基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路質(zhì)量信息化管控中的應(yīng)用探析

1 前言

近年來，我國持續(xù)加大高速公路建設(shè)力度，截至2019年末，全國公路總里程達(dá)501.25萬km，其中高速公路總里程達(dá)14.96萬km，較2018年增加0.7萬km。在高速公路建設(shè)總里程不斷增長的同時，高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制要求也在不斷提高[1]。高速公路建設(shè)面臨點(diǎn)多面廣線長、工程參建主體多、施工工序多、現(xiàn)場交叉作業(yè)多、投入施工機(jī)械設(shè)備多、現(xiàn)場施工環(huán)境較為復(fù)雜等問題，因高速公路施工管理難度較大、安全生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)管任務(wù)繁重，所以有必要借助信息化技術(shù)手段完善高速公路施工監(jiān)管措施，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入高速公路施工質(zhì)量、技術(shù)管理工作中，推動高速公路建設(shè)質(zhì)量提升。

2 高速公路質(zhì)量管理難點(diǎn)問題分析

在高速公路工程建設(shè)中，質(zhì)量管理主要面臨以下突出問題：

2.1 信息孤島問題

高速公路工程面廣線長，現(xiàn)場管理水平較為落后，施工場地較為分散，要了解現(xiàn)場施工信息只能到現(xiàn)場巡視，需要耗費(fèi)大量人力、物力，且施工巡視檢查不具備連續(xù)性，施工標(biāo)段相對獨(dú)立，各標(biāo)段信息不共享問題突出，“信息孤島”問題普遍存在，難以實(shí)現(xiàn)整個工程質(zhì)量的總體監(jiān)管。同時，在工程建設(shè)中，各類信息均依賴于人工抄報、記錄、統(tǒng)計(jì)，信息傳輸滯后，部門溝通信息不能及時、有效銜接，難以起到現(xiàn)場監(jiān)管的作用，一定程度上增加了高速公路質(zhì)量控制風(fēng)險。

2.2 信息系統(tǒng)交互性差

當(dāng)前，高速公路信息管理系統(tǒng)不完善問題突出，信息系統(tǒng)信息主要依賴于人工錄入，部分信息需要多長重復(fù)錄入，大大增加了工程現(xiàn)場工作量，導(dǎo)致工程人工成本上升[2]。同時，現(xiàn)有的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互性差，未能從施工機(jī)械設(shè)備、傳感器直接獲取信息，數(shù)據(jù)交互性差，導(dǎo)致高速公路信息數(shù)據(jù)價值低，無法起到實(shí)時監(jiān)控的作用。

2.3 事后管理監(jiān)管效果差

如前所述，高速公路信息系統(tǒng)錄入主要依賴于人工錄入，數(shù)據(jù)主要依賴于事后統(tǒng)計(jì)、錄入，未能起到高速公路質(zhì)量預(yù)警、預(yù)測和主動事件處置作用。工程質(zhì)量監(jiān)管處于被動地位，往往在工程質(zhì)量既成事實(shí)后再予以控制，未能達(dá)到預(yù)期工程質(zhì)量控制目的。

針對上述問題，本研究利用多種先進(jìn)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路質(zhì)量信息化管理系統(tǒng)，旨在構(gòu)建實(shí)時互動、預(yù)警預(yù)測的信息管理系統(tǒng)，增強(qiáng)高速公路工程質(zhì)量問題事前預(yù)制、事中控制功能，實(shí)現(xiàn)高速公路由事后被動監(jiān)管向主動監(jiān)管發(fā)展。

3 高速公路質(zhì)量信息化系統(tǒng)總體框架

結(jié)合高速公路工程場地分散的特點(diǎn)，本文研究基于集成化監(jiān)管要求設(shè)計(jì)了四層系統(tǒng)架構(gòu)，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層、智慧工地信息化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心接口服務(wù)層、信息系統(tǒng)展示層。各層級設(shè)備及功能如下：

3.1 物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備

本系統(tǒng)中主要使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要包括有害氣體傳感器、位移傳感器、拉力傳感器、北斗衛(wèi)星定位設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備和溫度濕度傳感器等。基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集高速公路各類數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對瀝青混合料拌和質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)、施工材料構(gòu)件信息的動態(tài)監(jiān)測與管理。

3.2 智慧工地信息化系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智慧工地信息化系統(tǒng)主要面向現(xiàn)場施工單位、監(jiān)理等主體，通過實(shí)時采集、展示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)場施工質(zhì)量控制和安全生產(chǎn)環(huán)境，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)時變化情況為現(xiàn)場施工進(jìn)行安全風(fēng)險、質(zhì)量異常展示、預(yù)警、預(yù)測，滿足現(xiàn)場施工質(zhì)量控制要求。本系統(tǒng)中，智慧工地信息化系統(tǒng)由智慧監(jiān)測系統(tǒng)、智慧保障系統(tǒng)、智慧預(yù)警系統(tǒng)三部分組成，其中智慧監(jiān)測系統(tǒng)為施工單位提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)集中收集、傳輸服務(wù)、分類展示界面，包括預(yù)應(yīng)力壓漿監(jiān)測、拌和監(jiān)測、試驗(yàn)監(jiān)測、邊坡橋梁隧道量測等；智慧保障系統(tǒng)主要面向現(xiàn)場施工技術(shù)管理，包括施工技術(shù)交底、安全培訓(xùn)、質(zhì)量交底等內(nèi)容，由施工單位落實(shí)相關(guān)措施后錄入并展示，用于現(xiàn)場檢查、提醒和警示。

3.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心作為信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中存儲層，通過現(xiàn)場質(zhì)量安全接口匯集、分類存儲視頻、圖紙檔案和項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)，以便信息系統(tǒng)調(diào)用和展示。

