

最后，根据数值关系建立一条VCV-X的关系曲线，从而得到目标压实值VCV。

本实施例假设得到的相关系数r＝0.8。因为根据相关要求，相关系数r大于0.7才能判定相关性成立。若r小于0.7无法判定相关性成立，需进一步碾压测数或更换填料。判定相关性成立后，通过回归模型通过斜率关系得出回归系数a、b。本实施例中假设a＝0.9，b＝7.5，再将压实系数K＝9带入回归模型，从而得到目标压实值15.6。

最后，将含有目标振动压实值数据作为碾压参照数据在信息化平台赋予碾压BIM模型，作为后续步骤分析依据。需要说明的是，本实例的取值是为了方便说明目标振动压实值的计算方法，并不具有普遍意义。具体数据需按照连续碾压的路基验收标准进行实验计算得出。

S3、机载装置10获取碾压检测数据

本实施例中，现场搭载了机载装置的碾压机具对整个规划区域进行初压,得到初压过程的碾压检测数据，并上传信息化平台进行整合分析。所述碾压检测数据可以包括碾压路径、碾压速率、碾压轮振幅、碾压轮振动频率、压实值等。由于初压过程通常需要碾压为6-10次完成，故碾压数据的收集需进行多遍。

本实施例中，碾压机具为10t振动压路机，通过碾压轮的振动频率及振幅，根据反作用力公式能够计算出实际振动压实值。

S4、三维激光扫描设备40获取碾压场地数据

本实施例中，碾压机具完成初压后，由三维激光扫描设备对碾压后的跑道路基区域进行激光扫描，得到本次碾压后的扫描表面模型。本实施例中选用的三维激光扫描设备为天宝sx10三维激光扫描仪，对经过初压后的路基进行三维激光扫描，扫描设备如图7所示，得到对应的点云模型，如图8所示。

S5、数传模块13将数据上传信息化平台30

本实施例采用的数传模块为可插拔式便携装置，包括Raspberry开发板、无线通信模块、板载电源和驱动程序。数传模块采用可插拔结构，需要板载电源来提供电力。

所述板载电源通过type-c接口与Raspberry开发板连接为整个数传模块提供电力，驱动程序驱动Raspberry开发板通过RS-232接口从三维激光扫描设备自动读取点云模型并通过无线通信模块向信息化同步数据。无线通信模块可以采用蓝牙芯片、无线WIFI或SIM卡(Subscriber Identity Module，用户识别卡)，如本实施例采用蓝牙芯片。数传模块从三维激光扫描设备自动读取点云模型，由GPIO(General-purpose input/output，通用性输入输出模块)从蓝牙芯片向信息化平台同步数据，如图3所示。

本实施例中，碾压机具的机载装置与三维激光扫描设备搭载的数传模块相同，同时为了方便户外作业和携带方便，数传模块在使用的时候插到机载装置及三维激光扫描设备的接口上便可使用。其中机载装置数据流向如图1的所示，GPS导航模块获得GPS导航数据，检测模块检测获得碾压检测数据，并都由数传模块进行收集，之后数传模块与信息化平台进行数据交互，完成数据流通；三维激光扫描设备40与数传模块13连接方式如图7所示。之后三维激光扫描设备将扫描表面模型文件通过数传模块上传至信息化平台。

S6、信息化平台30数据对比分析

机载装置和三维激光扫描设备分别将初压过程中的碾压检测数据和初压完成后的三维激光扫描表面模型上传至信息化平台上。信息化平台在接收机载装置和三维激光扫描设备上传的数据后，分别对碾压检测数据及扫描表面模型进行分析，分析工作由信息化平台自动完成。

