基于三維模型的土方開挖施工質量控制系統設計與應用

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，水資源短缺和時空分布不均等矛盾日益凸顯，嚴重制約了社會經濟發展，對生態環境也產生了一定影響[1-3]。為解決上述問題，中國水利建設全面提速，國家水網主骨架和大動脈不斷完善，通過大型水庫、河道疏浚治理、渠道開挖等水利工程的實施，實現大規模跨流域的水資源調配，而土方開挖工程是實施國家水網工程中的一項重要內容[4-5]。土方開挖工程施工過程中常面臨各項技術難題，如自然和人為因素等造成超、欠挖，施工質量檢測的滯后性和人工檢測的局限性造成質量評定不及時、施工機具多、工地人員構成復雜等造成施工管理和組織協調難度大等[6-7] 。

近年來，國內外學者在挖掘機工作裝置姿態實時監控方面取得一些進展：日本筑波大學利用安裝在車身的激光掃描儀和單雙目攝像機等光學設備和GPS設備，配合安裝在鏟斗、斗桿和動臂上的電位計，綜合解算挖掘機工作裝置相關結構的位置坐標和姿態信息[8-9]。南京工業大學與三一重機利用靶標板和視覺傳感器等設備，實時記錄挖掘機工作裝置圖像，通過圖像處理，將像素坐標轉化計算為工作裝置的實時空間坐標和姿態信息[1]；美國天寶公司研發了基于挖掘機開挖施工過程的坡度控制和引導系統[\";徠卡公司開發了挖掘機3D智能引導系統[12]。但是，已建立的挖掘機姿態檢測系統僅可作為普通挖掘機的輔助操作系統，仍然需要駕駛員的現場判斷才能進行正常作業，不能直觀、有效、精確地為駕駛員土方開挖提供引導，與土方開挖工程精確控制、質量管控、過程管理等要求仍存在差距。

1土方開挖施工精細化管理現狀與難點

隨著國家水網工程的建設，不同河流、樞紐之間的連通工程建設發展迎來熱潮，連通工程大多涉及對天然河道疏浚和改造及人工河道開挖，為土方開挖工程建設的質量控制、項目管理等方面帶來了新的挑戰。

（1）土方開挖的任務規劃與精細化管理。在傳統的土方開挖施工過程管理中，傳統施工流程首先是單元工程劃分，具體施工流程：開挖線放樣 $$ 第一步土方開挖 $$ 第一步修坡 $$ 開挖下一步土方 $$ 下一步修坡 $$ 直至開挖結束。在實際的土方開挖過程中，采用土方開挖智能技術進行引導式開挖模式以實現一次開挖成型的應用較少。

（2）土方開挖智能技術的應用。在傳統的土方開挖施工過程管理中，基本上是開挖完成之后，由施工技術人員和監理人員進行施工質量檢測，檢測內容主要包括開挖面高程、挖坡坡度等重要信息，但是在實際的土方開挖過程中，引導式開挖技術應用較少。

（3）土方開挖過程中的三維動態實時展示與應用。土方開挖實施過程中的實時智能監控技術應用案例較少，尤其是土方開挖量、高程、坡度實時計算等方面，在實際工程應用中還是空白，主要原因是挖掘機開挖過程中，隨著開挖次數的增加，土體三維模型性狀更加復雜，導致開挖實時模型的動態切割計算與展示越來越復雜，最終難以實現三維動態實時展示。隨著計算機技術、衛星實時定位技術、傳感器信息實時處理技術以及多傳感器信息融合技術不斷發展，結合三維模型實時算法的深入研究，土方開挖施工實時監控技術逐漸得以開發和應用[13-18] 。

本文結合安徽省江巷水庫工程挖庫墊地工程，開展基于挖掘機的土方開挖施工質量控制關鍵技術研究，開發了不改變挖掘機機械結構的土方開挖施工質量控制系統，并且在安徽省江巷水庫工程中進行應用。

2土方開挖施工質量控制關鍵技術

2.1挖掘機機器人運動學模型

挖掘機的機械結構按功能可劃分為行走裝置和工作裝置，工作裝置主要由回轉底盤、動臂、斗桿和鏟斗共同組成。為精確求解挖掘機的動態位置坐標，根據機器人運動學原理，將挖掘機工作裝置4個部分抽象成具有4個自由度的四連桿機構[19-20]。挖掘機結構如圖1所示，挖掘機的工作裝置在回轉平臺的驅動下進行旋轉運動，動臂在動臂液壓缸的驅動下繞 A 點進行回轉運動；斗桿在斗桿液壓缸的驅動下繞斗桿和動臂的鉸接點 C 點進行回轉運動；鏟斗在鏟斗液壓缸的驅動下繞斗桿和鏟斗的鉸接點 Q 進行回轉運動。

