基于物聯(lián)網技術在高速公路質量信息化管控中的應用探析

1 前言

近年來，我國持續(xù)加大高速公路建設力度，截至2019年末，全國公路總里程達501.25萬km，其中高速公路總里程達14.96萬km，較2018年增加0.7萬km。在高速公路建設總里程不斷增長的同時，高速公路設計標準、質量控制要求也在不斷提高[1]。高速公路建設面臨點多面廣線長、工程參建主體多、施工工序多、現(xiàn)場交叉作業(yè)多、投入施工機械設備多、現(xiàn)場施工環(huán)境較為復雜等問題，因高速公路施工管理難度較大、安全生產和質量監(jiān)管任務繁重，所以有必要借助信息化技術手段完善高速公路施工監(jiān)管措施，將物聯(lián)網技術融入高速公路施工質量、技術管理工作中，推動高速公路建設質量提升。

2 高速公路質量管理難點問題分析

在高速公路工程建設中，質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，需要耗費大量人力、物力，且施工巡視檢查不具備連續(xù)性，施工標段相對獨立，各標段信息不共享問題突出，“信息孤島”問題普遍存在，難以實現(xiàn)整個工程質量的總體監(jiān)管。同時，在工程建設中，各類信息均依賴于人工抄報、記錄、統(tǒng)計，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量控制風險。

2.2 信息系統(tǒng)交互性差

當前，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錄入，大大增加了工程現(xiàn)場工作量，導致工程人工成本上升[2]。同時，現(xiàn)有的信息系統(tǒng)數據交互性差，未能從施工機械設備、傳感器直接獲取信息，數據交互性差，導致高速公路信息數據價值低，無法起到實時監(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，數據主要依賴于事后統(tǒng)計、錄入，未能起到高速公路質量預警、預測和主動事件處置作用。工程質量監(jiān)管處于被動地位，往往在工程質量既成事實后再予以控制，未能達到預期工程質量控制目的。

針對上述問題，本研究利用多種先進傳感器、物聯(lián)網技術和信息化技術手段，設計了基于物聯(lián)網的高速公路質量信息化管理系統(tǒng)，旨在構建實時互動、預警預測的信息管理系統(tǒng)，增強高速公路工程質量問題事前預制、事中控制功能，實現(xiàn)高速公路由事后被動監(jiān)管向主動監(jiān)管發(fā)展。

3 高速公路質量信息化系統(tǒng)總體框架

結合高速公路工程場地分散的特點，本文研究基于集成化監(jiān)管要求設計了四層系統(tǒng)架構，包括物聯(lián)網設備層、智慧工地信息化系統(tǒng)、數據中心接口服務層、信息系統(tǒng)展示層。各層級設備及功能如下：

3.1 物聯(lián)網感知設備

本系統(tǒng)中主要使用的物聯(lián)網設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)星定位設備、視頻監(jiān)控設備和溫度濕度傳感器等?；谖锫?lián)網設備收集高速公路各類數據信息，實現(xiàn)對瀝青混合料拌和質量、預應力張拉數據、施工材料構件信息的動態(tài)監(jiān)測與管理。

3.2 智慧工地信息化系統(tǒng)

基于物聯(lián)網設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，通過實時采集、展示物聯(lián)網設備數據，分析現(xiàn)場施工質量控制和安全生產環(huán)境，并根據物聯(lián)網基礎數據實時變化情況為現(xiàn)場施工進行安全風險、質量異常展示、預警、預測，滿足現(xiàn)場施工質量控制要求。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)網設備數據集中收集、傳輸服務、分類展示界面，包括預應力壓漿監(jiān)測、拌和監(jiān)測、試驗監(jiān)測、邊坡橋梁隧道量測等；智慧保障系統(tǒng)主要面向現(xiàn)場施工技術管理，包括施工技術交底、安全培訓、質量交底等內容，由施工單位落實相關措施后錄入并展示，用于現(xiàn)場檢查、提醒和警示。

3.3 數據中心

數據中心作為信息系統(tǒng)數據集中存儲層，通過現(xiàn)場質量安全接口匯集、分類存儲視頻、圖紙檔案和項目管理數據，以便信息系統(tǒng)調用和展示。

3.4 項目管理辦公室

項目管理辦公室是信息管理系統(tǒng)的展示層，包括項目信息管理、項目前期管理、圖紙檔案管理、計量管理、合同管理等內容?；谖锫?lián)網設備采集數據和相關算法，展示高速公路工程施工參數和預警信息，以便工程項目質量管理單位整體把握、監(jiān)管高速公路施工質量信息，實現(xiàn)高速公路工程質量動態(tài)、實時、可追溯監(jiān)控[3]。

