一种碾压混凝土压实质量实时可视化馈控方法与流程

本发明属于混凝土浇筑质量监督控制技术领域，尤其属于碾压混凝土压实质量控制技术领域，涉及一种碾压混凝土现场施工压实质量实时可视化馈控方法。

背景技术：

碾压混凝土的施工方法是通过机械的强力振动和碾压的共同作用，对超干硬性混凝土进行压实。由于采用机械分层的施工方式，碾压热层压实质量一直是碾压混凝土施工质量控制的关键，混凝土拌和物质量通常使用维勃稠度法vc值表征。目前现场常用碾压质量评价方法为核子密度仪法，但其在使用时存在以下不足：

测量过程繁琐：需在已碾碾压混凝土表面打孔至规范要求深度，后将核子密度仪放入孔中，对该位置处压实度进行测量，再由人工记录测量数据；可靠度低：核子密度仪法测量压实度主要依靠放射性元素检验混凝土中与压实质量相关元素含量，通过与实验室标定值进行对比，得到压实度值；但实际测量时，同一位置处不同方向检测结果存在一定差别，可靠性较低；安全风险：核子密度仪内部包含放射性元素，使用时或丢失存在辐射及泄露风险；重复标定：仪器主要依靠放射性元素进行检测工作，每过一段时间元素会衰减使检测结果产生误差，需重新标定；检测代表性不足：因核子密度仪检测压实度均为在碾压完成后层面随机单点检测，无法做到实时大量检测，测点效率低，不能通过更多测点反映整体碾压层质量。因此，核子密度仪法已无法满足精细化施工及快速施工要求。

目前，国内外针对传统监控手段存在问题，已有了许多相关研究应用。其中，许多高校及科研单位对碾压混凝土施工压实质量信息化控制进行了一些系统性开发研究，并取得了一定成效和进展。他们主要是通过gps监控系统对碾压混凝土铺料位置、铺料厚度、碾压遍数、碾压机械行走速度及激振力档位运行工况等主要施工工艺过程参数连续、实时、自动、高精度采集和评价。这种监控方式可实现对仓面振动碾压机碾压全过程过程实时监控，对施工压实质量信息化控制有重要意义。但这类监控模型仍存在以下不足：仿真参数多是依靠以往工程经验或模拟现场标准试验段仓选取，而实际上现场的碾压工况和变化条件相对于试验仓，在铺料厚度、碾压遍数、碾压机械行走速度及激振力档位运行工况等工艺过程的差异性往往较大，因而仿真实时工况准确可靠性差别明显；由于仓面vc值取值缺乏实时准确的有效表征性，所选用vc值作为拌合料可碾性参数进而对碾压质量评价，一定程度上缺乏真实性；因无法实现现场条件下的足够大量测点压实度检测，有些碾压以单一压实度值反映碾压条带碾压效果，不能全局性客观描述碾压层平面内不同部位差异量化特征，施工压实质量监控精度相对较低。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足公开了一种碾压混凝土现场施工压实质量实时可视化馈控方法。本发明的目的是提供一种碾压混凝土现场施工压实质量实时可视化馈控方法确保碾压混凝土可靠、精细与快速施工。

本发明通过以下技术方案实现：

碾压混凝土压实质量实时可视化馈控方法，包括以下方法：模型建立、数据采集处理和信息回馈在线控制；

所述模型建立是利用autocad软件结合opengl技术构建构筑物结构施工过程作业单元的3d动态模型；

所述数据采集处理是采集施工作业层随机实测点数据，通过确定的分析模型得到作业层单元压实度评价指标并获取整体作业层的压实质量表征方法；数据采集包括各测点处混凝土的级配信息、拌和料含湿率、碾压完成时应力波波速和碾压车定位数据；

所述信息回馈在线控制是将数据采集处理获得的压实度评价指标在施工层单元3d模型上实时动态全面层显示为可视化碾压质量信息，并指导现场实时应用。

进一步包括：

一、模型建立：

建立实时施工模型，依据构筑物的施工设计图纸和施工技术参数，划分模型层级，并对层级信息及碾压混凝土级配信息赋值排序，制定图层编码，作为可视化系统识别句柄；在autocad软件中组织构筑结构施工单元3d模型数据，导入基于opengl技术开发的可视化程序，构建施工单元3d动态模型，精确表现随施工进度推移而叠加演变的构筑物实际形态；

