基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路試驗(yàn)檢測(cè)管理平臺(tái)開發(fā)

王劍倫，邱 巍，周云龍，閆自然

（黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

黨的十九大以來，中國交通事業(yè)正式邁入交通強(qiáng)國新時(shí)代，伴隨“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，會(huì)陸續(xù)在鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、港口等工程領(lǐng)域開展持續(xù)建設(shè)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的多維度試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)將迎來井噴式發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。從高速公路建設(shè)技術(shù)發(fā)展，工程質(zhì)量管理理念不斷進(jìn)步的角度看，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到工地試驗(yàn)室的運(yùn)行和管理中，構(gòu)建試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，提高工地試驗(yàn)室管理效率，是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)[1]。目前，已有針對(duì)公路路面智能監(jiān)控、檢測(cè)系統(tǒng)的研究[2-3]，但針對(duì)高速公路施工全過程的試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)及對(duì)檢測(cè)過程的智能化管理還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

因此，本文通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的研究，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路檢測(cè)全過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)、人員、設(shè)備、樣品的綜合管理；同時(shí)通過系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，智能化輸出檢測(cè)報(bào)告，便于相關(guān)人員通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)的管控。

1 物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)管理平臺(tái)的需求設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性控制

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)參數(shù)，包括瀝青三大指標(biāo)、結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度等，明確物聯(lián)設(shè)備采集、傳輸和手動(dòng)錄入的數(shù)據(jù)，將相關(guān)傳感器采集和人工輸入的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸上傳至檢測(cè)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的在線查詢、監(jiān)控，確保采集參數(shù)的真實(shí)性、可靠性，保證施工質(zhì)量。

1.2 檢測(cè)條件穩(wěn)定性控制

對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)的人員、設(shè)備、樣品信息及各項(xiàng)試驗(yàn)要求的環(huán)境條件嚴(yán)格控制，試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)通過傳感器采集，同時(shí)使用視頻監(jiān)控設(shè)備對(duì)試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)人員進(jìn)行多方位的監(jiān)控，試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至檢測(cè)管理平臺(tái)，保證試驗(yàn)操作準(zhǔn)確。同時(shí)，將試驗(yàn)的人員、設(shè)備、樣品信息及環(huán)境數(shù)據(jù)形成可查詢記錄，在后期檢測(cè)結(jié)果不符合要求時(shí)成為排查原因的參考因素。

1.3 數(shù)據(jù)分析可靠性控制

檢測(cè)信息管理平臺(tái)對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，選擇合適的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)不同試驗(yàn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，統(tǒng)一對(duì)規(guī)范的解釋，針對(duì)不同人員對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的不同需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、關(guān)聯(lián)性、合格性分析，對(duì)檢測(cè)成果進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和判定結(jié)論的自動(dòng)生成。從數(shù)據(jù)計(jì)算、結(jié)論判斷和報(bào)告的出具等方面規(guī)范檢測(cè)工作中的技術(shù)，幫助試驗(yàn)室提高管理技術(shù)水平，保證試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)效性、檢測(cè)成果完整性。

2 檢測(cè)管理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以檢測(cè)管理平臺(tái)展示為基礎(chǔ)，后臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)解析為關(guān)鍵，以施工過程中各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)是否合格為目標(biāo)。通過對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計(jì)，結(jié)合試驗(yàn)流程的管控，為管理試驗(yàn)檢測(cè)過程及后期施工質(zhì)量評(píng)價(jià)帶來幫助。管理平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 檢測(cè)管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

公路試驗(yàn)檢測(cè)管理平臺(tái)通過使用物聯(lián)設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，管理平臺(tái)中的試驗(yàn)人員、設(shè)備、樣品信息也均與試驗(yàn)結(jié)果相互關(guān)聯(lián)。因此，系統(tǒng)業(yè)務(wù)分為基本檢測(cè)管理功能、檢測(cè)數(shù)據(jù)BIM 可視化功能和其他功能三個(gè)部分。

3.1 基本檢測(cè)管理功能設(shè)計(jì)

