基于物聯網的高速公路試驗檢測管理平臺開發

王劍倫，邱 巍，周云龍，閆自然

（黑龍江省交投公路建設投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

黨的十九大以來，中國交通事業正式邁入交通強國新時代，伴隨“交通強國”戰略的深入推進，會陸續在鐵路、公路、機場、港口等工程領域開展持續建設。基于物聯網技術開發的多維度試驗檢測技術將迎來井噴式發展。

物聯網是指將各種信息傳感設備及系統通過各種接入網與互聯網結合起來形成的一個巨大智能網絡。從高速公路建設技術發展，工程質量管理理念不斷進步的角度看，將物聯網技術融入到工地試驗室的運行和管理中，構建試驗檢測數據監控系統，提高工地試驗室管理效率，是時代發展的趨勢[1]。目前，已有針對公路路面智能監控、檢測系統的研究[2-3]，但針對高速公路施工全過程的試驗檢測系統及對檢測過程的智能化管理還應進行進一步的研究。

因此，本文通過對物聯網試驗檢測系統的研究，開發物聯網檢測信息管理平臺，實現對高速公路檢測全過程試驗數據、人員、設備、樣品的綜合管理；同時通過系統中的統計分析方法，對檢測數據進行分析，智能化輸出檢測報告，便于相關人員通過平臺實現對試驗檢測的管控。

1 物聯網檢測管理平臺的需求設計

1.1 檢測數據準確性控制

現場檢測和室內試驗檢測數據的各項參數，包括瀝青三大指標、結構物強度、鋼筋保護層厚度等，明確物聯設備采集、傳輸和手動錄入的數據，將相關傳感器采集和人工輸入的數據通過網絡模塊傳輸上傳至檢測管理平臺，實現對施工質量的在線查詢、監控，確保采集參數的真實性、可靠性，保證施工質量。

1.2 檢測條件穩定性控制

對進行試驗的人員、設備、樣品信息及各項試驗要求的環境條件嚴格控制，試驗環境數據通過傳感器采集，同時使用視頻監控設備對試驗環境及試驗人員進行多方位的監控，試驗環境數據及監控視頻均通過網絡傳輸至檢測管理平臺，保證試驗操作準確。同時，將試驗的人員、設備、樣品信息及環境數據形成可查詢記錄，在后期檢測結果不符合要求時成為排查原因的參考因素。

1.3 數據分析可靠性控制

檢測信息管理平臺對各項檢測數據進行統計與分析，選擇合適的統計分析方法對不同試驗的檢測數據進行深度挖掘，統一對規范的解釋，針對不同人員對試驗檢測數據的不同需求，進行數據的穩定性、關聯性、合格性分析，對檢測成果進行自動計算和判定結論的自動生成。從數據計算、結論判斷和報告的出具等方面規范檢測工作中的技術，幫助試驗室提高管理技術水平，保證試驗檢測時效性、檢測成果完整性。

2 檢測管理平臺架構設計

本系統以檢測管理平臺展示為基礎，后臺試驗數據解析為關鍵，以施工過程中各項試驗檢測參數是否合格為目標。通過對試驗檢測數據的綜合統計，結合試驗流程的管控，為管理試驗檢測過程及后期施工質量評價帶來幫助。管理平臺架構圖如圖1 所示。

圖1 系統架構圖

3 檢測管理平臺功能設計

公路試驗檢測管理平臺通過使用物聯設備、互聯網進行試驗數據的采集，建立數據庫進行統計分析，管理平臺中的試驗人員、設備、樣品信息也均與試驗結果相互關聯。因此，系統業務分為基本檢測管理功能、檢測數據BIM 可視化功能和其他功能三個部分。

3.1 基本檢測管理功能設計

3.1.1 檢測樣品管理

檢測樣品從檢測任務發出，生成編號，直至檢測結束，全過程的時間、位置、存放環境等信息均通過網絡傳輸至管理平臺，便于根據檢測結果追蹤樣品，確定不合格檢測結果的原因。

3.1.2 檢測設備管理

我們拜訪的多是大發廠的客戶。我總是心有不安。景花廠硬生生地插進去，強行從大發廠碗里分一杯羹，這種競爭是不是太惡意了呢？阿花堅持說，這也是自由競爭，客戶能否給我們訂單，不光靠你的人脈關系，還要靠我們的技術和質量，還有服務。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，算不算惡意競爭呢？阿花腆著臉，說那也不算，這個時代，性別年齡美貌統統都是競爭的資本，誰讓他林強信不是女人呢？