其中，对碾压检测数据分析内容包括：

(1)碾压路径分析：根据GPS导航模块获得的定位数据，记录碾压路径、碾压次数、碾压区域。

碾压数据中包含由GPS导航模块生成的数据，即碾压机具在初压过程中的行驶轨迹和对应高程。平台将这些数据进行分析与整合，形成一条完整的碾压轮迹。由于该轮迹是碾压机具碾压轮中心运动时的连线，无法体现碾压面积，所以平台在分析时会将碾压轮宽度带入计算，从而得出在该路径下碾压机具所碾压的面积，如碾压轮迹从P点至Q点直线碾压，两点之间距离为C，已知碾压轮宽度为D，则此时碾压面积为C×D。由于碾压路径是由多段直线构成，所以可通过分段累计的方法得到碾压面积即碾压区域。在该碾压区域中，碾压机具碾压遍数记为碾压次数。若分析出的碾压面积完全覆盖规划区域，则判定为碾压路径合格，反之，则判定为碾压路径不合格，并在之后的碾压过程中增加新的路径以满足对规划区域的全部碾压。

(2)碾压压实值：将检测模块测定的实际振动压实值VCV和试验测定的目标振动压实值进行比较判定，判定压实值数据是否合格。

本实施例的压实值，即压实度，按照实验测定的目标振动压实值为准。根据前述S2步骤的介绍，本实施例测定的目标振动压实值为15.6，由检测模块测定的实际振动压实值VCV与测定的目标振动压实值进行比较判定。本实施例的信息化平台根据工程经验内置以下算法：将碾压轮滚动一周设定为一个碾压面，其中第一个碾压面的实际振动压实值为VCV1，第二个碾压面的实际振动压实值为VCV2,依此类推，第n个碾压面的实际振动压实值为VCVn。当VCVn≥VCV时，即测定的压实值大于等于目标振动压实值则判定压实值数据为合格，记欠压次数为0，反之，则判定为不合格。在之后的碾压过程中计算该不合格区域的欠压次数，复压时碾压机具根据区域欠压次数进行碾压。上述根据工程经验内置的算法，是现有技术。

(3)碾压效果分析：当判定压实值数据不合格时，根据工程标准计算得到欠压次数。

碾压效果主要由压面平整性、压实均匀性及压实稳定性三个指标控制。其中：

压面平整性由分析三维激光扫描模型得出，平台自动将点云模型进行处理，由于模型包含高程信息，所以可以得到压实后跑道路基压面的具体高程。将碾压轮滚动一周视为一个碾压面，碾压轮滚动两周可形成相邻压面。在进行平整度检测的时候平台会自动对相邻压面的高程进行对比，出现高程差别过大则说明压面不平整，此时判定压面不平整，并在之后的碾压过程中增加该区域的碾压次数。如：压面1与压面2相邻，为同一碾压机具的同一次碾压中形成。压面1高程为A，压面2高程为B，A-B为相邻压面的高程差，当此高程差大于碾压允许误差值如1cm时，则判定为压面不平整，需在之后增加碾压次数。

压实均匀性是通过检测模块收集的碾压轮振动频率、振幅及行驶速度等数据得出，平台通过碾压轮迹上振动压实曲线的波动变化程度和碾压面振动压实值数据的分布特征进行判定。本实施例中，压实均匀性按振动压实值数据不小于其平均值的80％进行控制。需要说明的是，该控制参数也可以设定为其他数值。

压实稳定性由平台对检测模块检测到的在同一碾压轮迹上前后两遍振动压实后检测数据的变化分析得出，用变化率精度来进行分析。本实施例中，可将此变化率控制为2％以内，即如果前后两遍压实数据的变化率超过2％则判定压实稳定性不合格，需对该不合格进行重新碾压。需要说明的是，该变化率也可以设定为其他数值。

所述对模型分析包括：

(1)首先，将初压完成后的三维激光扫描模型分别与初始表面模型和完工表面模型进行的叠加对比分析，即将S4得到的模型与初始表面模型和完工表面模型叠加，此时初始表面模型显示为未碾压时的跑道区域表面模型，所以模型表面高度最高。上传的激光扫描模型为经过初压后的跑道区域表面模型，与初始表面模型对比就会有一定的碾压高度差，记为碾压高度。同理，完工表面模型是预计完成初压、复压、终压后的表面模型，所以与激光扫描模型对比，还存在一定的碾压高度差，记为欠压高度。