3.1.1 檢測(cè)樣品管理

檢測(cè)樣品從檢測(cè)任務(wù)發(fā)出，生成編號(hào)，直至檢測(cè)結(jié)束，全過程的時(shí)間、位置、存放環(huán)境等信息均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺(tái)，便于根據(jù)檢測(cè)結(jié)果追蹤樣品，確定不合格檢測(cè)結(jié)果的原因。

3.1.2 檢測(cè)設(shè)備管理

我們拜訪的多是大發(fā)廠的客戶。我總是心有不安。景花廠硬生生地插進(jìn)去，強(qiáng)行從大發(fā)廠碗里分一杯羹，這種競(jìng)爭(zhēng)是不是太惡意了呢？阿花堅(jiān)持說，這也是自由競(jìng)爭(zhēng)，客戶能否給我們訂單，不光靠你的人脈關(guān)系，還要靠我們的技術(shù)和質(zhì)量，還有服務(wù)。如果這些條件跟不上，人家充其量和你做一次生意，下次還做么？我用手指在阿花的鼻子上刮了一下，涎著臉皮說，那你用愛情俘虜了我，把我挖過來，算不算惡意競(jìng)爭(zhēng)呢？阿花腆著臉，說那也不算，這個(gè)時(shí)代，性別年齡美貌統(tǒng)統(tǒng)都是競(jìng)爭(zhēng)的資本，誰讓他林強(qiáng)信不是女人呢？

檢測(cè)設(shè)備應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，保證機(jī)器可以正常使用。試驗(yàn)人員根據(jù)管理平臺(tái)查詢的設(shè)備維修情況、可用設(shè)備等信息，隨時(shí)調(diào)整檢測(cè)方案，提高檢測(cè)效率。

3.1.3 檢測(cè)人員管理

所有檢測(cè)人員的信息均錄入管理平臺(tái)，建立人員檔案，并及時(shí)更新。試驗(yàn)人員通過移動(dòng)端或試驗(yàn)設(shè)備的操作頁面登錄并進(jìn)行試驗(yàn)，監(jiān)控設(shè)備對(duì)檢測(cè)人員進(jìn)行面部識(shí)別，規(guī)范檢測(cè)人員的行為。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)BIM 可視化功能設(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及前期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將瀝青、混合料、鋼筋、混凝土等檢測(cè)參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為BIM 建?？茖W(xué)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，建立檢測(cè)數(shù)據(jù)BIM 統(tǒng)一數(shù)據(jù)字典，進(jìn)而共享傳輸至BIM 平臺(tái)，與BIM 模型施工部位對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。平臺(tái)中的BIM 模型可直觀地顯示檢測(cè)位置及其他檢測(cè)信息，并能反查原材料數(shù)據(jù)信息，加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量及原材料的可追溯性管理，實(shí)現(xiàn)原材料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的可視化管控，真正從工程源頭有效控制施工品質(zhì)。

3.3 其他功能設(shè)計(jì)

3.3.1 檢測(cè)任務(wù)

從檢測(cè)任務(wù)下發(fā)至試驗(yàn)報(bào)告歸檔，每一個(gè)流程均可在管理平臺(tái)進(jìn)行追蹤、查詢。各流程操作人員根據(jù)系統(tǒng)分配的權(quán)限執(zhí)行相關(guān)操作，系統(tǒng)權(quán)限由試驗(yàn)室的系統(tǒng)管理員進(jìn)行分配。具體流程見圖2。

圖2 平臺(tái)檢測(cè)任務(wù)流程圖

檢測(cè)報(bào)告內(nèi)容完整、準(zhǔn)確，包含試驗(yàn)檢測(cè)人員、檢測(cè)時(shí)間、設(shè)備、檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。檢測(cè)報(bào)告可根據(jù)時(shí)間、試驗(yàn)類型等進(jìn)行有針對(duì)性地查詢，還可根據(jù)用戶需求自定義條件進(jìn)行查詢。