划分单元网格，采用自由网格划分方法划分单元网格，根据计算分析及可视化显示的精度要求，以固定层厚为碾压层厚度，进而以确定的碾压施工层有限元平面尺寸代表碾压层3d立体单元；

转换坐标，为确保碾压质量信息的实时有效导入施工3d模型和动态显示，将3d模型坐标与构筑物施工过程实测gps地理坐标进行转换匹配。

二、数据采集处理：

实时采集碾压工艺参数、对应地理坐标和采集时间，其中碾压工艺参数包括：拌和料含湿率、碾压完成时应力波波速和碾压车定位数据；

将智能感知获取的碾压多维信息通过gnss-rtk系统以固定的时间间隔通过socket通信传送至云服务器端口，存储至相应数据库；

确定已碾区域，读取数据库中获取的碾车实时定位数据，重构碾车轨迹中心线，按碾车车轮直径设置影响范围，获得完整碾车轨迹，并叠加到3d有限元网格平面，根据碾车轨迹对网格进行标记，碾压覆盖的网格单元标记为1，否则标记为0；

整体压实度计算，读取数据库中模型层的碾压料级配、实测含湿率、波速数据，计算获得各单元压实度值，作为模型层整体碾压质量评价指标。

三、信息回馈控制：

参数可视化，系统客户端实时调取云服务器中碾压工艺参数及智能分析处理结果评价指标，在施工单元3d模型上实时动态显示碾压质量信息；

现场施工反馈控制，系统同步生成馈控信息返回施工现场，现场管理人员通过手机浏览器登录相应ip地址查看馈控信息，针对性地指导现场施工人员对欠碾区域及时进行补碾，直到碾压质量满足要求。

本发明所述转换坐标包括：将3d模型坐标与建筑物施工地理坐标进行转换；选择平面转换模型进行平面坐标转换，按下式求得平面转换参数，高程设为某一固定常数；

(x′，y′)＝kr(x，y)+(δx，δy)(1)

式中：x，y为3d模型坐标；x′，y′为wgs84平面坐标；δx，δy为坐标平移参数；r为旋转矩阵：α为旋转角度，a、b为旋转参数；k为缩放参数，若3d模型按1∶1比例进行绘制，则k＝1。

所述整体压实度计算包括：读取数据库中该模型层数据实测点处的含湿率、波速数据，运用反距离加权法(inversedistanceweighted)，按下式(2)加权函数对没有标记为1的且没有实测数据的网格单元，如附图8阴影部分所示，以距其最近的3个实测数据点为离散样本点，插值求出其含湿率值及应力波波速值，为保证最终评价指标可靠性，数据实测点在仓面范围内均匀分布；

式中，di＝[(x-xi)²+(y-yi)²]^1/2，为插值点(x，y)与距插值点最近的第i个实测数据点(xi，yi)间的距离(i＝1，2，3)。

再将各单元碾压料级配、含湿率值及应力波值导入基于神经网络构建的碾压层压实度计算模型，计算输出各单元压实度值，作为该单元碾压质量评价指标。

所述参数可视化包括：根据完整的碾车轨迹范围，以直线形式表达碾压车轨迹；以各个含湿率、应力波波速实测数据点的空间坐标为圆心，将对应数据值统一乘以一固定常数换算为球体半径，以球型表达数据点数值大小；通过设定压实度阀值及其对应颜色，读取各单元压实度值，对3d有限元模型进行可视化着色，从而生成碾压质量云图，便于管理人员实时、精细地控制碾压层施工质量。

所述馈控信息包括：(1)web在线碾压质量云图，以图形方式显示；(2)碾压质量报告，按设定的压实度阀值统计欠压、稍欠、正常、稍过和过压的三维有限元总数，计算合格率，生成碾压质量报告，以文本方式显示。

本发明提出一种碾压混凝土现场施工压实质量实时可视化馈控方法，采用智能设备实时采集拌和料含湿率、碾压完成时热层应力波波速和碾压车定位数据等碾压工艺参数并无线传输至云服务器，减少现场人为因素及测试方法落后所产生的误差，实现智能化实时多参数连续检测功能；将所获实时工艺参数输入基于改进型神经网络构建的碾压层压实度评价模型，同步远程计算并输出当前碾压层压实度，并对整体碾压层压实质量进行智能预测和评价，避免实际复杂工况下采取对比试验仓碾压密实度评价标准的不可靠性。基于对碾压层压实质量真实准确判断，实现碾压混凝土压实质量信息的远程数字可视化显示及现场实时图形化馈控，为碾压混凝土现场施工提供一种远程、实时、精准与量化可视的质量馈控手段，达到精细化控制施工质量和降低工程成本的目的。

