基于物聯網的黃河下游防洪工程質量智慧檢測

于曉龍，徐洪增

（山東黃河河務局工程建設中心，山東濟南250011）

黃河下游防洪工程包括堤防工程、水閘工程、河道整治工程等，為保障黃淮海平原防洪安全和工農業發展、經濟繁榮做出了巨大貢獻。質量檢測是保證黃河下游防洪工程高質量建設的重要環節之一，其類別包括巖土工程、混凝土工程、金屬結構、機械電氣和量測等五個類別，在檢測過程中涉及到項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位、檢測單位、以及檢測人員、監督人員、監理人員、檢測設備、檢測報告等。

黃河下游防洪工程質量檢測過程包括樣品取樣、委托、樣品檢測以及反饋等四個環節，主要是對樣品檢測結果進行管理。檢測過程中不僅對樣品取樣、檢測真實性以及檢測數據傳輸、存儲、分析和反饋決策實時性無法保證，而且對檢測樣品、單位、人員、檢測設備并沒有形成統一的管理，檢測效率較低。近幾年，水利信息化的發展不僅為水利工程質量檢測帶來了新的技術[1]，也帶來了水利工程質量檢測管理的變革。目前黃河下游防洪工程質量檢測信息化發展較慢，2018年進行了智能測流系統的建設[2]，用于對水閘含沙量與流量的測量以及遠程監控，黃河下游防洪工程質量檢測還沒有形成統一的管理。物聯網作為現代信息革命第三次浪潮，近幾年，在工業[3]、農業[4]、城市建設[5]和環境[6]等各個領域得到了應用，同時提出了各種物聯網新理論和新技術，如安全運行方面的模糊邏輯方法[7]和圖像安全加密[8]，通過協作式物聯網來提高物聯網可靠性和提供更好的服務[9]，大數據傳輸方面的基于決策反饋均衡的調制技術的大數據通信調度方法[10]，保證物聯網服務質量方面的保證QOS分組調度方案[11]以及物聯網的公共價值觀[12]等。在水利行業，物聯網的發展促使水利信息化由數字水利轉變為智慧水利成為現實[13-15]，國內外學者對智慧水資源[16]、智慧水環境[17-18]、智慧灌溉[19]等進行了研究，并取得了較好的效果。在水利工程質量檢測行業，智慧檢測觀念開始形成，智慧檢測可以克服傳統檢測過程的缺點，但智慧檢測需在頂層設計理論的指導下，才能更好地為黃河下游防洪工程質量檢測服務。因此，筆者首先結合物聯網建立黃河下游防洪工程質量智慧檢測頂層設計，提出黃河下游防洪工程質量智慧檢測的總體結構，介紹防洪工程質量檢測和管理系統的研發思路，最后分析智慧檢測對黃河下游防洪工程質量檢測管理帶來的影響。

1 黃河下游防洪工程質量智慧檢測頂層設計

1.1 頂層設計內容

基于黃河下游防洪工程質量檢測現狀，依托物聯網和云計算，明確防洪工程質量檢測智慧頂層設計需解決的問題，提出智慧檢測總體結構，開發質量智慧檢測管理系統，為檢測業務提供服務和管理。黃河下游防洪工程質量智慧檢測頂層設計對檢測管理變革具有重大意義，一方面適應物聯網發展和黃河下游防洪工程檢測現狀的需求，另一方面推動黃河下游防洪工程項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位等的信息共享和業務協同，進一步提升檢測管理的高效化和科學化。

1.2 需解決的統一問題

1.2.1 理念統一

質量管理部門對黃河下游防洪工程質量檢測歷史、現狀、未來發展前景需有全局的掌握和獨到的見解，防洪工程質量檢測有關單位和人員對于頂層設計的理念應統一起來，全局觀是整個頂層設計都必須堅持的理念。打破目前檢測業務中的各種壁壘，解決職能交叉和機構重疊等問題，真正貫徹統一領導和統一指揮的原則。

1.2.2 規劃統一

頂層設計規劃的內容有檢測資源（單位、人員和設備等）規劃、檢測報告規劃、物聯網技術規劃和基礎設施設備規劃等，需統一規劃，還要考慮檢測數據交互、檢測業務交叉等問題，這樣智慧檢測才能解決檢測信息孤島、數據堆積和跨單位合作不暢等問題。

1.2.3 框架和技術統一

物聯網的發展為頂層設計的框架提供了基礎，感知層、傳輸層、數據層、應用層共同搭建了頂層設計的基礎框架，項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位需按照統一的框架體系進行設計，才能避免檢測數據孤島的出現，實現黃河下游防洪工程質量檢測有關單位間的業務合作與信息共享。

