水利工程質量智慧檢測管理系統建設
——以浙江省為例

李艷麗，張 曄，趙 禮，傅國強，費華飛

（1.浙江省水利水電工程質量與安全監督管理中心，浙江杭州 310012；2.杭州千家網絡有限公司，浙江杭州 310011）

1 研究背景

水利工程質量檢測是保證水利工程質量的重要手段，檢測過程牽涉施工單位、監理（或法人）單位、檢測單位和監督單位等檢測相關單位和檢測相關人員以及檢測設備等檢測資源，其中混凝土類、巖土類、金屬結構類、量測類和機械類等五大類檢測樣品的取樣、委托、參數檢測和檢測人員行為將直接影響檢測數據的有效性，同時對檢測數據的實時分析也為水利工程建設決策提供有益參考，因此，如何對水利工程質量檢測樣品、檢測資源和檢測數據進行有效的監管是水利工程質量的重要保證。

物聯網作為信息革命新的浪潮，勢必會對水利工程質量檢測信息化和現代化產生影響，在構建智慧水利的背景下［1］，本研究通過將物聯網與水利工程質量檢測相結合，提出水利工程質量“智慧檢測”的概念。在水利工程質量智慧檢測過程中，要改變施工單位、監理單位、檢測單位和監督單位等檢測相關單位各自為政的局面，實現各單位的信息共享、業務協同以及檢測過程統一化、透明化和科學化，需要進行智慧檢測的頂層設計，為水利工程質量智慧檢測管理系統建設提供基礎支撐。目前，智慧檢測頂層設計已在礦山領域和政府管理領域得到了初步的應用［2-3］，水利工程質量檢測信息化也取得了一定的研究成果，建設了管理云平臺、水利工程試驗檢測信息管理系統、水工混凝土結構智能化系統、灌漿施工監測、面板堆石壩工程壓實實時監控系統以及土料含水、壩料壓實狀態的實時監管等［4-9］。當前，水利工程質量檢測信息化主要是針對某項具體水利工程建設質量的檢測，鮮有以省級行政區為單位的水利工程質量檢測管理系統。因此，本文將以浙江省水利工程質量檢測為背景，提出浙江省水利工程質量智慧檢測頂層設計，開展水利工程質量智慧檢測管理系統的建設，并對系統的建設目標、要求、組成和功能進行介紹，最后對系統的應用情況進行了初步總結。

2 浙江省水利工程智慧檢測頂層設計

2.1 設計目標和理念

浙江省水利工程質量智慧檢測頂層設計從全局出發，使檢測相關單位的業務信息化理念與整個行業信息化理念一致，依據檢測業務制訂檢測業務信息化目標，分析檢測業務信息化的需求，將信息化目標分解為具體目標。頂層設計可實現檢測資源和檢測相關數據的共享，破除檢測相關單位的信息障礙，推動檢測相關單位的業務協同發展。

2.2 水利工程質量檢測行業現狀分析

水利工程質量檢測行業現狀分析是進行智慧檢測頂層設計的前提，目前浙江省水利工程質量檢測主要存在如下問題：部分檢測原始數據手工記錄；檢測單位數量少、檢測設備分散、單位檢測人員少且存在人員借用現象等；檢測單位資質類別和地區分布不均；檢測過程不標準，報告標準不統一；檢測行業存在惡性競爭現象；施工單位、監理單位、檢測單位和監督單位之間的協同性差；檢測行業監管重結果、輕過程，導致樣品取樣不真實、檢測過程無法溯源和檢測報告數據造假等；檢測單位信息化建設水平不同，各地區檢測系統分散建設；檢測資源和檢測相關數據沒有形成統一管理等。