本发明实时采集碾压工艺参数、对应地理坐标及采集时间，并通过设备中的gnss-rtk模块以固定的时间间隔通过socket通信将多维信息无线传输至远程云服务器端口；然后云端基于神经网络的碾压层压实度计算模型读取实时碾压工艺参数，通过计算分析并输出压实度指标对碾压层压实质量进行智能预测和评价；远程客户端调取云服务器中碾压工艺参数及智能分析处理结果，在施工单元3d模型上实时可视地显示碾压质量效果，并生成web在线碾压质量云图返回施工现场，根据云图实时导航，针对性指导现场施工人员对欠碾区域进行补碾，确保碾压混凝土现场施工压实质量。

本发明有益效果是：

本发明采用智能设备实时采集碾压工艺参数并上传，通过基于神经网络构建的碾压层压实度计算模型智能预测、评价碾压压实质量，施工过程中，可实时、远程、相对精准与量化可视地在施工模型上显示碾压质量3d效果并形成馈控信息返回施工现场，便于施工管理人员在远程、现场精细控制碾压混凝土施工质量，可切实提高碾压混凝土施工质量、降低工程成本。

本发明采用智能设备在施工现场实时采集拌合料含湿率、碾压完成时当前碾压层应力波波速及碾压车定位数据等碾压工艺参数，并无线传输至云服务器端口。一方面实现对现场实际工况的准确表征，避免了传统参数获取的不可靠性和不准确性；另一方面，实现全自动数据采集，数据相对稳定连续，存在的误差仅为测量误差，消除了人为因素及传统测试方法落后所产生误差；

本发明碾压层压实智能评价方法，通过读取碾压层实测碾压工艺参数散点值，将反距离加权法运用于碾压混凝土压实质量评价，插值求出施工模型各单元模型参数值，进而输入基于神经网络构建的碾压层压实度计算模型，计算分析并输出各单元压实度作为碾压层整体压实质量评价依据，模型精度高，全局性评价碾压层效果对指导施工更有实际作用。

本发明馈控方法简便，可实时、远程、相对精准与量化可视地掌握碾压质量情况并形成馈控决策，馈控结果实时、直观，精细度高，指标明确，可靠性强，智能化水平高，能够推广运用；对不同施工工况都具有良好适应性，实施起来经济性和实用性显著。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明实施例生成的碾压质量报告；该图表达显示了基于本发明技术实施方案中第三部分信息回馈控制中的远程评价效果主要功能。

图3是本发明实施例生成的碾压层密实度评价模型界面；该图表明了现场采集88个样本的拌合物级配、含湿率以及应力波速值通过改进型神经网络构建的碾压层压实度评价模型计算所得压实度与核子密度仪实测值压实度相对误差；

图4是本发明实施例所建坝体结构3d施工模型图；该图是基于施工作业进度计划采用opengl建立的现场坝体结构的分仓、分段和分层整体形貌；

图5是本发明实施例碾压层碾压质量实时可视化效果；该图表达了远程在线状态下查询坝体第10仓第3段第9层完工状态下的热层碾压质量云图和质量统计信息；

图6是本发明实施例现场馈控web在线碾压显示实际缺陷质量云图；该图表达了现场web在线状态下查询坝体第10仓第3段第9层完工状态下的热层碾压质量缺陷云图显示信息；

图7是本发明实施例现场馈控web在线碾压显示补碾后质量云图；该图表达了现场web在线状态下查询坝体第10仓第3段第9层缺陷修复状态下的热层碾压质量云图显示信息；

图8是施工层实测点位分布图；“0”、“1”分别表示碾压车轨迹未覆盖和覆盖所划分单元；灰色表示该单元没有实测值，白色表示该单元具有实际测值。

具体实施方式

下面结合附图就具体实施方式对本发明进一步说明。具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明原理相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