圖1 系統(tǒng)架構

4 基于物聯(lián)網技術在高速公路質量信息管理系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網設備可拓展性特點，物聯(lián)網設備廣泛應用于高速公路施工各個工序，包括瀝青混合料拌和、試塊標養(yǎng)、預應力壓漿張拉、橋梁隧道五位一體施工等工序，本文結合水泥混凝土拌和站監(jiān)測系統(tǒng)，詳細闡述公路工程質量信息管理系統(tǒng)具體應用。

4.1 混凝土拌和質量監(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，其拌和質量直接影響工程建設質量，因此要求施工單位、監(jiān)理、技術質量單位加強混凝土質量監(jiān)測與控制，重點加強實際投料量與生產配合對比，按工程設計要求投放混凝土材料，保證混凝土拌和投料、拌和時間、拌和產量符合現(xiàn)場生產、調度管理要求。本系統(tǒng)基于人工錄入混凝土配合比信息、澆筑部位、混凝土強度要求等內容以及物聯(lián)網傳感器收集混凝土拌和投料量、拌和時間、產量等數據信息，實現(xiàn)混凝土拌和生產過程記錄自動化測量、采集、記錄和上傳。通過混凝土拌和質量采集和傳輸，有效杜絕了人為篡改混凝土拌和信息引發(fā)的質量風險。

4.2 功能設計

物聯(lián)網傳感器采集數據后，經互聯(lián)網傳輸至施工現(xiàn)場智慧工地信息管理系統(tǒng)，并由系統(tǒng)自動對比投料量數據和生產配合比數據，如出現(xiàn)拌和數據異常，則通過系統(tǒng)中預設的短信接口向監(jiān)理、技術質量人員發(fā)送短信提醒。生產過程數據可通過智慧工地信息管理系統(tǒng)和項目管理辦公室實時查看、觀測，實時展示拌和站各臺班拌和數據和歷史數據，為高速公路工程混凝土生產質量提供可靠依據。各分項功能設計、實現(xiàn)如下：

4.2.1 實時數據監(jiān)控采集

為滿足系統(tǒng)功能設計要求，將拌和站混凝土計量設備與拌和站控制工程站相連，采集每次投放量稱重數據，實時監(jiān)測拌和站全天候每盤料的材料用量、每盤拌和時間、配合比的運用等，并按每盤生產任務單號計算拌和站產量、投放料配合比情況，實時監(jiān)測混凝土拌和質量的穩(wěn)定性。

4.2.2 數據存儲與傳輸

針對拌和站位置分散且距城區(qū)較遠的問題，本系統(tǒng)采集后的拌和站審查數據經手機網絡傳輸至施工現(xiàn)場。生產數據本地存儲一份，同時上傳一份，當上傳不成功時定期重傳，從而提高生產數據安全性。

4.2.3 數據分析

拌和站和智慧工地施工現(xiàn)場數據監(jiān)測時，拌和站可查看當天生產的每盤混凝土實際配合比和材料實際配合比的對比情況，分析每盤混凝土配合比投料差異，實現(xiàn)對拌和站和施工現(xiàn)場每盤材料配合比的監(jiān)控。拌和站數據經數據傳輸后，匯總至數據中心并在項目辦公室系統(tǒng)頁面展示，自動匯總各類原材料生產用量，并生成生產材料用量趨勢圖和誤差走勢圖，以便項目組分析混凝土拌和質量偏差原因并落實質量控制措施。

4.2.4 超差預警通知及處理

當拌和站配合比投放量偏差超過允許的誤差時，系統(tǒng)自動計算超出比例并紅字顯示混凝土超差百分比。根據工程項分級管理原則，當混凝土拌和質量存在缺陷時，按三級管理模式進行超差預警并通知相應的負責人，相應質量責任人員制定質量問題處理方案，并形成相應的閉合證明材料，經“智能監(jiān)管”手機APP上傳至數據中心留存。

5 結語

新時期背景下，信息技術廣泛應用于各領域，促進了傳統(tǒng)領域管理模式及管理手段創(chuàng)新。在高速公路工程建設中，針對工程設備投入多、分段施工復雜、施工主體多、質量控制難度大的問題，可借助物聯(lián)網技術實現(xiàn)現(xiàn)場施工數據的分散采集、集中傳輸與展示，并結合施工現(xiàn)場、項目辦公室不同項目管理要求，分別展示現(xiàn)場采集實時數據和分類統(tǒng)計數據，為高速公路工程質量控制提供有效依據。