橋梁工業(yè)化數(shù)據(jù)與效率優(yōu)化分析

王攀學(xué) （安徽建工路港建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

橋梁工業(yè)化水平進(jìn)一步提升，成為提高建設(shè)效率、確保工程質(zhì)量和可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。隨著5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及先進(jìn)技術(shù)在建筑行業(yè)的嶄露頭角，本文將聚焦于基于5G的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與修正、三維激光掃描提高檢測(cè)效率、大數(shù)據(jù)分析提升質(zhì)量水平等關(guān)鍵領(lǐng)域，探討如何整合這些先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)橋梁工業(yè)化信息管理的前沿發(fā)展。

探討如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與分析，提高工程生產(chǎn)的響應(yīng)速度與靈活性。同時(shí)，通過三維激光掃描技術(shù)，探索如何以更高效的方式獲取和處理橋梁結(jié)構(gòu)的詳盡信息，從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性與效率。大數(shù)據(jù)分析將作為關(guān)鍵支持，通過對(duì)生產(chǎn)與質(zhì)量數(shù)據(jù)的深入挖掘，提升橋梁工程的整體質(zhì)量水平。

1 基于5G的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與修正

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，在各生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上安裝了各類狀態(tài)傳感器，并通過5G傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到施工信息系統(tǒng)，生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

混凝土拌和階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括拌和站名稱、澆筑部位、出料時(shí)間、方量、拌和時(shí)長、水膠比、各項(xiàng)混凝土原料用量的實(shí)際用量和理論用量。

混凝土澆筑階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)線序號(hào)、構(gòu)件編碼、布料位置、單次布料重量、布料次數(shù)、布料總重量、布料開始和結(jié)束時(shí)間、振搗層數(shù)、振搗器位置、振搗頻率、振搗開始和結(jié)束時(shí)間。

混凝土蒸汽養(yǎng)生階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括構(gòu)件編碼、蒸養(yǎng)設(shè)備名稱、蒸養(yǎng)時(shí)間、蒸養(yǎng)溫度和濕度（以5min 為步長記錄）、蒸養(yǎng)開始和結(jié)束時(shí)間。

預(yù)應(yīng)力張拉階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括構(gòu)件編碼、工程部位、張拉設(shè)備編號(hào)、張拉時(shí)間、鋼束編號(hào)、張拉力、位移、油壓、張拉行程、總伸長量、壓漿方向、壓漿順序、壓漿料配合比和水膠比、進(jìn)漿量、進(jìn)出漿壓力、壓漿開始和結(jié)束時(shí)間。

施工信息系統(tǒng)中存儲(chǔ)的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)量巨大且具有多種數(shù)據(jù)格式，為了提高數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理效率，采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器編寫生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集流程框架，自動(dòng)循環(huán)提取信息系統(tǒng)中存儲(chǔ)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集流程框架

由于自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備等多目標(biāo)信息源物聯(lián)接入時(shí)纏上的多源信息具有不穩(wěn)定性，當(dāng)傳感設(shè)備對(duì)覆蓋半徑內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行多次識(shí)別時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)重復(fù)項(xiàng)、冗余和缺省值，因此對(duì)于采集完成的數(shù)據(jù)，需針對(duì)數(shù)據(jù)重復(fù)和缺失進(jìn)行預(yù)處理。這些多源信息中的核心要素包括構(gòu)件代號(hào)、構(gòu)件編碼、感應(yīng)設(shè)備ID、感應(yīng)時(shí)間軸等，可利用這些核心要素對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和刪除。

例如，由于布料機(jī)的唯一性，在同一時(shí)間點(diǎn)只可能進(jìn)行一次布料作業(yè)，可以將“布料開始時(shí)間”這一數(shù)據(jù)標(biāo)簽作為重復(fù)數(shù)據(jù)篩選依據(jù)；而振搗是由多個(gè)振搗器共同作業(yè)，需“振搗器編號(hào)”和“振搗開始時(shí)間”共同作為重復(fù)數(shù)據(jù)篩選依據(jù)。根據(jù)以上規(guī)則對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的重復(fù)值進(jìn)行刪除，可以看到布料和振搗生產(chǎn)數(shù)據(jù)中均包含大量重復(fù)值，重復(fù)數(shù)據(jù)比例達(dá)到了30%以上，并且3 號(hào)生產(chǎn)線的布料數(shù)據(jù)重復(fù)值超出凈數(shù)據(jù)量9 倍多，可能是由于3 號(hào)線布料機(jī)的數(shù)據(jù)采集敏感性過高，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的重復(fù)采樣。建立系統(tǒng)內(nèi)置的重復(fù)數(shù)據(jù)篩選方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)。