如图所示，本发明碾压混凝土现场施工压实质量的实时可视化馈控方法包括以下步骤。

第一步，工艺实时采集参数。利用智能感知设备实时采集碾压工艺参数、对应地理(测量)坐标和采集时间，其中碾压工艺参数包括：现场随机采集的拌和料含湿率、碾压完成时检测的碾压热层应力波波速，以及该热层碾压车碾压行走完整轨迹定位数据。由于传统用vc值表征碾压混凝土料性参数的测试方法较为落后，人为因素影响较大，因此，采用含湿率测试仪获取的拌和料含湿率值代替vc值指标，可快速准确提供拌合料的可碾性能评价指标；另外，基于冲击应力波在热层拌合料中传播波速随碾压混凝土密实性变化而改变的原理，由预先确定的该类拌合料碾压后的热层应力波波速与密实度之间关系，在施工现场采用实时碾压热层应力波速测试仪获取碾压完成时应力波速，从而推求碾压完成热层混凝土的密实度；热层碾压车碾压行走完整轨迹定位数据由安装在碾压车顶部中央的gps-rtk定位系统采集获得。

第二步，建立施工模型。依据建筑施工设计图纸和技术参数，划分模型层级，并对层级信息及碾压混凝土级配信息赋值排序，制定图层编码规则，作为可视化系统识别句柄；在autocad软件中构建建筑结构施工单元3d动态模型，以dxf格式导出，再导入基于opengl技术开发的可视化程序，精确表现随工程施工进度推移而叠加演变的建筑形态。

第三步，划分单元网格。网格划分主要采用自由网格划分方法，根据计算分析及可视化精度要求，可自定义3d有限元平面尺寸，厚度为碾压层厚度。

第四步，转换坐标。为确保碾压质量多维信息的实时有效导入和动态显示，需将3d模型坐标与建筑物施工地理坐标进行转换。由于碾压混凝土施工区域一般属于小测区范围，选择简易的平面转换模型进行平面坐标转换，按式(1)求得平面转换参数，高程设为某一固定常数。

(x′，y′)＝kr(x，y)+(δx，δy)(i)

式中参数含义如下：x，y为3d模型坐标；x′，y′为wgs84平面坐标；δx，δy为坐标平移参数；r为旋转矩阵：为旋转角度，a、b为旋转参数；k为缩放参数(若3d模型按1：1比例进行绘制，则k＝1)。

第五步，采集信息自动传输。将智能感知获取的碾压多维信息通过gnss-rtk系统以固定的时间间隔通过socket通信传送至云服务器端口，存储至相应数据库。

第六步，确定已碾区域。读取数据库中获取的该层碾车实时定位数据，重构碾车轨迹中心线，按碾车车轮直径设置影响范围，获得完整碾车轨迹，并叠加到3d有限元网格平面；根据碾车轨迹对网格进行标记：碾压覆盖的网格单元标记为1，否则标记为0。

第七步，整体压实度计算。读取数据库中该模型层的碾压料级配、实测含湿率、波速等数据，运用反距离加权法(inversedistanceweighted)，按下式(2)加权函数对所有标记为1的网格单元，以距其最近的3个实测数据点为离散样本点，插值求出其含湿率值及应力波波速值；再导入基于改进型神经网络构建的碾压层压实度计算模型，计算输出各单元压实度值，作为该单元碾压质量评价指标。

式中，式中，di＝[(x-xi)²+(y-yi)²]^1/2为插值点(x，y)与第i个实测数据点(xi，yi)间的距离(i＝1,2,3)。

第八步，参数可视化。系统客户端实时调取云服务器中碾压工艺参数及智能分析处理结果，在施工单元3d模型上实时动态显示碾压质量信息：根据完整的碾车轨迹范围，以直线形式表达碾压车轨迹；以各个含湿率、应力波波速实测数据点的空间坐标为圆心，将对应数据值统一乘以一固定常数换算为球体半径，以球型表达数据点数值大小；通过设定压实度阀值及其对应颜色，读取各单元压实度值，对3d有限元模型进行可视化着色，从而生成碾压质量云图，便于管理人员实时、精细地控制碾压层施工质量。

