塑料排水板施工質(zhì)量監(jiān)管信息系統(tǒng)研發(fā)

陳海波，沙海明，王加偉

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.南京水科院瑞迪科技集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210024）

0 引言

國內(nèi)引進(jìn)塑料排水板加固軟基技術(shù)，至今已有四十多年的歷史，在不同工程中被廣泛應(yīng)用，取得了良好效果。排水板打設(shè)深度準(zhǔn)確到位是保證軟基加固效果的關(guān)鍵因素，確認(rèn)排水板的打設(shè)深度是施工質(zhì)量監(jiān)管的難點(diǎn)，對于打設(shè)深度監(jiān)測、檢測技術(shù)的研究，業(yè)內(nèi)技術(shù)人員進(jìn)行了長期的探索。

徐新民等[1]1999 年研發(fā)的排水板施工質(zhì)量自動記錄及監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集套管位移量數(shù)據(jù)來計算打設(shè)深度，實現(xiàn)實時監(jiān)控；楊鋒[2]2012 年研發(fā)的排水板施工智能控制系統(tǒng)，通過安裝在卷揚(yáng)機(jī)端頭的滾動計數(shù)器采集套管下插深度來計算打設(shè)深度；而程英武等[3]2021 年設(shè)計的基于PLC 和編碼器的自動監(jiān)測系統(tǒng)，是通過測深編碼器采集卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩進(jìn)出長度，進(jìn)而由PLC 計算套管下插深度得出打設(shè)深度。這3 種監(jiān)控系統(tǒng)的原理，均是通過套管下插深度間接得出打設(shè)深度。婁炎等[4]2004 年介紹了“數(shù)字式”和“銅絲式”2 種可測深排水板，“數(shù)字式”是在排水板濾膜上印制數(shù)字和刻度，打設(shè)后根據(jù)刻度來計算打設(shè)深度；“銅絲式”是在濾膜接縫處放置2 根銅絲，通過測量銅絲的電阻來計算排水板的打設(shè)深度。

地基處理工程質(zhì)量監(jiān)管是行業(yè)監(jiān)管的重點(diǎn)內(nèi)容之一，其中排水板施工監(jiān)管是待補(bǔ)充的短板。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，運(yùn)用信息化技術(shù)手段，對排水板從生產(chǎn)到施工全過程進(jìn)行信息化質(zhì)量監(jiān)管，實現(xiàn)排水板產(chǎn)品生產(chǎn)和施工過程可追溯，是行業(yè)發(fā)展的趨勢，值得深入研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計總體思路

以體現(xiàn)系統(tǒng)的技術(shù)特性、滿足用戶使用需求為原則，梳理排水板施工業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建業(yè)務(wù)模型；再以業(yè)務(wù)模型為基礎(chǔ)，將業(yè)務(wù)需求拆解為關(guān)鍵技術(shù)和重要管理2 大類并加以分析；最后根據(jù)業(yè)務(wù)模型和業(yè)務(wù)需求分析結(jié)果，以數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層為基礎(chǔ)，建立面向用戶的排水板施工質(zhì)量監(jiān)管信息系統(tǒng)。

1.2 排水板施工質(zhì)量監(jiān)管信息系統(tǒng)

1.2.1 業(yè)務(wù)流程梳理

為了對排水板施工業(yè)務(wù)有清晰的認(rèn)識，需要對排水板施工業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，明確用戶類別、業(yè)務(wù)場景、流程和相關(guān)規(guī)則，厘清不同用戶在不同場景下的操作要求。業(yè)務(wù)流程以QR 二維條碼為傳輸媒介，采用“一物一碼”技術(shù)建立可追溯體系。系統(tǒng)用戶主要包括排水板生產(chǎn)工廠、項目部、施工班組和監(jiān)管方。項目部將項目信息和施工參數(shù)發(fā)布給系統(tǒng)平臺，并將排水板技術(shù)指標(biāo)發(fā)送給工廠安排生產(chǎn)；工廠根據(jù)排水板技術(shù)指標(biāo)向系統(tǒng)申請二維條碼包，獲得帶有產(chǎn)品信息的二維條碼，生產(chǎn)出帶有二維條碼的信息化排水板；班組打設(shè)過程中實時采集信息化排水板產(chǎn)品和施工數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；監(jiān)管方對項目部管理過程和班組打設(shè)過程實時監(jiān)控。項目部與監(jiān)管方可通過系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用。

