公路工程質(zhì)量全過程監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

蔡東波

摘要：為強化公路工程質(zhì)量檢測取樣與檢測過程的監(jiān)管，保證樣品與檢測數(shù)據(jù)的真實性，準(zhǔn)確、客觀地反映公路工程質(zhì)量現(xiàn)狀，對公路工程質(zhì)量檢測取樣以及試驗過程中參與人員、時間與地點等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，結(jié)合智能標(biāo)簽、傳感器及移動通訊等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計檢測監(jiān)管平臺模型，實現(xiàn)對檢測取樣、試驗過程與試驗報告正逆向溯源，為公路工程質(zhì)量檢測提供了基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)管思路。

關(guān)鍵詞：檢測取樣；物聯(lián)網(wǎng)；智能標(biāo)識；工程質(zhì)量

中圖分類號：U415.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to strengthen the supervision of sampling and quality inspection of highway projects and guarantee the authenticity of samples and detection data， so as to reflect the quality of highway projects reliably， analysis on key factors of the sampling and quality inspection including the testers， conducting time and place was carried out. By means of technologies of Internet of Things， such as smart tags， sensors and mobile communications， the forward and reverse tracing of the sampling， test process and reports was implemented， which provides new thought on supervision of highway project quality based on Internet of Things.

Key words： sampling； Internet of Things； smart tag； project quality

0引言

近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑市場蓬勃發(fā)展，工程質(zhì)量的檢測和監(jiān)控受到越來越多的重視。見證取樣與材料試驗檢測是工程施工質(zhì)量控制的重要手段，在工程質(zhì)量監(jiān)督中發(fā)揮著重要的作用。

一旦所取樣品的代表性和真實性無法保證，材料試驗檢測會現(xiàn)嚴(yán)重問題，導(dǎo)致檢驗數(shù)據(jù)無法真實反映工程質(zhì)量[1]。近年來，在工程質(zhì)量投訴處理中發(fā)現(xiàn)，實際工程所用材料與報告存在較大差異，往往使得報告成為遮掩實際工程材料的擋箭牌，這種現(xiàn)狀值得反思，并應(yīng)與時俱進(jìn)轉(zhuǎn)變工程質(zhì)量的監(jiān)管思路?！督煌ㄟ\輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)工地實驗室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)要點的通知》（廳監(jiān)[2012]200號）和 《公路試驗檢測數(shù)據(jù)報告編制導(dǎo)則》（JT/T828—2012）及釋義手冊的發(fā)布，為試驗檢測推行信息化管理提供了基礎(chǔ)，各公路建設(shè)項目參建單位可以通過逐步構(gòu)建統(tǒng)一的實驗室信息化平臺，提高試驗檢測工作效率，減少人為誤差，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，以利于試驗檢測的科學(xué)規(guī)范管理[2]。

在工程質(zhì)量檢測中，信息化技術(shù)得到了深入應(yīng)用，工作效率有了很大的提高。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)[3]。結(jié)合公路工程質(zhì)量檢測行業(yè)現(xiàn)狀，利用構(gòu)成物聯(lián)的傳感器、智能標(biāo)簽、嵌入式系統(tǒng)3項關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)公路工程從制取試件惟一性標(biāo)識、送檢、檢測試驗過程自動化控制，到數(shù)據(jù)采集、檢測試驗報告智能標(biāo)簽防偽、試驗數(shù)據(jù)正逆向溯源的全過程監(jiān)管[4]，為公路工程質(zhì)量監(jiān)管決策提供科學(xué)依據(jù)。

1公路工程質(zhì)量檢測監(jiān)管技術(shù)架構(gòu)體系設(shè)計

1.1技術(shù)架構(gòu)體系

根據(jù)《公路試驗檢測數(shù)據(jù)報告編制導(dǎo)則》（JT/T828—2012），基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路工程質(zhì)量檢測監(jiān)管的技術(shù)架構(gòu)應(yīng)主要由4部分構(gòu)成：智能標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫智能終端；第三、四代移動通信技術(shù)；試驗檢測數(shù)據(jù)采集傳感器[5]；試驗設(shè)備自動控制嵌入式系統(tǒng)與試樣破型拍攝設(shè)備[6]。

對公路等級實驗室和工地實驗室在公路工程試驗檢測活動中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及相關(guān)信息進(jìn)行采集、存儲、傳輸、判斷、分析、溯源全過程監(jiān)管。具體監(jiān)管平臺構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可知，結(jié)合計算機軟硬件、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)，公路工程質(zhì)量檢測監(jiān)管系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)共分為3部分：施工現(xiàn)場、實驗室、監(jiān)管部門。各部分有獨立的工作性能，具體說明如下。