1.2.4 檢測標準統一

統一黃河下游防洪工程質量檢測標準是實現檢測數據交互、業務協同、打破信息交互壁壘的重要工作。在頂層設計中，需要統一的標準主要包括業務流程標準，樣品采集和委托標準，檢測數據和報告標準，數據采集、交換和傳輸標準，數據存儲和管理標準，安全和服務標準和協議標準等[20]。

1.2.5 基層設計統一

項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位需結合本單位實際情況，如檢測人員、檢測數據、檢測設備和管理體制等，結合本單位對于檢測業務信息化的思路和需求，制定檢測信息化目標和業務目標，將檢測信息化目標分解細化為各個檢測單位內部的具體目標，使智慧檢測頂層設計得以實現。

1.2.6 支撐項目統一

智慧檢測是一項系統工程，需要各種相關項目來支撐，不僅包含各種設備（如檢測設備、網絡硬件等）方面的投資，還應包括物聯網最新技術方面的工程項目，如樣品防偽技術、大數據算法技術和檢測管理系統的開發等。

2 黃河下游防洪工程質量智慧檢測總體結構

在頂層設計指導下，結合物聯網定義和監控跟蹤應用模式[21]，提出黃河下游防洪工程質量智慧檢測的概念，即通過感知層、傳輸層、數據層和應用層實現五大類檢測樣品采集和參數檢測，檢測數據實時傳輸、存儲和分析以及防洪工程質量實時決策。智慧檢測的目的是將檢測樣品、檢測設備、檢測單位及人員、檢測數據等通過互聯網連接于一個統一的網絡，不僅實現集中式服務和管理，而且有利于定位、監控和追溯。

2.1 感知層

感知層是智慧檢測的底層，用于獲取五大類樣品的檢測數據，包括各種參數傳感器、智能檢測設備、視頻監控設備、手機端、RFID閱讀器等感知和識別設備。涉及的感知和識別技術包括智能設備參數檢測技術、樣品射頻識別技術[22]、傳感器技術、檢測過程視頻監控技術、基于圖像匹配的人臉識別、基于AR技術的檢測設備識別[23]、檢測設備和人員定位技術（GPS）、二維碼技術等。可以保證樣品的唯一性、設備的可控性、檢測過程和人員行為的規范性，是檢測數據可靠實時傳輸的基礎。

2.2 傳輸層

傳輸層是智慧檢測的第二層，用于將感知層得到的五大類樣品檢測數據進行傳輸，可采用基于網關和IPV6的網絡層設計[24]，涉及到的數據傳輸技術包括移動通信網、互聯網、無線網絡、藍牙、WIFI、NFC等傳輸技術、IP承載技術、異構網絡融合接入技術等[25]。各種傳輸技術需結合室內檢測和現場檢測具備的傳輸條件進行選擇，可以保證檢測數據在各種智能檢測設備操作條件下實時地傳輸。

2.3 云計算平臺

2.3.1 數據層

數據層處于智慧檢測的第三層，是智慧檢測的核心層，不僅用于傳輸層上傳的檢測數據存儲，還有各類基礎數據，如檢測單位和人員信息、設備信息、檢測標準和規范、檢測報告模板等，還包括檢測統計分析數據等。因此，需要建設云數據中心，云數據中心用于存儲數據，包括基礎數據、視頻監控數據、檢測數據、統計分析數據等。每類數據都有相應的模型標準，基于數據模型，異構數據可以在智慧管理系統上交互和存儲，數據中心通過數據模型來管理各類檢測數據，大數據分析和處理、質量評價、數學可視化都通過數據模型為接口來訪問各類檢測數據，實現檢測數據的統一管理。采用的技術包括云計算技術、并行技術和數據庫技術（NoSQL）[26]、大數據分析和處理技術[27]、質量評價技術（如模糊評價、灰色關聯和小波分析等）[28-30]以及檢測數據加密和安全技術等。云計算技術與并行技術以及大數據分析和處理技術密不可分，檢測數據是云數據中心的基礎，并行技術以及大數據分析和處理可對海量檢測數據進行挖掘，但需要借助云計算技術的分布式處理、云存儲和虛擬化技術[31]。五大類樣品檢測數據時空尺度不一致，可采用多尺度聯動更新和網絡抓取匯聚更新等技術實現時空數據更新和融合[32]。如果存在檢測數據缺失，可根據數據特征采用最優混合代替法或統計相關性法解決[33-34]。以上技術保證了各類檢測數據（視頻、圖像、數據和文字等）的有效存儲、整合、共享和實時分析。