根據(jù)業(yè)務(wù)流程梳理構(gòu)建的排水板施工業(yè)務(wù)模型見圖1。

圖1 排水板施工業(yè)務(wù)模型圖Fig.1 Drainboard construction business model

1.2.2 業(yè)務(wù)需求分析

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)聚焦業(yè)務(wù)需求，業(yè)務(wù)需求分析是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的前置條件。以排水板施工業(yè)務(wù)模型為基礎(chǔ)，參考朱可嘉等[5]可計量需求分析方法，將排水板施工業(yè)務(wù)需求分為關(guān)鍵技術(shù)需求和重要管理需求2 個方面。其中，技術(shù)需求分析是產(chǎn)品可計量性分析的核心，管理需求分析則體現(xiàn)了實際施工過程的可操作性和便利性。可計量性需求分析架構(gòu)見表1。功能需求分析架構(gòu)表是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的核心參考和依據(jù)。

表1 需求分析架構(gòu)表Table 1 Requirements analysis architecture

1.2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)是以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系為支撐，以數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層為核心，面向用戶層的監(jiān)管應(yīng)用體系，向系統(tǒng)用戶提供信息服務(wù)。

參考JGJ/T 434—2018《建筑工程施工現(xiàn)場監(jiān)管信息系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]，設(shè)計的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.2 Overall system architecture

1.2.4 編碼規(guī)則

編碼規(guī)則是規(guī)范排水板二維條碼信息內(nèi)容所要遵循的規(guī)則，便于二維條碼的識別和應(yīng)用。二維條碼具有唯一性，一個二維條碼對應(yīng)唯一一個生產(chǎn)廠家制造的唯一一盤排水板，且刻度信息唯一。二維條碼一旦賦予給某一盤排水板中的某一刻度，不得再次賦給其他盤排水板使用。二維條碼由19 位阿拉伯?dāng)?shù)字組成[7]，其中，第1～6 位為生產(chǎn)日期代碼，第7～8 位為生產(chǎn)廠家代碼，第9～10 位為生產(chǎn)流水線代碼，第11～12 位為規(guī)格型號代碼，第13～15 位為盤號代碼，第16～19 位為長度刻度代碼。二維條碼標(biāo)示的生產(chǎn)廠家名稱、排水板規(guī)格型號應(yīng)與行政許可核發(fā)信息一致。

1.2.5 信息化排水板生產(chǎn)

信息化排水板生產(chǎn)包括產(chǎn)品信息輸入模塊、信息編碼模塊、二維條碼生成模塊和印制模塊。在產(chǎn)品信息輸入模塊輸入排水板生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)流水線、規(guī)格型號、盤號、長度刻度等產(chǎn)品信息；信息編碼模塊將輸入的產(chǎn)品信息編譯保存至代碼中；二維條碼生成模塊將代碼轉(zhuǎn)換為二維條碼；最后通過印制模塊將二維條碼印制在排水板濾膜表面，完成信息化排水板的生產(chǎn)。

1.3 系統(tǒng)應(yīng)用項目信息設(shè)置

排水板施工前，項目部在系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建新項目，設(shè)置項目信息，主要包括項目管理信息和施工參數(shù)信息。項目管理信息主要包括工程名稱、處理區(qū)域劃分、樁機(jī)與班組安排等信息，施工參數(shù)信息主要包括排水板施工的設(shè)計和規(guī)范要求（包括區(qū)域面積、排水板、型號、排水板間距等的設(shè)置，樁機(jī)與班組的劃分）。設(shè)置的項目信息為班組施工起提示作用，并作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的依據(jù)。

