基于BIM技術的任意油箱剩余油量計算方法

尹 君 于 健

(中國中鐵四局集團管理與技術研究院，合肥 230023)

引言

在信息化技術飛速發展的當今時代，BIM(Building Information Modeling)技術已成為工程施工領域不可或缺的技術應用之一，如李曉軍[1]提出了BIM多尺度建模及自適應拼接技術在山嶺隧道中的應用； Hua Xinruo[2]指出BIM是建筑工程設計、施工、運營階段的數字化過程，BIM技術在工程項目中的實際應用不只是通過一個或一類BIM軟件來實現的，而是多種BIM軟件相互協作的結果，文章基于BIM技術，介紹了建筑金屬防護材料的耐低溫影響試驗； Ma Zhiliang[3]為了提高建筑項目投標成本估算的效率和準確率，介紹了工程量清單投標成本估算方法，分析了有關建筑信息的相關規范，根據北京定額規范得到5項確定和9項不確定的建筑信息，最后提出了一種基于BIM設計結果的建筑項目投標成本自動評估方法。

由此可見，此技術大多是基于建筑工程本體模型在項目實施階段和運維階段的一些分析和應用，如朱記偉[4]給出了BIM技術在BIM應用功能、項目管理、信息數據流轉和BIM實施方案四個方面的應用，在工程機械管理中的應用鮮有報道； Du Fei[5]介紹了BIM技術在高校基礎建設成本全流程管理中的應用，優化、改善了當前成本管理模式，提升了每一階段的成本管理效率和總體管理水平； Li Jian[6]以工程項目為例講述了利用BIM技術在設計階段碰撞檢查，施工階段可視化虛擬施工，4D(BIM+時間)和5D(BIM+時間+成本)施工動態管理，物資清單隨模型自動統計、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械，而目前各種工程機械大都是燃油型，使得燃油費用支出成為施工成本控制的重點對象之一。傳統油料管理大都是人工記賬、結算，不僅耗用大量勞動力，而且工作效率低，真實性也有待考證，并且對于油料偷盜行為難以有效監管。因此，研發一種能夠自動監控機械油量的管理系統迫在眉睫。現階段物聯網技術在工程施工領域的應用層出不窮[7-8]，助推了工程機械管理的信息化程度。于是，在物聯網技術蓬勃發展的大時代背景下，有關機械車輛監管系統的報道逐漸增多，如張亞平[9]介紹了租賃車輛遠程監控系統，魏敬成[10]提出了工程機械監控系統的總體設計方案，但諸如此類的機械車輛監控系統大多具有車輛位置監控、軌跡回放、電子圍欄越界報警等常用功能，對機械車輛油料監控的描述并不多，或者有此功能，但其油量監測數據精度不高[11]。

為了解決這一難題，本文實地調查了每一種工程機械車輛的油箱形狀，結果顯示工程機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，主要可分為規則長方體和不規則圓柱體、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。規則長方體油箱四面垂直方向形狀無變化，每單位高度對應體積相等，此類油箱油量變化較為規律； 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測的準確率，同時油箱模型參數化，加快了油箱建模的速度，最后通過實例數據驗證了油量修正方法的可行性及其精度。

1 準備工作

1.1 設備與工具

1.1.1 設備

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等工程機械，油料傳感器(安徽江天云控技術股份有限公司)，核心采集模塊(自主研發，本處用于收集油料液位高度值并將其發送至系統服務器)。

1.1.2 工具

本文所用工具為Revit2018軟件，鋼卷尺(3m)。

1.2 油箱三維模型創建

根據施工現場工程機械油箱形狀調查結果，利用Revit軟件中的拉伸、放樣、剖切等命令建立常見5種工程機械油箱參數化族庫，為運營管理階段快速建立目標油箱三維模型提供條件，油箱族庫參數化建模過程如下：

1.2.1 規則長方體油箱參數化建模

規則油箱參數化建模過程簡述如下：

1)新建—族—公制常規模型，在參照標高視圖下，以原十字形參照平面為基準，創建4條新的參照平面，分別橫向、縱向標注新創建參照平面與基準參照平面的距離，并點擊EQ，使其對稱均分；

2)分別標注橫向、縱向新創建參照平面的間距，分別選定間距并對應創建類型參數，且命名為油箱長度和油箱寬度，使用創建拉伸命令，沿新參照平面形成的四個交點繪制長方形，并將長方形四條邊分別鎖定至對應參照平面，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，標注上下參照平面間距，選定此間距創建參數，且命名為油箱高度；

4)使用創建—空心形狀—空心放樣命令分別對規則油箱棱角圓角化，當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域再次放樣的難題。依據現場調查結果可知，規則油箱有4棱圓角、8棱圓角和1棱圓角三種情況，后期可根據現場油箱實際情況保留所需圓角即可。

1.2.2 圓柱體油箱參數化建模

圓柱體油箱參數化建模過程如下：

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

2)切換至前立面視圖，在原有基準豎軸兩側繪制兩個參照平面，參照規則長方體油箱參數化設置方法，將圓柱體油箱長度參數化，并命名為圓柱體油箱長度；

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

1.2.3 截面D形油箱參數化建模

截面D形油箱參數化建模過程如下：

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

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

3)同樣參照規則長方體油箱圓角化方法，對截面D形油箱圓角化，建模結束。

1.2.4 梯形多邊體油箱參數化建模

梯形多邊體油箱參數化建模過程簡述如下：

1)新建—族—公制常規模型，參照規則長方體油箱長度、寬度、高度參數化設置方法，先后分別參數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)參照規則長方體油箱圓角化方法，根據實際情況將梯形多邊體油箱圓角化，參數化建模結束。