通過在挖掘機工作裝置的不同部位安裝傾角傳感器，監測挖掘機工作裝置各關節空間的轉角值；利用機器人運動學分析的D-H法（Denavit-Hartenberg），建立工作裝置的各個關節局部坐標系，通過各構件長度、轉角值之間的坐標系矩陣變換，求解挖掘機鏟斗斗齒尖的空間坐標，實現開挖過程的實時監控[21-22]。圖2為D-H坐標系下的挖掘機模型。

注： a_i 為 Z_i-1 到 Z_i 沿 X_i 平移的距離； d_i 為 X_i-1 到 X_i 沿 Z_i-1 平移的距離；θ_i 為 Z_i-1 到 Z_i 繞 X_i 的轉角： q_i 為 X_i-1 到 X_i 繞 Z_i-1 的轉角；回轉中心坐標系根據施工坐標系確定。

鏟斗斗齒尖相對于底座回轉中心坐標系的空間坐標計算如下：

式中： s_i=sinq_i;c_i=cosq_i;c_ij=cos（q_i+q_j）;c_ijk=cos（q_i +q_j+q_k） 。

對挖掘機結構中的幾何關系進行角度分析，鏟斗齒尖姿態角，即鏟斗和斗桿鉸接點 Q 與鏟斗斗齒尖中點 N 的連線與水平線的夾角 β 計算如下：

β=2kπ-（q₁+q₂+q₃）

對挖掘機進行設備安裝改造時，精確測定挖掘機的回轉底盤、動臂、斗桿和鏟斗等構件的相關參數，可求得挖掘鏟斗齒尖相對于底座回轉中心坐標系的空間坐標；挖掘機施工過程中將鏟背貼放在邊坡上，實現該位置邊坡坡比實時解算。

2.2數據稀疏技術與實現

挖掘機開挖施工過程中，衛星定位系統實時采集海量坐標數據，在網絡環境較差的情況下，土方開挖質量控制系統數據查詢、質量分析等功能可能會發生卡頓甚至系統崩潰等情況。在實際的數據處理前應提前對數據庫中采集到的施工數據進行稀疏處理，即對給定的區域內平均抽取一定數目的數據進行分析。利用數據稀疏處理可以去除數據庫中冗余、無效數據，在同樣整體效果下，根據時間和距離綜合進行數據稀疏和分析。其中，根據挖掘機鏟斗的運動軌跡，將數據分為多個鏟動作數據，通過判斷剔除鏟斗平移和鏟斗旋轉動作數據。

2.3 三維動態切割技術

利用多面體布爾運算，根據無人機傾斜攝影或地形等高線圖，土方開挖質量控制系統自動創建原始地形模型以及設計開挖斷面圖，在施工范圍內與大地水平面組成原始地貌地形多面體和設計地貌地形多面體，作為一個時間節點后的土方開挖原始模型和設計模型。

利用原始模型與當前模型進行布爾運算求差集得到已開挖模型；利用當前模型與設計模型布爾運算求差集得到未開挖模型；利用已開挖模型、未開挖模型和過挖模型實時計算當前位置高程，并判斷是否欠挖和超挖，為挖掘機駕駛員提供實時引導。

（1）實時三維模型切割方法。將鏟斗開挖過程數據利用卡爾曼濾波，建立鏟斗開挖運行軌跡，與建立的原始模型進行相關位置判斷，假設鏟斗運行軌跡的多邊形4個頂點為 A，B，C，D ，判斷4個頂點與原始模型是否有交集，當有交集時，可判定該鏟斗動作為開挖土體。

（2）三維模型融合簡化。隨著挖掘機開挖的進行，原始模型或者設計模型外表面變得越來越復雜，計算工作量明顯增多，導致計算效率降低，可能會影響土方開挖施工過程實時監控效果。因此，需要進行三維模型的融合簡化，融合簡化的原則包括：當模型中某相連兩點距離小于 20cm 時，該兩點合并為一個點；當相連兩點合并后，將可能形成的通過線面相連且體積小于 1m³ 的空間體直接刪除。