2.3 水利工程質量智慧檢測框架與技術體系

2.3.1 構建智慧檢測框架

建立基于物聯網的浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統，目的是將檢測樣品、檢測設備、檢測單位和檢測數據連接于統一的網絡。智慧檢測框架包括感知控制層、數據傳輸層、數據動態組織和管理層和應用決策層等4層［10］。其中，感知控制層實現五大類檢測樣品標識、位置信息和檢測數據的獲取，包括樣品現場取樣和委托、室內和現場條件下樣品參數檢測、報告生成以及檢測過程行為監控等；數據傳輸層用來將感知控制層產生的各種檢測數據匯聚并實時傳輸至云數據中心；數據動態組織和管理層用來對檢測相關數據（如基礎數據、檢測數據和統計分析數據等）、檢測標準知識庫、水利工程質量檢測規范和標準的海量存儲；應用決策層用于樣品參數實時和歷史檢測數據的計算、分析和挖掘，準確判斷水利工程質量狀況和變化趨勢，為智慧檢測管理系統提供依據。

2.3.2 建立智慧檢測技術體系

智慧檢測技術體系由感知識別技術、數據傳輸技術、云計算技術、大數據技術、數據可視化技術和服務中間件技術等組成［11］，是智慧檢測頂層設計的重要支撐，感知識別技術是基礎，數據傳輸技術和服務中間件技術是保障，云計算技術和大數據技術是關鍵，數據可視化技術是服務和呈現。其中，感知識別技術包括各種樣品參數檢測技術、基于射頻識別（RFID）的樣品追溯和防偽技術、現場取樣人員圖像匹配技術和檢測設備增強現實（AR）識別技術、檢測過程監控技術和電子簽章技術［12-16］；數據傳輸技術包括移動通信網（4G）、互聯網、Wi-Fi和藍牙等；云計算技術包括云數據中心-硬件資源、云存儲中心-云數據庫和云服務平臺-面向服務的架構（SOA）等［17］。

2.4 統一智慧檢測標準體系

智慧檢測標準體系涉及感知、數據傳輸、數據管理和應用等層面，具體包括：樣品采集標準、樣品委托流程和檢測過程標準、樣品委托編號和委托報告標準、檢測樣品參數標準、電子標簽標準、基礎數據（如檢測相關單位及資質和檢測相關人員及資質標準、檢測報告格式和編號標準）、基礎檢測設備（各種感知設備和視頻監控設備）以及數據統計分析標準等。統一智慧檢測標準體系，可實現浙江省水利工程質量檢測數據整合和共享，避免檢測項目重復建設，保證檢測行業健康發展。

2.5 實施路線與保障措施

智慧檢測頂層設計是一個系統工程，涵蓋了智能物聯設備（如檢測設備、網絡硬件等），物聯網最新技術、標準制定、系統構建和推廣應用等多個方面，因此智慧檢測頂層設計聯合企業、高校和政府一起攻關，加大科技項目支持和人才隊伍建設，制定總體工作計劃和分步組織實施方案，在設備研發、技術創新和推廣應用等方面形成體系。

3 浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統建設

3.1 系統建設目標

（1）滿足浙江省水利工程質量檢測相關單位業務需求，提供標準化、智能化和集中化的檢測業務系統。

（2）實現水利工程質量樣品檢測網上委托，簡化委托流程，遏制樣品取樣造假行為。

（3）規范和監管檢測過程，提高樣品檢測和監管效率，落實水利工程質量檢測責任。

（4）實現檢測數據實時分析、挖掘和質量預測，及時預警水利工程存在問題。

3.2 系統建設要求

根據建設目標，浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統應具有先進性、前瞻性、擴展性和兼容性、方便性、可靠性及穩定性。因此，系統采用模塊化設計、多層結構、富客戶端技術以及Ajax、JavaScript框架技術［18］，界面簡潔和操作簡單，實現檢測相關單位無障礙連接和使用。

3.3 系統組成

在智慧檢測頂層設計的前提下，浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統由樣品（施工）采集系統、樣品（監理或法人）采集系統、樣品參數檢測系統、檢測監督系統等4個子系統組合而成。系統的基本功能架構如圖1所示。