1.2.5 多段多邊體油箱參數化建模

多段多邊體油箱參數化建模按照油箱下部區域、中部區域、上部區域分別進行，詳細過程如下：

1)新建—族—公制常規模型，在參照標高視圖下，參照規則長方體油箱參數化長、寬、高方法，對油箱下部區域長、寬、高參數化，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。

2)切換至參照標高視圖，在油箱下部區域左側重新創建一條參照平面，用于確定油箱中部及上部區域長度的左側角點位置，以新生產的五個點作為油箱中部區域的邊界點，采用拉伸命令創建油箱中部區域； 參照規則油箱高度參數化方法，將油箱中部區域高度參數化。

3)切換至前立面視圖，采用空心拉伸命令，以油箱中部區域高度和中部區域與下部區域短邊長度差為直角邊，并以直角邊端點為基準點繪制圓弧，將圓弧參數化，且命名為中部區域圓弧半徑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參照平面。

4)切換至參照標高視圖，以油箱中部區域輪廓為基準線，創建油箱上部區域輪廓，并將各邊分別鎖定至重合的參照平面； 參照規則油箱高度參數化方法，將油箱上部區域高度參數化。

5)參照規則油箱圓角化方法，將多段油箱圓角化，建模結束。

使用鋼卷尺精確測量本論文示例油箱各部分尺寸，并根據各油箱尺寸，修改各油箱參數化模型中的對應尺寸快速建立各油箱三維模型，并利用BIM技術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

油箱消耗曲線函數求解參照戴浩法[13]并加以改進。首先，在油箱高度范圍內任取若干高度值，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，以確保曲線函數的連續性。

1.4 油量監測評估

首先，分別收集各示例油箱一個月之內的加油數據，同時默認各示例油箱加油數據的絕對準確，記為實際加油量V1； 其次，分別收集各示例油箱在系統客戶端對應顯示的加油數據，記為系統加油量V2； 最后，比較系統加油量與實際加油量，并求其差值和油量監測的精確度w，油量監測精確度計算公式如下：

(1)

(2)

式中，n為樣本數量，i為樣本序號。

2 結果與討論

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，其任一高度所對應的體積均不相等。根據此原理可以得出，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個區域，其中上部和下部區域每單位液位高度對應體積相等，可視為規則多邊體油箱。

圖2 油箱三維模型

2.2 單段油箱油料消耗曲線函數

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因變量，采用最小二乘法進行多項式擬合[14]，分別求出各油箱油料消耗曲線函數。

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。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，此種變化規律符合油箱截面為圓形的變化特點[15]。截面D形多邊體油箱消耗曲線的變化規律同圓柱體油箱，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，符合拋物線函數的變化規律[16]。因此，此三種異形油箱的油料消耗曲線呈非線性規律變化，其函數關系式分別為：

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

圖4給出了分段多邊體油箱的油料消耗曲線。結果顯示，在油箱不同區域，對應油料消耗曲線也不相同，這是因為油箱不同區段的形狀不相同所造成的。由于油箱上部和下部區域多邊體各面在垂直方向上無變化，使得該區域每單位高度對應油箱體積相等，曲線呈線性規律變化； 而油箱中部區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油箱體積不相等，曲線呈非線性規律變化。油箱上部、中部和下部區域油料消耗曲線函數關系式如下：

上部區域：y=1.3369x-0.3365，R2=1；

中部區域：y=0.4712x2+0.4034x+0.1198，R2=0.9999；

下部區域：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式時，決定系數R2值反應了多項式擬合的置信度，R2數值越接近1，說明擬合函數置信度越高，精度也就越高，從各示例油箱擬合函數的決定系數R2值可知，本文各示例油箱油料消耗曲線函數擬合精度較高，具有較高的可信度。

2.4 油量監測評估

為了驗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，求得油箱對應的油料消耗曲線函數，并將此函數寫入油量監測系統。當系統運行時，油料傳感器實時讀取油料液位高度比值(函數自變量)，系統根據油料消耗曲線函數自動求出油量體積比值(函數因變量)，之后將體積比值乘以油箱總體積，得到油箱剩余油量，結果展示在系統客戶端。

圖5、圖6、圖7和圖8分別給出了各示例油箱系統加油量與實際加油量對比分析圖，對加油量數值按照升序方式排序，由圖可知各示例油箱加油量數值在34L到254L范圍內隨機變化時，每一次系統加油量與實際加油量數值幾乎可以重疊，二者差值均較小，差值量穩定分布在0附近，說明本文提出的油量計算方法所統計的系統加油量與車輛實際加油量數值基本一致，該種油量計算方法可行。同時計算結果顯示各示例油箱月平均加油量數值精確度分別為98.54%、94.86%、95.43%和96.74%，平均值為96.39%，進一步說明，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 結論

本文提出的任意油箱剩余油量計算方法可以應用于任意形狀油箱，不僅提高了異形多邊體油箱油量監測的準確率，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測的實際應用，證明了本方法擁有油量監測的準確性和廣泛應用的可行性。