智慧試驗室在深中通道項目中的應用研究

梁 波，游玉石

(蘇交科集團股份有限公司，南京 211112)

水泥混凝土是近現代最廣泛使用的建筑材料，也是當前最大宗的人造材料[1]，混凝土結構的安全性和耐久性將直接影響工程質量。近年來在一些實際工程中對混凝土的質量控制有所下降，主要表現為混凝土養護不到位[2-3]以及原材料質量穩定性差等，導致混凝土力學性能及耐久性波動較大，給工程項目造成較大的質量安全隱患。港珠澳大橋建設工程作為中國交通建設史上技術極其復雜、質量要求及標準極高的工程之一，采用的混凝土為120年使用壽命[4]，但在2017年5月港珠澳大橋香港段被曝出混凝土試件抗壓數據造假事件[4]后，混凝土質量問題引起了國內外媒體及工程界更廣泛的關注。

近年來，互聯網+、大數據、人工智能及物聯網技術蓬勃發展，相關理念及技術也影響著各行各業[5-10]，在交通檢測行業涌現出很多新的技術與方法[11-16]。同時，“品質工程”“智慧工地”的建設理念對交通檢測行業提出了新的要求，各類重點工程應運而生，世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程——深中通道工程，就是其中典型代表，它借助信息化、智能化手段實現質量控制過程和監管方式的升級。當前，在“中國制造2025”國家戰略指引下，借助人工智能、工業互聯網、物聯網以及大數據等技術手段，推進試驗檢測中心的數字化和智能化建設，結合移動App應用、短信網關、工業機器人、堆垛機、運輸輥筒、數據采集、二維碼、視頻監控及可編程邏輯控制器(PLC)系統等內容，研發出智慧試驗室，并對其在深中通道項目中的實際應用情況進行系統研究。

1 智慧試驗室的關鍵組成

智慧試驗室主要由兩大關鍵系統組成：檢測云系統和智能檢測機器人系統。檢測云系統用于對外派試驗室的數據進行集中存儲、資源共享和統一調用，通過條形碼、視頻監控和數據自動采集等技術，實現數據的實時上傳、計算及判定以及原始記錄和檢測報告的自動生成；智能檢測機器人系統主要是基于混凝土試件養護及抗壓強度試驗的要求，通過智能化與自動化技術，實現混凝土試件的自動出入庫、智能檢測及養護、廢料自動輸送等功能。基于上述兩大系統，智慧試驗室實現了試驗全過程的無人化、可視化和自動化。

1.1 檢測云系統

檢測云系統是按照云計算的服務模式對各外派試驗室的數據進行集中存儲、資源共享和統一調度，并利用移動App應用、短信網關、數據采集、條形碼、定制表單、視頻監控等技術實現對試驗檢測的“人、機、料、法、環”這五大要素的綜合管控，通過移動終端實現對無法自動采集的試驗數據進行有效管控，對試驗數據進行自動修約、計算、判定，并自動生成原始記錄和檢測報告。圖1為數據的采集(水泥膠砂強度試驗)、圖2為檢測云系統移動端App界面及檢測應用場景。

圖1 數據的采集(水泥膠砂強度試驗)

檢測云系統實現了混凝土強度數據的自動采集和實時傳輸，具備系統權限的人員可遠程調用任一時段的相關數據，根據需要可生成和導出相關格式的業務表單、不合格臺賬、原始記錄表及試驗報告等。同時通過對數據的統計分析，當試驗數據出現異常、復現性誤差超過允許范圍或工程質量管控水平處于臨界點時，系統能夠及時報警，并提出相關的建議指導現場施工。

(a) 移動端App界面

1.2 智能檢測機器人系統

1.2.1 智能檢測機器人系統流程

根據混凝土試件抗壓強度試驗涉及的標準規范文件要求，針對混凝土試件以3個為1組進行養護和試驗的特點，采用料盤進行試件樣品的流轉，根據試驗全過程智能化與自動化的需要，利用自動運輸輥筒、堆垛機和六軸工業機器人，配合PLC程序控制系統及信息軟件系統，實現混凝土試件的自動出入庫、智能檢測及養護、廢料自動輸送等功能。