（1）實驗室主要工作是識別取樣樣品，檢測數(shù)據(jù)采集的來源，由萬能試驗機、壓力試驗機、瀝青針入度儀、瀝青軟化點儀、瀝青馬歇爾穩(wěn)定度儀[7]等設(shè)備構(gòu)成。通過對試驗數(shù)據(jù)的收集和分析，生成公路工程質(zhì)量檢測報告，由實驗室數(shù)據(jù)服務(wù)器傳遞給路由器設(shè)備，再通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞給施工現(xiàn)場和監(jiān)管部門。

（2）施工現(xiàn)場將試驗智能標(biāo)簽通過智能終端傳遞給無線基站，是整個技術(shù)架構(gòu)的源頭，負(fù)責(zé)傳遞和處理實時的工程質(zhì)量取樣信息。

（3）最終將采集的信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳遞到監(jiān)管部門，在試驗檢測監(jiān)管平臺進(jìn)行匯總、分析，為公路工程質(zhì)量監(jiān)督人員與建設(shè)項目質(zhì)量檢查人員提供決策依據(jù)。

1.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層次

為了保證試驗數(shù)據(jù)能夠及時有效地傳遞，公路工程質(zhì)量試驗檢測數(shù)據(jù)采集所使用的傳感器，是通過基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范[8]與試驗檢測數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)采集終端與實驗室本地數(shù)據(jù)服務(wù)器、試驗檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)平臺之間采用ADSL、CDMA和LTE進(jìn)行通信。底層均為實際數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用層為邏輯數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸層次如圖2所示。

2試驗檢測物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

試驗檢測物聯(lián)網(wǎng)模型共分為4個層次，從底層逐級向上分為設(shè)備傳感器、檢測取樣與試驗檢測、公路試驗檢測數(shù)據(jù)集群和公路試驗檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)平臺，如圖3所示。公路試驗檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)平臺通過網(wǎng)絡(luò)與公路試驗檢測數(shù)據(jù)集群交換數(shù)據(jù)，試驗檢測數(shù)據(jù)采集軟件通過基于TCP/IP協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)，對試驗檢測數(shù)據(jù)采集終端發(fā)起和應(yīng)答指令；試驗檢測數(shù)據(jù)采集終端上的嵌入式系統(tǒng)通過基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備傳感器進(jìn)行通訊[9]。

2.1檢測取樣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

依據(jù)公路工程檢測現(xiàn)場取樣的管理要求，施工現(xiàn)場取樣監(jiān)管的關(guān)鍵因素有：見證取樣人員身份的真實性；人員與取樣地理位置的真實性；取樣時間戳；樣品的真實性。

為保證取樣關(guān)鍵因素的真實性，檢測取樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計思路為：對智能終端與取樣員、見證員進(jìn)行生物特征識別的實名制管理；通過智能終端對取樣工地、樣品與取樣人員、見證人員進(jìn)行GPS定位；對樣品進(jìn)行智能標(biāo)簽惟一性標(biāo)識。

2.1.1監(jiān)管部門設(shè)計

監(jiān)管部門在監(jiān)管平臺建立取樣員、見證員、試驗員、建設(shè)項目質(zhì)量檢查人員、監(jiān)督員等從業(yè)人員的信息庫。信息庫包含上述各人員的指紋特征與對應(yīng)的智能終端編號，完成對智能終端的實名制管理，人員與終端的實名制管理處理過程如圖4所示。

2.1.2施工現(xiàn)場取樣設(shè)計

取樣員在檢測取樣時通過指紋掃描識別完成身份驗證；將智能標(biāo)簽植入或綁定至檢測樣品，寫入強度等級、鋼筋牌號、工程部位、樣品照片與人員照片等取樣信息至智能標(biāo)簽；自動定位取樣員的GPS位置信息，并通過無線基站與互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器；見證員在規(guī)定的時間內(nèi)使用智能終端掃描或讀取智能標(biāo)簽，完成見證取樣的過程；服務(wù)器自動記錄數(shù)據(jù)上傳的時間。施工現(xiàn)場見證取樣過程如圖5、6所示。

2.2檢測設(shè)計

2.2.1樣品送檢

檢測樣品送至檢測機構(gòu)進(jìn)行委托或留樣登記時，業(yè)務(wù)受理人員掃描樣品的智能標(biāo)簽，從監(jiān)管平臺獲取樣品信息，并寫入試驗檢測管理軟件，樣品信息在軟件內(nèi)嚴(yán)禁修改。管理軟件按《公路試驗檢測數(shù)據(jù)報告編制導(dǎo)則》（JT/T828—2012）要求，編號后流轉(zhuǎn)至樣品試驗檢測流程。