2.3.2 應用層

應用層是智慧檢測的最高層，用于對各類檢測數據和分析結果進行顯示，完成黃河下游防洪工程質量分析等任務，為防洪工程質量宏觀決策提供依據。云服務中心提供的服務包括視頻監控服務、單位和人員管理服務、檢測設備管理服務、樣品采樣流程、檢測數據和檢測報告管理服務、樣品檢測和檢測過程管理服務、檢測數據多維統計分析服務和數據分析可視化服務等。采用技術包括面向服務的架構技術（SOA）、數據可視化技術、專家系統和系統集成技術，涉及到各類顯示設備，如計算機和大屏幕等，顯示各類檢測數據和數據分析結果（如直方圖、餅狀圖等）。

3 黃河下游防洪工程質量檢測管理系統研發

3.1 系統建設目標

（1）實時準確進行黃河下游防洪工程質量檢測，科學預判質量問題，并為質量管理決策指揮提供可靠依據。

（2）為檢測單位、施工單位、監理單位、項目法人（監督單位）提供智能化、可視化的檢測業務服務平臺，提升項目法人（監督單位）的防洪工程質量監管能力，快速、高效、準確地完成管理部門下達的各項檢測任務，及時對檢測各單位提供檢測資源和檢測數據信息服務。

（3）制定統一的檢測標準，包括國家和地方檢測標準規范、檢測框架和技術標準、數據標準、檢測報告標準等，用于指導防洪工程質量檢測和管理建設。

（4）設計架構開放，保證檢測單位、施工單位、監理單位、項目法人（監督單位）無障礙連接到系統，同時保障系統穩定運行和高可靠性。

3.2 系統業務流程

系統業務流程要滿足黃河下游防洪工程質量檢測單位、施工單位、監理單位、項目法人（監督單位）服務需要以及實時管理需要。室內檢測業務流程見圖1。

圖1 系統業務流程

對于現場檢測業務流程，與室內檢測的不同在于需要委托在現場進行，然后開展現場檢測，通過移動端檢測和管理系統將數據上傳并生成檢測報告。

3.3 功能架構設計

系統功能架構見圖2。

圖2 系統功能架構

3.3.1 檢測資源管理

檢測資源管理包括檢測單位、檢測設備和檢測人員等信息管理。對于檢測單位，包括單位名稱、檢測資質、聯系方式和負責人等信息；對于檢測設備，包括設備型號、檢定信息和使用信息等；對于檢測人員，包括所屬單位和人員資質等。

3.3.2 檢測業務服務

檢測業務服務是檢測和管理系統的基礎，包括室內樣品參數檢測和現場參數檢測。對于室內檢測，實現施工單位和監理單位檢測樣品網上委托、查詢和檢測單位收樣，實現檢測數據和檢測報告自動采集生成。現場檢測可實現現場委托、檢測地點定位、檢測人員識別并實時上傳形成檢測報告。檢測報告格式和文本樣式實現統一化、標準化和真偽性識別，系統具有報告查詢和下載功能。

3.3.3 檢測數據管理

檢測數據管理是黃河下游防洪工程質量智慧檢測的真正體現，主要服務于監督單位。檢測數據管理要實現檢測數據的顯示，可根據檢測數據對工程質量進行評價；實現檢測報告按檢測單位、監督單位、工程項目和工程類別等維度進行查詢、統計和分析；最后根據評價和統計分析結果對工程項目進行質量判定，掌握水利工程建設質量現狀，同時為質量控制提供參考分析。

3.3.4 檢測實時監控

檢測實時監控包括檢測過程監控、檢測設備監控和樣品取樣監控，達到規范檢測流程的目的。檢測過程監控是對檢測人員的檢測行為進行視頻監控；檢測設備監控是對設備的運行時間和工作狀態進行監控；樣品取樣監控保證樣品在取樣和委托過程中的唯一性和溯源性。檢測報告監控對檢測報告修改情況以及上傳及時性進行監控。

3.4 項目技術路線

首先開展黃河下游防洪工程質量智慧檢測頂層設計，其次構建智慧檢測總體結構，最后在考慮黃河下游防洪工程質量檢測業務需求的基礎上，采用主流語言和成熟系統架構（B/S）開發黃河下游防洪工程質量檢測和管理系統，項目技術路線如圖3所示。

圖3 項目技術路線

4 黃河下游防洪工程質量智慧檢測的影響

4.1 管理特征

4.1.1 管理智能化

智慧檢測可推動黃河下游防洪工程質量檢測管理走向智能化，實現檢測樣品從采集、參數檢測到檢測數據實時存儲、分析、決策以及數據可視化等各個環節的智能化管理，檢測管理始終處于樣品采集—參數檢測—檢測數據實時上傳—檢測數據實時分析—質量管理實時決策的循環模式。

4.1.2 管理虛擬化

檢測業務中檢測資源如智能檢測設備、視頻監控設備、數據存儲設備、檢測樣品、單位及人員、檢測報告等，通過虛擬化技術加以抽象并以集中的方式對檢測資源管理，可以實現黃河下游防洪工程質量檢測資源的優化和高效管理，從而不受現有檢測資源的地域和時間分散限制。