（3）本地緩存機制的處理。獲取當前鏟斗鏟尖運動軌跡，并計算對應樁號，確定參數。向數據庫發起打開請求，打開該數據庫，直接執行數據訪問，獲取數據并進行繪制。如果數據庫不存在，自動新建數據庫進行更新操作，及時訪問服務器獲取設計參數和施工數據，根據鏟尖實時運行軌跡，計算開挖地形模型數據，并存入緩存數據庫。通過本地數據庫與服務器數據庫的協同工作，減少頁面加載時間，提高訪問效率和繪制速度，實現場景模型的實時繪制。

2.4 土方工程量計算

土方工程量計算可簡化為多面體模型體積計算，模型（即多面體）按照一定規則分解若干個四面體，分別計算每個多面體的體積，并求和即可求得已開挖區域的土方方量。

假設四面體的4個頂點向量分別為 ^{a，b，c，d，} 則四面體體積為

3土方開挖施工質量控制技術應用

通過對挖掘機進行改造，實時監測挖掘機的姿態信息，基于土方開挖施工過程收集的海量數據，進行大數據挖掘及分析，實現土方開挖施工海量數據的有效分析與利用，建立土方開挖施工質量控制系統。該系統不僅具備挖掘機工作裝置姿態信息實時監控等常規功能，還具有開挖施工過程中開挖高程與開挖坡度的實時引導與糾偏、開挖方量統計、開挖斷面自動生成等功能。

土方開挖施工質量控制系統通過無線網絡將挖掘機感知信息上傳至云平臺，云平臺通過信息綜合分析進行三維模型計算（計算當前開挖高程和坡度），通過無線網絡傳輸至挖掘機駕駛室內的引導終端，為挖掘機駕駛員提供引導與糾偏，從而實現土方開挖施工質量控制，如圖3所示。

挖掘機土方開挖施工質量控制系統包括傳感系統、后臺云平臺計算系統和引導系統3個部分，應用了挖掘機機器人運動學模型、施工過程實時監控系統數據實時分析等關鍵技術，各系統實現模塊化組合，采用無線網絡進行系統間的數據傳輸，從而保證數據的實時性和完整性。土方開挖施工質量控制系統應用如圖4所示。

3.1 系統功能與應用情況

結合土方開挖施工質量控制系統，經過改造的挖掘機可以實現土方開挖高程、開挖坡度、開挖斷面實時監測等引導、糾偏功能。為檢驗土方開挖施工質量控制系統是否達到預期目標、質量控制結果能否滿足規程規范要求、是否便于技術人員對開挖過程進行管理、提高管理效益，將建立的系統在安徽省定遠縣江巷水庫挖庫墊地工程中進行了應用。

（1）為實現土方開挖施工質量控制的目標，在系統中進行挖掘機的主要機械結構信息的錄人，如鏟斗、斗桿、動臂的結構尺寸以及GPS和傳感器安裝信息，如圖5所示。

（2）根據實際土方開挖工程施工區域，開挖施工前創建原始、設計地形模型，結合鏟斗開挖過程監測數據進行布爾運算，實時計算當前位置高程、是否欠挖和超挖，為挖掘機駕駛員提供實時引導。

（3）在挖掘機駕駛室中安裝土方開挖施工質量控制系統引導終端，可實時顯示該臺挖掘機當前位置、開挖斷面平面圖、是否欠挖和超挖以及開挖邊坡的坡比等實時施工信息，為挖掘機操作人員提供引導，減少施工過程中技術員放樣放線工作。另外，該系統可以為挖掘機駕駛員提供精確定位功能（圖6），可引導駕駛員自行前往開挖施工區域，挖掘機駕駛員在沒有施工技術員進行施工放線時也可實現自主、高效施工，提高土方開挖效率。

（4）在進行邊坡開挖和坡度控制時，將鏟背貼放在已開挖的邊坡上，可以實時測定該邊坡的坡比；在進行土方開挖高程控制時，將鏟尖貼放在已開挖斷面的底部，可以測定該位置的實時高程，即可實現開挖高程控制，如圖7所示。

（5）系統中的開挖斷面數據分析功能，可實時監控土方開挖施工過程，并對土方開挖斷面與設計斷面進行實時監測（圖8）。另外，開挖過程中可實時監測已開挖區域的土方開挖方量（圖9），為現場工程管理以及施工動態調度提供了重要支撐。