檢測設備應及時進行維護，保證機器可以正常使用。試驗人員根據管理平臺查詢的設備維修情況、可用設備等信息，隨時調整檢測方案，提高檢測效率。

3.1.3 檢測人員管理

所有檢測人員的信息均錄入管理平臺，建立人員檔案，并及時更新。試驗人員通過移動端或試驗設備的操作頁面登錄并進行試驗，監控設備對檢測人員進行面部識別，規范檢測人員的行為。

3.2 檢測數據BIM 可視化功能設計

結合相關規范標準及前期總結經驗，將瀝青、混合料、鋼筋、混凝土等檢測參數的試驗數據作為BIM 建模科學可靠的基礎數據支撐，建立檢測數據BIM 統一數據字典，進而共享傳輸至BIM 平臺，與BIM 模型施工部位對應關聯。平臺中的BIM 模型可直觀地顯示檢測位置及其他檢測信息，并能反查原材料數據信息，加強對原材料質量及原材料的可追溯性管理，實現原材料和試驗數據的數據互通，實現對試驗過程的可視化管控，真正從工程源頭有效控制施工品質。

3.3 其他功能設計

3.3.1 檢測任務

從檢測任務下發至試驗報告歸檔，每一個流程均可在管理平臺進行追蹤、查詢。各流程操作人員根據系統分配的權限執行相關操作，系統權限由試驗室的系統管理員進行分配。具體流程見圖2。

圖2 平臺檢測任務流程圖

檢測報告內容完整、準確，包含試驗檢測人員、檢測時間、設備、檢測關鍵參數的數據及分析結果。檢測報告可根據時間、試驗類型等進行有針對性地查詢，還可根據用戶需求自定義條件進行查詢。

3.3.2 檢測預警處理

檢測數據出現的波動超過閾值范圍即產生預警。對預警進行等級劃分，并根據等級推送預警消息至不同用戶。預警處理建議基于范例推理（CBR）的智能決策支持系統（IDSS），與預警消息同時推送給相關人員。用戶可參考處理建議，對預警消息作出反饋。同時預警消息以及處理結果將形成一條完整的預警閉環記錄存儲在檢測管理平臺中，并對應存儲至智能決策數據庫中，進一步完善決策支持系統。試驗數據預警流程如圖3 所示。

圖3 試驗數據預警流程圖

4 數據庫與輔助決策系統建立

數據庫的發展是衡量一個國家信息發展水平的重要指標，在實際操作中軟件的開發與應用都基于數據庫[4]。

4.1 管理平臺數據庫建立

將試驗檢測過程中的各項參數及樣品、人員、設備的數據經試驗設備采集后，網絡傳輸至數據庫，為檢測管理平臺對數據的處理、分析、統計及數據的最終呈現提供數據支撐，以滿足管理平臺不同角色對檢測數據的需求。因此，數據庫是一個將各項工作整合、集成的過程。檢測數據進入數據庫，經統計分析后，數據呈現的流程見圖4。

圖4 數據庫作用示意圖

4.2 輔助決策系統建立

輔助決策功能數據庫包含了完成系統所有輔助決策功能所需的所有知識及運算法則，包含了數據源、數據采集、數據存儲、數據處理分析、應用五個部分。除了存儲于這些關系型數據庫中的結構化數據外，系統還包含了與輔助決策相關的所有數據和算法。針對不同類型數據的各項統計分析方法（圖5）。

圖5 輔助決策系統框架

輔助功能數據庫建設除管理平臺收集的試驗數據、其他信息數據外，案例數據庫主要基于大量的高速公路現場技術咨詢服務案例和經驗，對案例進行數據化處理。從高速公路路基、路面施工角度來說，由于受區域化的原材料水平、施工技術水平、氣候特征等因素的影響，高速公路施工質量和整體技術發展水平呈現較大的差異，因此輔助功能案例數據庫構建的樣本來源應重點選擇項目所在區域內的執行高速公路施工的典型工程案例，作為數據庫樣本的主要來源，同時針對典型的施工問題，也要補充全國范圍內的典型工程案例作為樣本。