機器人系統運行流程：試件樣品進入試驗室后，通過檢測云系統電腦端錄入試件信息；將試件以3個為1組放在料盤上，料盤通過入庫滾筒輸送線自行移動，入庫門自動開啟，并由堆垛機運輸放置到系統分配的庫位上；系統軟件自動計時，若有試件到期則發出聲光提醒，并由堆垛機將相應的料盤運輸到出庫滾筒輸送線上，出庫門自動開啟，由出庫滾筒輸送線將試件運輸出庫；出庫后六軸工業機器人抓取試件進行抗壓試驗；抗壓結束后自動進行廢料輸送，檢測云系統自動采集數據并進行判斷。

1.2.2 機器人系統關鍵組成單元的設計研究

混凝土試件養護及檢測的智能化與自動化項目在國內尚無成熟案例，相比傳統的工業自動化項目，機器人系統的設計研發難度較大，考慮到整個系統組成單元較多，項目重點研究了機器人系統關鍵設備及組成單元的結構設計，如料盤的結構設計、堆垛機的結構設計、堆垛機叉板的結構設計、機器人的比選及養護架的結構設計等。

1) 料盤的結構設計

料盤采用304不銹鋼進行制作，分為3層，兩端設計圓弧把手便于人工拿取；上層主要用于試件定位；中層設計4個定位孔，主要用于堆垛機轉運試件時對托盤的定位，防止轉運過程中料盤及試件滑落；下層(料庫定位層)主要用于堆垛機轉運試件時托盤與料庫中庫位的定位。料盤如圖3所示。

(a) 實物圖

2) 堆垛機的結構設計

與制造業大規模自動化的廠房布局、全面的自動化配置不同，本系統應用于交通土木工程試驗檢測行業，現場場地較為狹窄，養護區內部兩側為料庫，中間為入庫設備，其中入庫設備的設計空間寬度為1.1 m。基于此，六軸工業機器人(臂展1.5～2 m)在抓取試件入庫時無法順利調整姿態，而堆垛機(直線機械手)可滿足該狹窄空間試件入庫及出庫的操作，因此采用堆垛機(直線機械手)實現試件的出入庫。

根據現場條件及出入庫要求對堆垛機的運行方式進行設計，通過X軸(地面行走軸)、Z軸(垂直升降軸)、Y軸(叉板平移軸)以及P軸(叉板旋轉軸)實現堆垛機兩側料盤出入庫，堆垛機組成結構如圖4所示 。基于養護區的高濕環境(相對濕度>95%)，堆垛機均采用IP67防護等級的電機及減速機，同時利用不銹鋼鈑金罩對其進行密封，并往里面通入空氣，使電機及減速機始終處于正壓空間中。

圖4 堆垛機組成結構

3) 堆垛機叉板的結構設計

單個混凝土試件重約8 kg、料盤重約6 kg，堆垛機叉板的叉運負載≥30 kg。基于強度、負載及使用環境條件的綜合考慮，叉板材料采用304不銹鋼板拼接而成，焊縫進行打磨并酸洗，叉板上設計有定位銷，以保證在試件轉運過程中料盤不會滑移；在叉板前端缺口處設有超聲波傳感器，可在潮濕環境中對庫位的狀態(有無料盤)進行確認，叉板實物圖如圖5所示；針對叉板負載下變形情況，通過有限元模型進行分析研究，叉板有限元分析模型如圖6所示，結果表明叉板最大變形量≤0.2 mm，滿足試件叉運的使用要求。

圖5 叉板實物圖

圖6 叉板有限元分析模型

4) 機器人的比選

基于抓取負載(>8 kg)及試件對中的精度(≤0.5 mm)要求，經過對比分析，采用IRB2600-20/1.65型機器人，其負載可達20 kg，重復定位精度為0.05 mm，重復循環精度為0.13 mm。經過連續30次的抓取、放置試驗，結果表明：被抓取至壓力機底座位置的試件對中情況符合規范要求，且抓取過程中試件未出現滑移或墜落，抓取過程穩定，該機器人滿足抓取負載及試件對中的精度要求，正在抓取試件的機器人如圖7所示。

圖7 正在抓取試件的機器人

5) 養護架的結構設計

基于養護區高濕的環境條件，存放試件托盤的養護架的支架采用烤漆處理，料盤的放置面板采用304不銹鋼，面板上設計有對角布置的定位銷，可防止料盤位置的偏移，同時定位銷的高度剛好與料盤底板板厚平齊，不會影響堆垛機叉板對托盤的叉運，料庫面板如圖8所示。