4.1.3 管理協作化

在智慧檢測中，檢測樣品、單位及人員、檢測設備和檢測數據通過互聯網連接在一起構成巨大的網絡系統，可實現樣品和樣品、數據和數據、單位與單位以及人員和人員之間溝通和交流，可實現檢測資源共享和整合，加強各單位和人員協作性和業務聯系，促使檢測業務中相互依存的關系不斷增強。

4.2 管理體制的轉變

黃河下游防洪工程質量檢測管理涉及單位多、設備多和人員廣，智慧檢測可以切實轉變檢測管理體制，與傳統的檢測管理相比，黃河下游防洪工程檢測管理將實現以下三個轉變。

4.2.1 檢測管理組織結構的轉變

傳統的檢測管理組織結構為金字塔式結構，特點是管理幅度小、管理層次多、管理職能嚴格劃分且施工單位、監理單位以及檢測單位只能掌握較小的檢測資源信息。過多的管理層次不僅使檢測業務復雜化，而且檢測數據傳遞的速度低以及數據容易失真。智慧檢測可以促使檢測管理組織結構由金字塔式向扁平式轉變，即通過增大管理幅度而減少管理層次，使檢測數據的傳遞速度變快和數據失真的可能性變小，從而可以及時發現黃河下游防洪工程存在的質量問題。

4.2.2 檢測資源管理方式的改變

目前黃河下游防洪工程質量檢測資源總體上存在著資源分散、管理低效和共享受阻等問題，這使得施工單位、監理單位以及檢測單位之間難以互通互聯和資源共享，導致協作不暢。智慧檢測通過搭建統一的智慧檢測與管理系統，利用系統的數據整合作用，能夠有效地共享檢測資源，實現不同單位的檢測資源整合，實現一站式服務，提高檢測管理效率。

4.2.3 檢測管理職能的轉變

防洪工程質量檢測管理職能轉變是檢測管理的核心，智慧檢測的提出為黃河下游防洪工程質量檢測管理職能轉變提供了機遇和良好的技術支撐。智慧檢測下的檢測管理可整合檢測資源和檢測數據，單位之間的協作將更加重要，這些必然加快檢測管理職能的轉變。傳統檢測管理職能以管控為主，而智慧檢測管理職能則以施工單位、監理單位以及檢測單位之間的關系協調為主。

智慧檢測下的檢測管理是流程管理和職能管理的組合，是以流程為主、管理職能為輔的管理結構，職能管理不能脫離流程管理而存在，職能管理為流程管理提供設計和服務。而施工單位、監理單位和檢測單位業務要求是檢測業務職能管理中重點關注的內容，為流程管理設計提供依據。流程管理帶來的檢測管理變革主要體現在以下幾個方面：

第一，檢測數據和檢測資源傳遞方向發生改變，由從下向上傳遞方式變為各單位間多向和互動傳遞方式，可消除項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位檢測數據和檢測資源不對稱問題，更加全面與有效。

第二，檢測數據和檢測資源實時獲取為檢測管理工作提供基礎支撐，為黃河下游防洪工程質量有效決策提供保障。

第三，黃河下游防洪工程質量檢測管理系統將為項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位提供高效一站式服務，所有檢測業務如樣品采集、參數檢測、數據存儲和實時分析等集中在檢測管理系統中實現，極大減少了智慧檢測建設資源重復，實現檢測業務質量的快速發展。

第四，智慧檢測數據和檢測資源的全面整合和共享，可使項目法人（監督單位）、施工單位、監理單位以及檢測單位檢測業務專業性大大增強，施工單位可以專注于施工質量，檢測單位專注于樣品檢測和檢測數據的準確性，監督單位可以專注于組織決策而提高防洪工程質量的決策精度。

目前，黃河下游防洪工程質量檢測強調結果性管理，智慧檢測將促使檢測重結果輕流程向重結果重流程轉變。檢測流程管理具有導向性、效率性和協作性等明顯優勢，智慧檢測的智能、虛擬和協作等管理特征為檢測流程管理的實現提供了基礎，流程管理成為一種實時和可控的過程。

5 結 語

物聯網時代的到來為黃河下游防洪工程質量檢測信息化發展提供了機遇，筆者結合黃河下游防洪工程質量檢測信息化的現狀，提出了加快黃河下游防洪工程質量檢測信息化的思路，即黃河下游防洪工程質量管理部門需重視頂層設計，在解決統一問題的基礎上，進行黃河下游防洪工程質量智慧檢測的框架設計以及檢測管理系統的開發，才能實現防洪工程質量檢測集中式服務。智慧檢測必然促使黃河下游防洪工程質量檢測管理產生一系列變革，提高工程質量檢測和管理效率，保證防洪工程高質量建設。