圖1 浙江省水利工程質量智慧檢測系統基本功能架構

3.4 系統功能

浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統在完成檢測業務的同時，還具有檢測過程的監管功能。

3.4.1 樣品追溯和防偽

為實現樣品追溯和防偽，本研究提出了一種基于監督識別碼和RFID標簽技術雙重校驗樣品追溯方法，在RFID標簽上帶有監督識別碼和RFID芯片，RFID芯片帶有唯一ID號。首先，施工單位和監理單位的取樣人員從監督單位領取RFID標簽，并將工程名稱、取樣部位等樣品信息錄入系統云數據庫中，將樣品信息和監督識別碼關聯；其次，在現場將標簽植入樣品，見證人員通過移動端填寫樣品信息，在拍攝樣品和標簽的同時將GPS定位信息和時間信息疊加到圖像上，然后上傳至檢測樣品（施工）采集系統和樣品參數檢測系統；最后，將檢測樣品送至檢測單位，檢測單位等通過閱讀器掃描RFID標簽，獲取芯片ID號和監督識別碼并與云數據庫內的ID號和監督識別碼相匹配，對樣品參數開展檢測。樣品圖像實現了取樣樣品、取樣時間、取樣地點的三合一，完成了樣品的追溯和防偽，最大程度地保證樣品取樣和檢測結果真實性。具體流程如圖2所示。

圖2 浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統樣品追溯和防偽流程

3.4.2 樣品委托和參數檢測

樣品施工單位、監理單位或法人采集系統用于實現現場樣品取樣和網上委托，樣品信息包括取樣工程名稱和部位、取樣信息（日期和規格）以及見證人員，委托信息包括委托單位、日期、檢測項目的參數及相關委托人，形成帶有二維碼防偽的委托報告并提供樣品臺賬和報告查詢。樣品參數檢測系統為檢測單位提供樣品流轉服務，形成檢測任務單并運用智能物聯設備進行樣品參數檢測，獲取檢測數據生成檢測報告并通過傳輸技術實時上傳，檢測報告封面自動生成二維碼，并利用電子簽章技術蓋章和檢測人員簽名，掃描二維碼可以獲取檢測信息。檢測完成后，形成檢測歷史臺賬，檢測人員可對檢測報告進行監管，包括檢測項目核對和參數審核。

3.4.3 檢測相關單位和人員監管

監理單位或法人樣品采集系統和樣品參數檢測系統還可用于對檢測和監理人員、單位信息和工地實驗室進行統一管理，為檢測業務提供檢測單位和人員信息服務，優化人力資源，可以避免檢測單位資質亂用以及檢測人員在不同檢測單位之間借用的現象。

3.4.4 在線設備監管

樣品參數檢測系統用于對物聯設備所在單位、信息和性能狀態等方面的管理。檢測監督系統可以實現檢測設備的運行情況和聯網率的實時監控，獲取檢測設備使用情況。另外，還可對檢測設備進行安全監管和基礎維護監管，保證檢測設備處于檢定周期內，更好地為檢測相關單位提供設備服務。

3.4.5 檢測人員行為監控

在室內對樣品參數進行檢測時，利用視頻監控技術對檢測人員的檢測行為進行監控，實現檢測行為的遠程監控和記錄。每個物聯檢測設備上均有二維碼，通過掃描二維碼可獲取檢測行為監控圖片并上傳至檢測監督系統，實現人員、時間、地點和設備檢測信息四合一，完全可以避免檢測人員的違規行為。

3.4.6 工程項目和檢測報告監管

檢測監督系統實現了工程項目和樣品檢測報告的管理。檢測監督系統匯集了施工單位、檢測單位、監理單位和監督單位的樣品委托報告和檢測報告，報告采用統一的模式，利用檢測報告多次上傳的數據對比可判定數據是否有過修改，同時可對檢測單位數據上傳的及時性進行監督，發現異常情況立即進行警告、糾正，從多方面保證檢測結果準確性。