圖8 料庫面板

2 應用情況分析

智慧試驗室的混凝土智能檢測系統已在深中通道項目進行實際應用，相關應用情況如下。

(1) 試件標識及識別、庫位分配、入庫情況：試驗人員隨機挑選20 組試件運行系統，系統自動執行噴碼和掃碼，自動進入養護區，到達運輸輥筒指定位置，堆垛機自動運行并開始叉運試件放置到系統自動分配的庫位。在整個運行過程中，試件信息均可快速獲取，試件有序叉運至其分配的唯一庫位，減少人工搬運試件及尋找合適存放位置的過程，避免在試件運轉過程中被人為調換的風險。

(2) 試件出庫、尺寸測量、對中情況：試驗人員在控制軟件中隨機選取試件運行系統，如出庫位206、208和217的試件，堆垛機自動運行至上述試件所在庫位，自動叉運試件開始出庫，到達指定位置后，機器人自動抓取試件至指定工位，系統自動進行尺寸測量，測量完畢后機器人自動抓取試件放置至壓力機底座中間位置。在整個運行過程中，出庫正常，自動吹氣除明水，自動進行試件尺寸測量，并將試件放置在壓力機底座的指定位置，對中情況符合要求，可有效避免人工測量尺寸的偏差，避免對中不到位及抗壓數據與試件不對應的情況發生，保證檢測數據的準確性。

(3) 試件抗壓速率控制：隨機挑選強度等級C25、C30、C35、C40、C45和C50的試件各2組，運行系統進行抗壓試驗，系統均根據試件已錄入的強度等級信息自動選擇了符合規范要求的加荷速率進行抗壓試驗，試驗結果符合規范要求，可避免人為控制抗壓速率的偏差對試驗結果產生不利影響。

(4) 試件抗壓數據結果合格與否的判定及自動留樣功能：在控制軟件中人為設置 312 庫位試件強度等級為C80，該庫位試件的實際強度等級為C40，預測該組試驗結果為不合格，需留樣。驗證情況：運行系統進行該組試件的抗壓試驗，系統自動采集抗壓數據并判斷結果不符合要求，發出提醒，試件殘樣輸送至留樣小車，符合規范要求。在控制軟件中人為設置 314 庫位試件強度等級為C40，該庫位試件的實際強度等級為C45，預測該組試驗結果為合格，無須留樣。驗證情況：運行系統進行該組試件的抗壓試驗，系統自動采集抗壓數據并判斷結果符合要求，試件殘樣輸送至廢料小車，符合規范要求。該項功能可避免人為篡改數據，保證數據的準確性和公正性。

(5) 系統連續性運行測試：自2020年1月8日15:00開始，選擇30組試件進行連續性試驗，系統連續工作至當日18:02，完成30組試件的抗壓試驗。該時間段內系統運行過程無異常，作業連續，出庫、吹除明水、尺寸測量、對中、數據自動采集及判定、殘樣處理環節均符合要求，完成一組試驗約需6 min。

項目應用結果表明：智能檢測系統整個作業過程連續且流暢，符合國家標準和規范要求，實現混凝土試件養護及抗壓試驗過程的無人化、可視化和自動化，減弱人為因素對試驗過程及結果的不利影響，保證試驗數據的公正性、可靠性和準確性；將傳統的不連續性抽查監管模式變為連續不間斷的監管模式，為行業監管部門對工程質量的日常監管創造了便利條件；通過對試驗數據的分析處理，可及時發現混凝土施工質量的不良變化趨勢，對相關問題進行原因分析并提出相應處置措施，從而指導現場施工。另外，混凝土智能檢測系統的應用，降低了試驗檢測人員的勞動強度，且實施檢測時間的靈活性較大，夜間也可進行抗壓試驗，尤其滿足深中通道這類大型工程項目的施工高峰期運作需求，對保證深中通道項目中混凝土工程的質量具有重要意義。

3 結語

目前，國內絕大部分相關試驗室在數據采集、混凝土養護及抗壓試驗方面還處于比較原始的人工操作階段，本項目研制的混凝土智能檢測系統采用人工智能、工業自動化、大數據等技術及設備，實現了數據自動采集及實時傳輸、混凝土試件的自動出入庫、智能養護、智能檢測、廢料自動收集，全方位保證了檢測數據的公正性，有助于提升檢測工作的數字化、智能化和遠程化水平，是智能化檢測技術在交通工程試驗室的典型應用，可起到引領交通檢測行業技術發展、標準不斷革新的作用，具備較高的行業引導和市場推廣價值。