3.3.2 檢測(cè)預(yù)警處理

檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的波動(dòng)超過閾值范圍即產(chǎn)生預(yù)警。對(duì)預(yù)警進(jìn)行等級(jí)劃分，并根據(jù)等級(jí)推送預(yù)警消息至不同用戶。預(yù)警處理建議基于范例推理（CBR）的智能決策支持系統(tǒng)（IDSS），與預(yù)警消息同時(shí)推送給相關(guān)人員。用戶可參考處理建議，對(duì)預(yù)警消息作出反饋。同時(shí)預(yù)警消息以及處理結(jié)果將形成一條完整的預(yù)警閉環(huán)記錄存儲(chǔ)在檢測(cè)管理平臺(tái)中，并對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)至智能決策數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)一步完善決策支持系統(tǒng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)警流程如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)警流程圖

4 數(shù)據(jù)庫與輔助決策系統(tǒng)建立

數(shù)據(jù)庫的發(fā)展是衡量一個(gè)國家信息發(fā)展水平的重要指標(biāo)，在實(shí)際操作中軟件的開發(fā)與應(yīng)用都基于數(shù)據(jù)庫[4]。

4.1 管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫建立

將試驗(yàn)檢測(cè)過程中的各項(xiàng)參數(shù)及樣品、人員、設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)試驗(yàn)設(shè)備采集后，網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)庫，為檢測(cè)管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析、統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)的最終呈現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐，以滿足管理平臺(tái)不同角色對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的需求。因此，數(shù)據(jù)庫是一個(gè)將各項(xiàng)工作整合、集成的過程。檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的流程見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)庫作用示意圖

4.2 輔助決策系統(tǒng)建立

輔助決策功能數(shù)據(jù)庫包含了完成系統(tǒng)所有輔助決策功能所需的所有知識(shí)及運(yùn)算法則，包含了數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理分析、應(yīng)用五個(gè)部分。除了存儲(chǔ)于這些關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)還包含了與輔助決策相關(guān)的所有數(shù)據(jù)和算法。針對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析方法（圖5）。

圖5 輔助決策系統(tǒng)框架

輔助功能數(shù)據(jù)庫建設(shè)除管理平臺(tái)收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、其他信息數(shù)據(jù)外，案例數(shù)據(jù)庫主要基于大量的高速公路現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)咨詢服務(wù)案例和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)案例進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理。從高速公路路基、路面施工角度來說，由于受區(qū)域化的原材料水平、施工技術(shù)水平、氣候特征等因素的影響，高速公路施工質(zhì)量和整體技術(shù)發(fā)展水平呈現(xiàn)較大的差異，因此輔助功能案例數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的樣本來源應(yīng)重點(diǎn)選擇項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行高速公路施工的典型工程案例，作為數(shù)據(jù)庫樣本的主要來源，同時(shí)針對(duì)典型的施工問題，也要補(bǔ)充全國范圍內(nèi)的典型工程案例作為樣本。

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

針對(duì)數(shù)據(jù)庫中不同類型的數(shù)據(jù)，檢測(cè)管理平臺(tái)根據(jù)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析方法，挖掘試驗(yàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值，使分析結(jié)果更科學(xué)。檢測(cè)管理平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析方法包括以下幾點(diǎn)。

4.3.1 基本統(tǒng)計(jì)方法

針對(duì)不同指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用樣本方差、標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化的離散趨勢(shì)分析，指出某個(gè)指標(biāo)在一定條件下的穩(wěn)定性。比如對(duì)某一種類型的瀝青進(jìn)行檢測(cè)得到的瀝青三大指標(biāo)、回彈儀檢測(cè)到的混凝土抗壓強(qiáng)度都可以通過基本統(tǒng)計(jì)方法查看瀝青或路面的質(zhì)量穩(wěn)定性。

4.3.2 因子分析與主成分分析

由于施工現(xiàn)場(chǎng)較為復(fù)雜，可能除了材料因素之外，還會(huì)有氣象環(huán)境、設(shè)備等因素對(duì)試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)造成影響。使用因子分析或主成分分析的方法來探討影響因素和試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)的相關(guān)性，對(duì)多個(gè)變量之間的相關(guān)性進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)。在進(jìn)行主成分分析之前，先做數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，確定這些考慮的因素都是有量綱影響的變量。然后對(duì)這些數(shù)據(jù)空間降維，將這些本互相無關(guān)的變量，形成高精度、低維度的一組新的綜合變量，并判斷關(guān)鍵指標(biāo)與這些新的變量之間的相關(guān)系數(shù)，查看哪些變量對(duì)這個(gè)指標(biāo)的影響更大，從而更有效地找到關(guān)鍵影響因子，將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