2.2.2試驗檢測

（1）試驗檢測流程設(shè)計。

試驗員通過掃描智能標(biāo)簽獲取樣品的規(guī)格信息與內(nèi)部流轉(zhuǎn)編號，完成當(dāng)前試驗樣品與試驗結(jié)果的關(guān)系對應(yīng)。對力學(xué)、瀝青針入度與軟化點、瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的試驗設(shè)備，加裝檢測數(shù)據(jù)采集傳感器與破型拍照設(shè)備，結(jié)合嵌入式自動控制系統(tǒng)，完成混凝土試塊的破壞荷載、鋼筋的極限拉伸荷載、屈服荷載、瀝青的針入度與軟化點、瀝青馬歇爾穩(wěn)定度、流值等試驗數(shù)據(jù)的自動采集。試件破型時，采集系統(tǒng)自動記錄破型時的照片，試驗完成后自動存儲試驗過程曲線與破型照片，并通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至檢測數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺，隨后監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)接收端完成數(shù)據(jù)的解析與分類存儲。試驗檢測流程如圖7所示。

（2）試驗數(shù)據(jù)采集設(shè)計。

公路試驗檢測數(shù)據(jù)集群服務(wù)器使用端口8421監(jiān)聽試驗數(shù)據(jù)采集嵌入式系統(tǒng)，傳輸采用TCP/IP通信協(xié)儀。當(dāng)試驗檢測數(shù)據(jù)與采集終端連接時，即可進(jìn)行獨立雙向通訊，通訊消息幀設(shè)計如圖8所示。

（3）試驗檢測數(shù)據(jù)管理與監(jiān)管平臺。

試驗檢測數(shù)據(jù)管理軟件將傳輸內(nèi)容經(jīng)DES加密后，采用XML格式對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，通過數(shù)據(jù)包的形式傳遞，使用HTTP協(xié)議與SOAP協(xié)議上傳至檢測數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺，保證檢測數(shù)據(jù)的真實與完整。數(shù)據(jù)包包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

2.3智能標(biāo)簽

2.3.1試驗檢測報告智能標(biāo)簽防偽設(shè)計

在試驗完成后，試驗檢測管理軟件自動生成試驗檢測報告，打印試驗報告時將當(dāng)前試驗報告的編號、檢測機構(gòu)名稱、建設(shè)項目名稱、施工單位、監(jiān)理單位、試驗檢測參數(shù)名稱、試驗結(jié)果、檢測結(jié)論等關(guān)鍵信息加密生成二維碼智能標(biāo)簽，成為試驗報告的惟一標(biāo)識，對試驗報告進(jìn)行有效防偽，同時具有溯源作用。加密數(shù)據(jù)設(shè)計方法如圖9所示。

試驗報告打印后，系統(tǒng)將試驗報告對應(yīng)的原始記錄、試驗曲線與試驗報告的電子版附件通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至檢測數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺。

試驗報告數(shù)據(jù)加密設(shè)計如下。

（1）機構(gòu)代碼（Organization Code）同監(jiān)督局下發(fā)的各檢測機構(gòu)檢測證書編號。

（2）試驗報告關(guān)鍵內(nèi)容（Key Elements）包括：試驗報告編號、檢測機構(gòu)名稱、建設(shè)項目名稱、施工單位、監(jiān)理單位、試驗檢測參數(shù)名稱、試驗結(jié)果、

2.3.2試驗檢測報告智能標(biāo)簽溯源

監(jiān)督員與項目部質(zhì)量檢查人員進(jìn)行日常質(zhì)量檢查時，通過智能終端對試驗報告上的智能標(biāo)識進(jìn)行掃描，即可完成對試驗報告的真?zhèn)悟炞C，以及取樣過程溯源（見證員、取樣員信息、取樣時間、取樣地點），試驗過程溯源（原始記錄信息、試驗曲線信息）如圖10所示。

3結(jié)語

（1）檢測取樣物聯(lián)網(wǎng)解決了檢測取樣過程中普遍存在的假試樣問題，保證了公路工程質(zhì)量檢測試樣的真實性。

（2）試驗檢測物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了對力學(xué)、瀝青針入度與軟化點、馬歇爾穩(wěn)定度等關(guān)鍵試驗設(shè)備的數(shù)據(jù)自動采集、自動控制與破型拍照，保證了試驗檢測過程的可追溯性、試驗檢測數(shù)據(jù)的真實性。

（3）物聯(lián)網(wǎng)加密智能標(biāo)簽設(shè)計有效地解決了行業(yè)內(nèi)偽造試驗檢測報告的難題，檢測機構(gòu)出具的試驗檢測報告具有可追溯性。

（4）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成的公路工程檢測數(shù)據(jù)實時監(jiān)管平臺，結(jié)合工程質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)動態(tài)分析模型，可完成對各建設(shè)項目的質(zhì)量動態(tài)分析，為工程質(zhì)量監(jiān)督檢查提供決策依據(jù)。

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