如图9所示，区域A为初始表面模型，斜线区域B为三维激光扫描模型，两个模型经过叠加发现模型间存在一定的高度差，此第一碾压高度差H1即为初压过程的压实高度。同理，如图10所示，粗斜线区域B为三维激光扫描模型，细斜线区域C为完工表面模型，两个模型也存在一个高度差，此第二碾压高度差H2为还需要的压实高度，即未完成的压实高度，亦即欠压高度。

经过两次对比，由于模型并不完全重合，可计算得到已完成的压实高度即第一碾压高度差H1和欠压高度即第二碾压高度差H2。信息化平台通过对已完成的压实高度和欠压高度分析，并根据本次碾压检测数据计算得出若按照此系数进行碾压还需的碾压次数。以下通过举例来进一步说明：

比如，设计需要碾压下去20cm，完成初压后，碾压了12cm，还需要碾压8cm。通过这个12cm，可以得出在初压条件下，比如40hz的频率和5km/h的行驶速度下，需要8遍能压出12cm，那么，在此条件不变的情况下，复压再压6遍就能达到设计目的。这里，12cm就是压实高度，就是第一次模型对比得出的高度差，8cm就是未压实高度，就是第二次模型对比得出的高度差。

(2)通过模型分析能够发现跑道区域是否存在超压或欠压即模型是否出现不规则的隆起或凹陷，由于本实施例中通过SX10三维激光扫描设备得到的点云模型的精度为0.2mm，故可以在超压、欠压判定时，忽略1mm以下的模型变化。本实施例中，超压及欠压主要体现在碾压次数统计是否符合碾压设计次数及与目标振动压实值的比较。本实施例中，根据测定的目标振动压实值为15.6，以及根据工程经验碾压过程通常需要碾压为6-10次完成，可以设定若统计的碾压次数小于6次，则直接判定该区域为欠压区域，并在之后的碾压过程中增加该区域的碾压次数；若统计的碾压次数大于10次，且目标压实至已大于15.6，则判定该区域为超压区域，并在之后的碾压过程中优化碾压路径，尽量避开此区域。

在完成对碾压数据即模型分析后，分析结果将通过信息化平台实时展示。信息化平台对分析后的碾压数据进行统计处理，输出碾压记录并以图表的形式展示在平台中，平台中记录初压过程的碾压遍数达标率及振碾遍数达标率。同时，平台也能够以图形记录跑道各区域已完成的碾压遍数和超压、欠压区域，并可通过不同颜色区分不同碾压遍数，颜色浅到深代表碾压遍数的由少到多，现场人员可根据现场各区域碾压遍数的不同方便现场碾压机具的调度。

通过上述步骤，信息化平台完成了对上传数据的收集、整理与分析过程，从而形成了一系列能够指导现场工作人员及碾压机具的建议与要求。

本实施例中，信息化平台还进一步地将形成的施工意见推送至现场施工人员并将可控制复压的碾压数据回传至碾压机具，从而帮助现场进行施工或复压决策。

用户根据现场实际需要，将相应的技术要求和验收规范内置于信息化平台中。通过S5步骤判定现场数据是否符合信息化平台内置的技术要求和验收规范。对于不符合要求的区域，信息化平台将以图像形式标注并生成预警信息，提示用户该区域的碾压存在验收或工程风险。此步骤把局部碾压密实度、厚度偏差超限的部分进行报送和备案，后续记录可查，多端三维呈现，实现闭环管理。

S7、机载装置10对碾压机具20进行控制

机载装置接收信息化平台分析后的碾压指令数据，包括欠压区域、欠压厚度、欠压次数，通过GPS导航模块根据接收的碾压路径完成自动驾驶碾压，并自动规避超压区域，加强欠压区域碾压，同时根据欠压次数控制碾压机具进行复压。

此实施例描述的为机场跑道的初压开始至控制复压的完整施工及数据流通闭环的过程，其中复压过程除了不用做实验确定目标压实值，其他步骤与初压过程一致。本实施例中，初压的结果控制复压，复压的结果控制终压。在完成初压、复压、终压后，最终完成整个机场跑道路基的碾压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。