4.3.3 聚類分析

基于相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，可以再對(duì)這些與路面質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)通過聚類進(jìn)行相似性探討。比如瀝青紅外光譜數(shù)據(jù)可以得到某類瀝青的SBS 摻量，也可以通過該方式在一些情況下，用SBS 摻量來判斷同一類型瀝青。經(jīng)過此種分析得到大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為研究和決策提供有力的支撐。

5 工程實(shí)際應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)高速公路試驗(yàn)檢測(cè)管理平臺(tái)目前已應(yīng)用于黑龍江、安徽等全國多個(gè)省、市，得到大量的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并能通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)、分析，在檢測(cè)管理平臺(tái)中查詢到試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告中樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合格率等信息，評(píng)價(jià)材料、施工的質(zhì)量。

5.1 樣品、設(shè)備、人員管理界面

如圖6 所示，檢測(cè)管理平臺(tái)可以查詢到每個(gè)檢測(cè)樣品的類型、來源、取樣標(biāo)段、取樣時(shí)間、取樣人員等信息，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)樣品的來源追溯，將樣品檢測(cè)結(jié)果與施工質(zhì)量對(duì)應(yīng)。

圖6 樣品管理頁面

如圖7 所示，試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備各項(xiàng)信息均記錄在管理平臺(tái)中，試驗(yàn)人員可根據(jù)條件查詢所需檢測(cè)設(shè)備匹配試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)設(shè)備維護(hù)情況如設(shè)備維修、校準(zhǔn)等相關(guān)信息，均記錄在管理平臺(tái)，相關(guān)人員根據(jù)信息及時(shí)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備管理界面

如圖8 所示，人員管理界面的信息包含試驗(yàn)人員的基本身份信息、定位、健康及考勤方面的信息，并及時(shí)進(jìn)行更新，便于根據(jù)不同項(xiàng)目及試驗(yàn)任務(wù)選擇試驗(yàn)人員，并保證試驗(yàn)人員均符合要求，從而保障了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。

圖8 人員管理頁面

5.2 試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告、分析界面

管理平臺(tái)中試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告的呈現(xiàn)如圖9 所示，以瀝青試驗(yàn)為例。試驗(yàn)報(bào)告模板均錄入管理平臺(tái)，在進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)檢測(cè)設(shè)備上安裝的網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件上傳至平臺(tái)，或者也可以在填寫試驗(yàn)報(bào)告后，上傳至管理平臺(tái)。

圖9 瀝青試驗(yàn)報(bào)告界面

檢測(cè)數(shù)據(jù)分析以瀝青紅外光譜為例，每個(gè)瀝青檢測(cè)樣品來源、運(yùn)輸信息、試驗(yàn)日期、檢測(cè)結(jié)果等均可查詢。將檢測(cè)瀝青紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)瀝青紅外光譜對(duì)比，分析單一樣品紅外光譜的總體相似度。統(tǒng)計(jì)分析所有樣品的相似度紅外光譜，確定瀝青質(zhì)量的合格率，見圖10。

圖10 紅外光譜試驗(yàn)檢測(cè)

6 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)高速公路試驗(yàn)檢測(cè)管理平臺(tái)在全國多個(gè)省市的高速公路項(xiàng)目中得到應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)等信息化手段改進(jìn)檢測(cè)儀器和檢測(cè)技術(shù)，在大數(shù)據(jù)支撐條件下，建立數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)管理信息化系統(tǒng)云平臺(tái)；同時(shí)將參與試驗(yàn)的人員、設(shè)備及試驗(yàn)樣品進(jìn)行信息化管理，使試驗(yàn)檢測(cè)的真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠得到了保證，為高速公路試驗(yàn)檢測(cè)管理提供了保障。