1.4 班組施工數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集界面見圖3。

圖3 條碼手持終端數(shù)據(jù)采集界面實物圖Fig.3 Example diagram of data collection interface for Barcode handheld terminal

項目部設(shè)置項目信息后，班組采集施工數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)采用消費(fèi)類手持終端智能手機(jī)作為條碼掃描識別器，其功能先進(jìn)，自帶操作系統(tǒng)、人機(jī)界面和電源，具有數(shù)據(jù)存儲及計算能力，能與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，可二次開發(fā)，便于攜帶，易操作。

用于采集數(shù)據(jù)的二維條碼在打設(shè)后的排水板上的位置如圖4 所示。

圖4 采集數(shù)據(jù)二維條碼位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of QR code position for data collection

采集施工數(shù)據(jù)具體步驟如下：

1）樁機(jī)就位，排水板穿過套管，用終端智能手機(jī)掃描排水板下端板頭起始碼，并即時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理模塊；

2）安裝管靴，插設(shè)套管至控制高程，再提升套管出地面并割斷排水板，完成第1 根排水板打設(shè)，掃描排水板外露的板頭端碼，并即時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理模塊；

3）樁機(jī)移至下一板位，安裝管靴，插設(shè)套管至控制高程，再提升套管出地面并割斷排水板，完成第2 根排水板打設(shè)，掃描第2 根外露的排水板板頭端碼，并即時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理模塊；

4）依此類推，直至當(dāng)前班組完成最后的第n根排水板打設(shè)，掃描第n 根外露的排水板板頭端碼，并即時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理模塊，結(jié)束當(dāng)前班組施工。

1.5 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)處理單元將收到的排水板項目信息數(shù)據(jù)、班組施工信息數(shù)據(jù)、排水板二維條碼所含信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲于數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)排水板施工記錄表，用以存儲數(shù)據(jù)處理單元從條碼采集模塊收集并處理的信息數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)處理

由于排水板打設(shè)速度較快，排水板施工記錄目前很難被人工即時記錄，多為補(bǔ)錄，不能真實反映施工過程。為了真實記錄打設(shè)深度，專門對深度算法進(jìn)行優(yōu)化：施工記錄表記錄信息還包括計算深度及判別結(jié)果，計算深度由數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)預(yù)設(shè)深度算法計算得到；判別結(jié)果由數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)預(yù)設(shè)判別算法計算得到。

打設(shè)施工時，系統(tǒng)按序號順序逐條讀取記錄信息，深度計算式為：深度=當(dāng)前記錄信息板頭端碼所含長度刻度-上一條記錄信息板頭端碼所含長度刻度-損耗式中：損耗為外露長度與管靴留置長度之和，外露長度、管靴留置長度來源于區(qū)域劃分和施工參數(shù)信息數(shù)據(jù)。

處理過程中有2 個特殊情況：1）每次班組施工前，需要將上一條記錄信息的板頭端碼重新標(biāo)識為起始碼；2）當(dāng)前盤號的排水板用完后接長，需要在深度計算式中加一盤排水板的長度200 m。

按預(yù)設(shè)深度算法計算得到的深度值，若小于施工參數(shù)信息設(shè)置表中設(shè)計深度允許誤差的下限值，則判別結(jié)果為“短板”；若判斷記錄信息中的盤號與上一條記錄信息中的盤號不同，則判別結(jié)果為“接頭板”。

1.6 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用單元以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)向用戶提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，包括報警、查詢、輸出、追溯等。1）報警模塊在數(shù)據(jù)處理單元對打設(shè)判別結(jié)果為異常時發(fā)出提示信息；2）查詢模塊接到查詢指令后，在數(shù)據(jù)庫中查找符合條件的數(shù)據(jù)并予以顯示；3）輸出模塊接到輸出指令后，在數(shù)據(jù)庫中查找符合條件的數(shù)據(jù)并提供打印接口或下載接口；4）追溯模塊接到質(zhì)量檢測指令后，在數(shù)據(jù)庫中查找與二維條碼對應(yīng)的排水板產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)、以及與該排水板對應(yīng)的排水板施工記錄表并予以顯示。