3.4 項(xiàng)目管理辦公室

項(xiàng)目管理辦公室是信息管理系統(tǒng)的展示層，包括項(xiàng)目信息管理、項(xiàng)目前期管理、圖紙檔案管理、計(jì)量管理、合同管理等內(nèi)容。基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)和相關(guān)算法，展示高速公路工程施工參數(shù)和預(yù)警信息，以便工程項(xiàng)目質(zhì)量管理單位整體把握、監(jiān)管高速公路施工質(zhì)量信息，實(shí)現(xiàn)高速公路工程質(zhì)量動態(tài)、實(shí)時、可追溯監(jiān)控[3]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路質(zhì)量信息管理系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可拓展性特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣泛應(yīng)用于高速公路施工各個工序，包括瀝青混合料拌和、試塊標(biāo)養(yǎng)、預(yù)應(yīng)力壓漿張拉、橋梁隧道五位一體施工等工序，本文結(jié)合水泥混凝土拌和站監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述公路工程質(zhì)量信息管理系統(tǒng)具體應(yīng)用。

4.1 混凝土拌和質(zhì)量監(jiān)測需求

在高速公路工程中，混凝土作為多個工序的施工原材料，其拌和質(zhì)量直接影響工程建設(shè)質(zhì)量，因此要求施工單位、監(jiān)理、技術(shù)質(zhì)量單位加強(qiáng)混凝土質(zhì)量監(jiān)測與控制，重點(diǎn)加強(qiáng)實(shí)際投料量與生產(chǎn)配合對比，按工程設(shè)計(jì)要求投放混凝土材料，保證混凝土拌和投料、拌和時間、拌和產(chǎn)量符合現(xiàn)場生產(chǎn)、調(diào)度管理要求。本系統(tǒng)基于人工錄入混凝土配合比信息、澆筑部位、混凝土強(qiáng)度要求等內(nèi)容以及物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集混凝土拌和投料量、拌和時間、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)混凝土拌和生產(chǎn)過程記錄自動化測量、采集、記錄和上傳。通過混凝土拌和質(zhì)量采集和傳輸，有效杜絕了人為篡改混凝土拌和信息引發(fā)的質(zhì)量風(fēng)險。

4.2 功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至施工現(xiàn)場智慧工地信息管理系統(tǒng)，并由系統(tǒng)自動對比投料量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)配合比數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)拌和數(shù)據(jù)異常，則通過系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的短信接口向監(jiān)理、技術(shù)質(zhì)量人員發(fā)送短信提醒。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)可通過智慧工地信息管理系統(tǒng)和項(xiàng)目管理辦公室實(shí)時查看、觀測，實(shí)時展示拌和站各臺班拌和數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為高速公路工程混凝土生產(chǎn)質(zhì)量提供可靠依據(jù)。各分項(xiàng)功能設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)如下：

4.2.1 實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控采集

為滿足系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，將拌和站混凝土計(jì)量設(shè)備與拌和站控制工程站相連，采集每次投放量稱重數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)測拌和站全天候每盤料的材料用量、每盤拌和時間、配合比的運(yùn)用等，并按每盤生產(chǎn)任務(wù)單號計(jì)算拌和站產(chǎn)量、投放料配合比情況，實(shí)時監(jiān)測混凝土拌和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

4.2.2 數(shù)據(jù)存儲與傳輸

針對拌和站位置分散且距城區(qū)較遠(yuǎn)的問題，本系統(tǒng)采集后的拌和站審查數(shù)據(jù)經(jīng)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸至施工現(xiàn)場。生產(chǎn)數(shù)據(jù)本地存儲一份，同時上傳一份，當(dāng)上傳不成功時定期重傳，從而提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全性。

4.2.3 數(shù)據(jù)分析

拌和站和智慧工地施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測時，拌和站可查看當(dāng)天生產(chǎn)的每盤混凝土實(shí)際配合比和材料實(shí)際配合比的對比情況，分析每盤混凝土配合比投料差異，實(shí)現(xiàn)對拌和站和施工現(xiàn)場每盤材料配合比的監(jiān)控。拌和站數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸后，匯總至數(shù)據(jù)中心并在項(xiàng)目辦公室系統(tǒng)頁面展示，自動匯總各類原材料生產(chǎn)用量，并生成生產(chǎn)材料用量趨勢圖和誤差走勢圖，以便項(xiàng)目組分析混凝土拌和質(zhì)量偏差原因并落實(shí)質(zhì)量控制措施。

4.2.4 超差預(yù)警通知及處理

當(dāng)拌和站配合比投放量偏差超過允許的誤差時，系統(tǒng)自動計(jì)算超出比例并紅字顯示混凝土超差百分比。根據(jù)工程項(xiàng)分級管理原則，當(dāng)混凝土拌和質(zhì)量存在缺陷時，按三級管理模式進(jìn)行超差預(yù)警并通知相應(yīng)的負(fù)責(zé)人，相應(yīng)質(zhì)量責(zé)任人員制定質(zhì)量問題處理方案，并形成相應(yīng)的閉合證明材料，經(jīng)“智能監(jiān)管”手機(jī)APP上傳至數(shù)據(jù)中心留存。

5 結(jié)語

新時期背景下，信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，促進(jìn)了傳統(tǒng)領(lǐng)域管理模式及管理手段創(chuàng)新。在高速公路工程建設(shè)中，針對工程設(shè)備投入多、分段施工復(fù)雜、施工主體多、質(zhì)量控制難度大的問題，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的分散采集、集中傳輸與展示，并結(jié)合施工現(xiàn)場、項(xiàng)目辦公室不同項(xiàng)目管理要求，分別展示現(xiàn)場采集實(shí)時數(shù)據(jù)和分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為高速公路工程質(zhì)量控制提供有效依據(jù)。