3.4.7 現場參數檢測和監管

現場參數檢測系統用于水利工程質量現場檢測和監管，利用現場智能檢測設備和移動端完成現場檢測業務并對檢測人員和檢測過程進行監管。現場類智能檢測設備包括混凝土回彈儀和非金屬超聲檢測分析儀，結合無線傳輸技術將檢測數據實時上傳至移動檢測監督終端。在現場檢測過程中，利用移動端、圖像識別技術和AR技術對現場檢測過程進行監管：基于圖像識別技術開發了檢測人員識別系統，利用移動端拍攝檢測人員圖像與云數據庫人員信息進行對比，判斷檢測人員是否到達現場；基于AR技術開發了現場檢測設備識別系統，利用移動端對檢測設備標牌拍攝和識別，將隨機生成的文字或虛擬圖像疊加到圖像上，通過云數據庫匹配后調出檢測設備信息進行比較，判斷檢測設備是否在檢定周期內；通過移動端可實現檢測數據多維的匯總統計，掃描檢測報告二維碼可查詢系統中檢測報告的詳細信息，追溯檢測報告的原始數據、原始曲線和檢測圖像等。

3.4.8 多維統計分析

為了對檢測數據進行分析和挖掘，及時對檢測過程進行監管，服務于浙江省水利工程質量，檢測監督系統提供了檢測數據統計分析功能，能夠按多維要求分項統計各類報表內容（見表1），生成Excel或PDF報表、柱狀圖、拆線圖和餅狀圖等，并采用數字可視化技術呈現。多維統計分析可以分別從監督單位、檢測單位、工程統計和工程分項統計等多個節點和角度進行，根據統計分析結果對檢測報告的不合格率、檢測時間是否異常、樣品是否逾期、檢測計劃的完成情況和建筑材料的使用方面等進行全面監管。

表1 浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統多維統計分析功能

4 浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統應用

通過建設浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統，實現檢測樣品（施工）采集系統、檢測樣品（監理）采集系統、樣品參數檢測系統和檢測監督系統等4個子系統的運行，改變了浙江省水利工程質量檢測業務模式由分散走向集中（見圖3），實現了五大類樣品參數檢測數據和檢測報告的自動采集、實時上傳和分析。

圖3 浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統檢測業務模式的轉變

截至2019年9月，浙江省水利工程質量智慧檢測管理系統將浙江省水利工程質量檢測資源納入統一監管，檢測設備均完成硬件升級，實現了與計算機智能物聯，提高了檢測資源利用率。系統實施共整理混凝土類、巖土類、金屬結構類、量測類和機械類等五大類樣品檢測參數651項，其中A類參數121項，B類參數192項，其余為C類參數，主要為金屬結構類、機械電氣類和量測類；制作A類和B類樣品參數檢測報告標準化模板共40份，其中A類檢測報告特點是全自動采集，由智能檢測設備和計算機自動生成，數據不能人為修改，B類報告的部分數據可以人為修改，C類報告檢測報告是用數據和文字對檢測樣品的定性描述。系統共收集150 660份質量檢測報告并進行多維統計分析，以檢測單位維度為例，可對每個檢測單位按檢測大類統計，其中混凝土類129 646份、巖土類19 678份、金屬結構類558份、機械電氣類76份、量測類702份，不合格數3 707份，不合格率2.46%；按檢測小類統計，混凝土88 891份、鋼筋9 878份、水泥5 410份、骨料7 963份、砂漿6792份，另外，檢測單位的修改報告統計為19 351份，并對修改原因進行說明，對每個檢測單位參與的水利工程數量、報告合格數和不合格數以及不合格率也進行統計分析，對浙江省內各行政區域水利工程、合格報告和不合格報告數進行統計，還有其他統計分析等。根據水利工程質量檢測相關數據及分析結果，及時發現水利工程質量問題并進行反饋和處理。

5 結論

浙江省水利工程質量智慧檢測頂層設計為智慧檢測管理系統的建設提供了思路，浙江省水利工程智慧檢測管理系統建設已初步完成并投入使用，為浙江省水利工程質量檢測和監管提供了統一的平臺，促進了檢測業務模式的轉變，真正實現了浙江省水利工程質量檢測業務集中式服務和檢測過程監管，使檢測效率大大提高，加快了浙江省水利工程質量檢測信息化的進程。智慧檢測管理系統匯集了浙江省水利工程各種質量檢測數據并能夠進行多維統計分析，可從宏觀上了解浙江省水利工程建設質量。下一步需采用評價分析模型對系統匯集的檢測數據進行進一步挖掘分析，以使水利工程質量評價更加全面。