2 三維激光掃描提高檢測(cè)效率

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型測(cè)繪技術(shù)，又稱作“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，通過該技術(shù)可以將實(shí)物的空間三維形態(tài)進(jìn)行完整并且高精度地重建掃描，無需對(duì)掃描物體表面進(jìn)行任何處理，實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，目前主要用于結(jié)構(gòu)物測(cè)量維護(hù)與仿真、位移監(jiān)控和外觀結(jié)構(gòu)三維建模等領(lǐng)域。

新型裝配式T 梁由于對(duì)梁體進(jìn)行輕量化優(yōu)化，板件厚度減薄，必須保證預(yù)制尺寸的精確性（誤差0～+5mm），提出了高精度、大批量、快速化的檢測(cè)需求。采用三維激光技術(shù)，以機(jī)器取代人工的方式，完美滿足該檢測(cè)需求，同時(shí)此類無接觸、自動(dòng)化的檢測(cè)手段也是未來工廠自動(dòng)化檢測(cè)的重要發(fā)展方向。

2.1 技術(shù)原理

FARO 激光掃描儀的工作原理是基于紅外線激光束在掃描場(chǎng)景中垂直旋轉(zhuǎn)形成的傾斜，隨后光圍繞對(duì)象散發(fā)并被反射回掃描儀。為了進(jìn)行距離測(cè)量，F(xiàn)ARO 激光掃描儀采用了相位偏移方法，它能持續(xù)地發(fā)射不同波長的紅外光，一旦光與物體發(fā)生碰撞，它就會(huì)反射回掃描儀。通過計(jì)算紅外線光波的相位偏移，能夠準(zhǔn)確地確定掃描儀和物體之間的距離。使用角度編碼器來測(cè)量FARO激光掃描儀的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，以計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在裝配式T 梁中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，與BIM 進(jìn)行深度融合。通過應(yīng)用三維激光掃描，能夠以更高的效率和準(zhǔn)確度獲取裝配式T 梁的三維立體數(shù)據(jù)，從而打破了傳統(tǒng)測(cè)量模式中只能進(jìn)行單點(diǎn)收集的瓶頸。此方案可以持續(xù)并自動(dòng)地收集空間數(shù)據(jù)，成功地踐行了面采集的測(cè)量方法。這種做法不僅提高了工程測(cè)量的精確性和效率，還顯著減輕了測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的工作壓力。

①準(zhǔn)確性和分辨能力卓越。3D 激光掃描技術(shù)通過單點(diǎn)測(cè)量的模式，其能通過高密度和高精確性采集大批的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并細(xì)致掃描測(cè)量點(diǎn)，以達(dá)到高解析度的目標(biāo)。目前桐城預(yù)制廠采用的三維激光掃描精度可達(dá)2mm。

②信息采集速度高。通過運(yùn)用激光掃描技術(shù)獲取目標(biāo)空間的數(shù)據(jù)，其速度能達(dá)到每秒數(shù)十萬點(diǎn)，極大地加快了獲取大型構(gòu)件或大體積目標(biāo)空間數(shù)據(jù)的過程。

這種技術(shù)在數(shù)字化方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，且具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性。收集的信息都是數(shù)字信號(hào)，顯示了全數(shù)字的特性，并且適合自動(dòng)化，可靠性高，方便后續(xù)處理、分析和輸出。另外，后期處理軟件的用戶界面使用方便，能實(shí)現(xiàn)與其他普遍應(yīng)用的軟件數(shù)據(jù)的交流和共享，也可以配合外部的數(shù)碼相機(jī)和GPS，顯示出良好的擴(kuò)展?jié)摿Α?/p>

在工程測(cè)量中，3D 激光掃描與BIM技術(shù)的融合運(yùn)用極大地提升了自動(dòng)化、信息化與智能化的層次，不僅提高了測(cè)量的品質(zhì)與效能，也降低了測(cè)量任務(wù)的壓力和費(fèi)用，這種組合使用在未來具備極大的應(yīng)用潛力。

2.3 實(shí)施過程

實(shí)施過程可以主要分為以下四個(gè)步驟。

①搭建觀測(cè)站和控制點(diǎn)，通過三維激光掃描器收集點(diǎn)云信息，每兩個(gè)相鄰掃描點(diǎn)之間需設(shè)置至少3個(gè)共享目標(biāo)。