4.3 數據統計分析方法

針對數據庫中不同類型的數據，檢測管理平臺根據對應的統計分析方法，挖掘試驗數據的價值，使分析結果更科學。檢測管理平臺的統計分析方法包括以下幾點。

4.3.1 基本統計方法

針對不同指標的檢測數據，采用樣本方差、標準差、離散系數等對數據進行定量化的離散趨勢分析，指出某個指標在一定條件下的穩定性。比如對某一種類型的瀝青進行檢測得到的瀝青三大指標、回彈儀檢測到的混凝土抗壓強度都可以通過基本統計方法查看瀝青或路面的質量穩定性。

4.3.2 因子分析與主成分分析

由于施工現場較為復雜，可能除了材料因素之外，還會有氣象環境、設備等因素對試驗關鍵指標數據造成影響。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關鍵指標的相關性，對多個變量之間的相關性進行多元統計。在進行主成分分析之前，先做數據標準化，確定這些考慮的因素都是有量綱影響的變量。然后對這些數據空間降維，將這些本互相無關的變量，形成高精度、低維度的一組新的綜合變量，并判斷關鍵指標與這些新的變量之間的相關系數，查看哪些變量對這個指標的影響更大，從而更有效地找到關鍵影響因子，將數據庫的數據質量進行優化。

4.3.3 聚類分析

基于相關性分析的基礎上，可以再對這些與路面質量相關的指標通過聚類進行相似性探討。比如瀝青紅外光譜數據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。經過此種分析得到大量的經驗數據，為研究和決策提供有力的支撐。

5 工程實際應用

物聯網高速公路試驗檢測管理平臺目前已應用于黑龍江、安徽等全國多個省、市，得到大量的試驗檢測數據，并能通過對數據的處理、統計、分析，在檢測管理平臺中查詢到試驗檢測報告，根據報告中樣品試驗數據的合格率等信息，評價材料、施工的質量。

5.1 樣品、設備、人員管理界面

如圖6 所示，檢測管理平臺可以查詢到每個檢測樣品的類型、來源、取樣標段、取樣時間、取樣人員等信息，實現檢測樣品的來源追溯，將樣品檢測結果與施工質量對應。

圖6 樣品管理頁面

如圖7 所示，試驗檢測設備各項信息均記錄在管理平臺中，試驗人員可根據條件查詢所需檢測設備匹配試驗任務。試驗設備維護情況如設備維修、校準等相關信息，均記錄在管理平臺，相關人員根據信息及時進行設備維護。

圖7 試驗設備管理界面

如圖8 所示，人員管理界面的信息包含試驗人員的基本身份信息、定位、健康及考勤方面的信息，并及時進行更新，便于根據不同項目及試驗任務選擇試驗人員，并保證試驗人員均符合要求，從而保障了試驗結果的準確。

圖8 人員管理頁面

5.2 試驗檢測報告、分析界面

管理平臺中試驗檢測報告的呈現如圖9 所示，以瀝青試驗為例。試驗報告模板均錄入管理平臺，在進行瀝青三大指標試驗時，試驗得到的數據經檢測設備上安裝的網絡傳輸硬件上傳至平臺，或者也可以在填寫試驗報告后，上傳至管理平臺。

圖9 瀝青試驗報告界面

檢測數據分析以瀝青紅外光譜為例，每個瀝青檢測樣品來源、運輸信息、試驗日期、檢測結果等均可查詢。將檢測瀝青紅外光譜與標準瀝青紅外光譜對比，分析單一樣品紅外光譜的總體相似度。統計分析所有樣品的相似度紅外光譜，確定瀝青質量的合格率，見圖10。

圖10 紅外光譜試驗檢測

6 結束語

物聯網高速公路試驗檢測管理平臺在全國多個省市的高速公路項目中得到應用，基于物聯網、通信技術等信息化手段改進檢測儀器和檢測技術，在大數據支撐條件下，建立數據采集、傳輸、處理的試驗檢測數據管理信息化系統云平臺；同時將參與試驗的人員、設備及試驗樣品進行信息化管理，使試驗檢測的真實、準確、可靠得到了保證，為高速公路試驗檢測管理提供了保障。