土方開挖施工質量控制技術在江巷水庫挖庫墊地工程建設中得到有效應用。從應用情況可知，采用安裝土方開挖施工質量控制系統的挖掘機進行土方開挖施工，可為駕駛員提供實時引導、糾偏功能，在沒有施工技術員輔助測量的情況下，簡化土方開挖施工中高程控制、坡度控制的施工流程，降低開挖施工難度，使開挖作業基本做到一次成型，實時監測已開挖區域的土方開挖方量，提高施工效率。

3.2土方開挖施工質量控制技術的優勢

通過在安徽省江巷水庫挖庫墊地土方開挖施工過程中應用土方開挖施工質量控制技術，總結該技術優勢如下。

（1）相較于傳統挖掘機土方開挖施工，更能適應復雜的土方開挖環境，能夠在無法實現通視控制條件下的土方開挖提供重要的控制技術與手段，防止超挖、欠挖，保證施工質量。如河道疏浚等水下開挖，可以在沒有施工技術員施工放樣輔助測量的情況下，簡化土方開挖施工中高程控制、坡度控制的施工流程，降低開挖施工難度。

（2）土方開挖施工質量控制系統可適用于不同的施工環境，并且能夠結合施工機械工作效率以及施工機械臺數進行科學、合理的施工規劃，保證在有限的時間內完成土方開挖工作，為土方開挖施工進度提供保障。

（3）土方開挖施工質量控制關鍵技術在不改變施工機械控制系統情況下，能夠實現在沒有施工技術員放樣情況下直接進行開挖施工，提升施工機械的工作效率，有效提高施工質量控制水平。

4結論

（1）根據挖掘機工作裝置的結構幾何特征，安裝GPS和角度傳感器等傳感設備，實現了挖掘機的姿態和空間位置監控，基于D-H法運動學模型進行坐標轉換，實現了挖掘機鏟斗鏟尖坐標、鏟背角度的轉換，并利用三維模型，實現了土方開挖過程實時監測。

（2）開發的土方開挖施工質量管控系統具有強大的適應性與移植性，在對挖掘機工作裝置進行簡單的機械測量與調整、軟件調試分析之后，即可實現挖掘機開挖高程和開挖坡度的實時監測功能，利用三維模型即可實現開挖斷面的實時監測，保證了工程施工質量。

（3）土方開挖施工質量控制系統可實現在沒有施工技術員施工放樣情況下直接進行開挖施工，提升施工機械的工作效率，有效提高施工質量控制水平，具有較好的經濟效益。

（4）通過在安徽省江巷水庫挖庫墊地施工過程中的應用，驗證了開發的土方開挖施工質量控制關鍵技術的適用性，以及開發的土方開挖施工質量控制系統運行的可靠性，可在土方開挖工程中推廣應用。

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（編輯：江，舒忠磊）

Design and application of earthwork excavation construction quality control system based on three - dimensional model

WANG Pei1'2，YIN Jiejie3，XU Haibo1.2

（1.Anhuiamp;HuaiheiverIstituteofHdraulicResearchHefei3O88，China；AnuiProvncialKeyLboratoryofWateriece andIntellient WaterConseruancyHefei23oo88，China；3.TheHuaiheRiverCommissionof theMinistryofWaterResouces， P .R. C.，Bengbu 233001，China）

Abstract：Toachieverefined controlof thequalityof earthwork excavationconstruction，aqualitycontrol system for earthwork excavation construction without changing the mechanical structure of the excavator was developed byusig satelite positioning technologyandthe Internetof Things.This control system wasapplied tothereservoir excavationand ground padding projectof Jiangxiang Reservoir in Anhui Province.The results showed thattheuse of excavators equipped with earthwork excavation construction quality control systems for earthwork excavation construction could provide real - timeguidanceanddeviationcorrction functions fordrivers.Without theassistanceofconstructiontechnicians for measurement，simplifying the construction processof elevationcontroland slope control in earthwork excavation construction， reducing the dificultyof excavation construction，making theoperationbasicallycomplete inonego，monitoring the volume of earthwork excavation in the excavated area inreal time，and improving the construction eficiency.The research results can provide references for construction quality control of similar earthwork excavation projects.

Keywords：earthwork excavation；constructionqualitycontrol；Internet ofthings；guidanceandcorrection；monitoring of excavation section； Jiangxiang Reservoir