②在進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)，利用以目標(biāo)為基礎(chǔ)的聯(lián)接方式，將多個(gè)掃描站的數(shù)據(jù)同步到一個(gè)坐標(biāo)系中。在此過程中，會(huì)選定一個(gè)主要的站點(diǎn)，然后通過各站之間互相匹配的點(diǎn)設(shè)置限制條件，對(duì)其他站點(diǎn)的坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和偏移。最后，通過這種聯(lián)接方式，能夠得到一個(gè)完全的項(xiàng)目點(diǎn)云。

③為了降低鏡頭變形、光線測(cè)定以及地理?xiàng)l件等因素帶來的影響，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理通常包含處理異常值、去除噪聲和點(diǎn)云取樣等步驟。

④重塑模型。通過使用三角網(wǎng)格對(duì)混亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行包裹，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建模型的目標(biāo)。數(shù)據(jù)經(jīng)過包裹處理后，由于存在散列的點(diǎn)或數(shù)據(jù)不全，可能會(huì)導(dǎo)致突出、凹陷或形成孔洞，后續(xù)可以利用內(nèi)部孔、建橋等技術(shù)進(jìn)行孔洞的填補(bǔ)，或者通過移除特征來消除。

在建立點(diǎn)云模型的過程中，可能會(huì)遇到數(shù)據(jù)采集和處理導(dǎo)致的某些誤差。為了最大限度減少這些誤差對(duì)質(zhì)量偏差評(píng)估準(zhǔn)確度的影響，需要制訂相應(yīng)的策略?？梢酝ㄟ^多次試掃描，在掃描圖像紅點(diǎn)數(shù)量非常稀少的情況下，認(rèn)為三維掃描儀系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置是正確的；也可以使用目標(biāo)標(biāo)記進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)組裝，能夠?qū)⒔M裝精度控制在2mm 之內(nèi)；建議使用軟件刪除法來處理離群值，可以通過設(shè)定較高的參數(shù)值，讓軟件根據(jù)一種特定的算法去識(shí)別并刪除離群值；可以使用高斯濾波器法來降低噪聲，這種方法的精度較高。

圖3 三維掃描實(shí)施過程

3 大數(shù)據(jù)分析提升質(zhì)量水平

3.1 生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)能

新型T 梁的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝采用蒸汽養(yǎng)護(hù)后，脫模時(shí)間可縮短至24h 以內(nèi)，最大生產(chǎn)效率可達(dá)到1 片梁/日，因此可推算出各生產(chǎn)線的每月最大產(chǎn)能約為30 片梁，每月總產(chǎn)能為150 片梁。變化趨勢(shì)與每月產(chǎn)量的變化相同，將各條生產(chǎn)線的產(chǎn)能利用率和總體產(chǎn)能利用率相比，如圖4 所示?？梢钥闯觯?020 年11月、12 月和2021 年1 月、4 月、6 月的產(chǎn)能利用率超過50%，其余8 個(gè)月的產(chǎn)能利用率都偏低；并且2 號(hào)線的產(chǎn)能利用率高最高，1 號(hào)線和3 號(hào)線幾乎完全一致，2021 年7 月以來，1 號(hào)和3 號(hào)生產(chǎn)線的產(chǎn)能均低于平均水平。為了平衡各生產(chǎn)線的模板使用率，有必要在規(guī)劃生產(chǎn)時(shí)考慮對(duì)各生產(chǎn)線的平衡利用，如無設(shè)備故障，可提高1號(hào)線和3號(hào)線的使用頻率。

圖4 各生產(chǎn)線每月產(chǎn)能利用率波動(dòng)情況

3.2 工序質(zhì)量及穩(wěn)定性管控

根據(jù)各狀態(tài)傳感器采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)各施工工序的工藝特征參數(shù)和施工質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行管控。

以混凝土拌和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)各原料用量和配合比、水膠比誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，骨料、水、水泥、煤灰、外加劑用量誤差的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和中位數(shù)如表1 所示?？梢钥闯觯鞑牧嫌昧康恼`差均值大多控制在±1%以內(nèi)，其中水、水泥和外加劑的用量誤差最小，骨料2和煤灰1的用量誤差較大，變異性也較大。

表1 各混凝土原料用量誤差統(tǒng)計(jì)參數(shù)表

4 結(jié)束語

本文深入探索了三維激光掃描以及大數(shù)據(jù)分析等智能化技術(shù)，以三維激光掃描實(shí)現(xiàn)無人化、高效率、高精度的構(gòu)件成品尺寸檢測(cè)，以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量影響因素排查與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，為管理者提供強(qiáng)有力的輔助。