第九步，现场施工反馈控制。系统同步生成馈控信息返回施工现场，现场管理人员通过手机浏览器登录相应ip地址查看馈控信息，可针对性地指导现场施工人员对欠碾区域及时进行补碾，直到碾压质量满足要求。馈控信息包括：(1)web在线碾压质量云图，以图形方式显示；(2)碾压质量报告，按设定的压实度阀值统计欠压、稍欠、正常、稍过和过压的三维有限元总数，计算合格率，生成碾压质量报告，以文本方式显示。

下面以某水电站左岸10#碾压区第4施工仓(1#～5#坝段，高程1882.00m～高程1888.00m)对本发明进行进一步说明。

通过在施工现场实时采集碾压工艺参数并上传，远程监控碾压混凝土现场施工压实质量并进行现场馈控，开展了有效实施应用，并运用核子密度仪在现场采集碾压压实度实测值，验证了本发明成果可靠性。

(1)依据坝体施工设计图纸和技术参数，将坝体模型划分为施工仓、施工段、碾压层三个层级，并对仓、段、层数及碾压混凝土级配信息赋值排序，制定图层编码规则，作为可视化系统识别句柄；在autocad软件中构建坝体结构施工单元3d动态模型，以dxf格式导出，再导入基于opengl技术开发的可视化程序，精确表现随工程施工进度推移而叠加演变的坝体形态(图4)。

(2)根据计算分析及可视化精度要求，定义3d有限元平面尺寸为0.2m×0.2m，厚度为碾压热层厚度0.3m。

(3)在该仓面任意位置找到≥3个不共线的代表测点，由gps-rtk测得wgs84空间坐标经高斯投影化为平面坐标，即为“wgs84平面坐标”，再找到代表测点在坝体结构施工单元3d模型中的平面坐标，求得平面转换参数δx＝490644.01,δy＝3092656.72，a＝0.88.b＝-0.47，k＝1；高程转换参数为372.51；再由两点间距离公式计算大坝实体与坝体结构模型转换点位误差为43.00mm，满足系统应用需求。

(4)在碾压车顶部中央安装gps定位系统获取碾压车定位数据，采用含湿率测试仪和实时碾压热层应力波速测试仪智能获取碾压层上、下层含湿率值，碾压完成时应力波速值，对应地理坐标及采集时间。常规含湿率测试仪和实时碾压热层应力波速测试仪均有市售。

(5)将采集的碾压质量多维信息通过智能感知设备中的gnss-rtk模块以固定的时间间隔通过socket通信传送至云服务器端口，存储至对应数据库。

(6)读取数据库中获取的该层碾车实时定位数据，重构碾车轨迹中心线；按碾车车轮直径设置影响范围，获得完整碾车轨迹，并叠加到3d有限元网格平面；根据碾车轨迹对网格进行标记：碾压覆盖的网格单元标记为1，否则标记为0(图8)。

(7)读取数据库中该模型层的碾压料级配、实测含湿率、波速等数据，运用反距离加权法(inversedistanceweighted)，对所有标记为1的网格单元，以距其最近的3个实测数据点为离散样本点，插值求出其含湿率值及应力波波速值；再导入基于bp-ann的碾压压实度计算模型，计算输出各单元压实度值，作为该单元碾压质量评价指标。

(8)系统客户端调取云服务器端碾压工艺参数及碾压质量智能分析结果，将碾压质量信息实时显示在碾压层模型上，可远程、实时、立体地看到碾压效果。

(9)系统同步生成web在线碾压质量云图和碾压质量报告，现场使用手机浏览器登录相应ip地址查看云图，对欠碾区域及时补碾，直到碾压质量符合要求；另外，如图2所示，管理人员通过系统查询碾压质量报告，查看碾压完成部分的合格率。

(10)碾压完成后，采用核子密度仪在施工仓面任意位置采集压实度数据进行施工质量评价，如图3所示，对比采用bp-ann的碾压层压实度计算模型，误差在±2％以内，证明压实度计算结果可靠。

利用本发明对碾压混凝土施工压实质量进行可视化馈控，实现了碾压信息参数实时采集、自动传输、智能分析及可视化馈控，并开展了实际试验验证。应用结果表明，远程精确显示出碾压热层的实时压实情况立体效果，现场web在线碾压质量云图显示出欠碾的区域与3d显示效果一致(图5及图6)。据此预警信息可指导施工人员对碾压缺陷处及时补碾，并实时生成碾压质量报表，供管理人员远程管控，保证了碾压质量(图7)，证明本发明的可靠性。