2 工程應(yīng)用

系統(tǒng)在上海某工程中試用，在嚴(yán)格保證信息化排水板生產(chǎn)質(zhì)量和打設(shè)深度的前提下，對打設(shè)深度監(jiān)管效果進(jìn)行測試。施工班組通過終端智能手機(jī)掃描已經(jīng)打設(shè)的排水板板頭端碼，將二維條碼信息傳輸給系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺將排水板生產(chǎn)信息、項目信息和施工信息進(jìn)行計算并分析，計算結(jié)果存儲于排水板施工記錄表中，表中即時顯示計算分析結(jié)果，包括打設(shè)深度、狀態(tài)（正常、深度異常和時間異常）、累計有效根數(shù)。系統(tǒng)后臺完成施工記錄存儲后，即時將關(guān)鍵記錄發(fā)送給班組終端智能手機(jī)。完成單根排水板施工數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)后臺計算存儲、班組接收關(guān)鍵記錄的總時間保持在4 s 以內(nèi)，能夠滿足對打設(shè)深度即時監(jiān)管的需求。應(yīng)用中的不足之處在于，每根排水板打設(shè)完成后，需要增加一個掃碼動作，增加了作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度。

由于信息化排水板濾膜上印制的二維碼具有可追溯性，使一個項目設(shè)計需要的排水板數(shù)量與現(xiàn)場實際打設(shè)的數(shù)量可以按進(jìn)度實時匹配，并且一個項目生產(chǎn)的排水板很難在其他項目上使用，從技術(shù)上提高了“減料”行為的成本，有利于對現(xiàn)場材料質(zhì)量和數(shù)量的管控。對于打設(shè)深度的測量，沒有采用“套管下插深度式”和“銅絲式”的做法，而是參考“數(shù)字式”的思路，通過長度刻度相減的方法獲得，保證測量的是已經(jīng)打設(shè)完成的排水板，并且系統(tǒng)會實時計算打設(shè)深度，同時判斷是否存在“短板”事件（含回帶長度超過設(shè)計要求）。通過“可追溯排水板+單板實時測深+總量實時匹配”監(jiān)管模式，可有效避免“偷工減料”現(xiàn)象。信息化排水板實現(xiàn)了事前、事中、事后全過程監(jiān)管，能夠有效保證排水板的施工質(zhì)量。

單板實時測深是排水板施工事中實時監(jiān)管的做法，滿足了現(xiàn)行JTS 206-1—2009《水運(yùn)工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[8]5.3.4 條要求的“逐根自檢”規(guī)定，并能自動生成施工記錄，無需專人記錄。為了提高打設(shè)效率，也可以只用系統(tǒng)的事前、事后監(jiān)管功能，即按要求生產(chǎn)信息化排水板，現(xiàn)場施工不進(jìn)行單板實時測深，在區(qū)域施工完成后作為一種事后監(jiān)管的手段，測深時當(dāng)普通“數(shù)字式”排水板[9-10]來用。

系統(tǒng)除了能夠在線監(jiān)測打設(shè)深度外，還具有應(yīng)用擴(kuò)展功能，配置合適的定位、垂直度傳感器和監(jiān)控視頻，能夠?qū)崿F(xiàn)排水板施工質(zhì)量和施工現(xiàn)場的全方位監(jiān)管。

3 結(jié)語

以二維碼為媒介，在排水板生產(chǎn)和施工過程中，每完成一道重要工序，都記錄其生產(chǎn)信息、施工數(shù)據(jù)并及時判別，形成完整的生產(chǎn)施工原始記錄，可預(yù)防、發(fā)現(xiàn)并及時改正錯誤，事后也可以對產(chǎn)品進(jìn)行追溯，對不合格的排水板精準(zhǔn)定位，利于后續(xù)采取補(bǔ)救措施。二維條碼具有容量大、糾錯能力強(qiáng)、識別率高、保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，基于二維條碼的信息化排水板技術(shù)的應(yīng)用，能夠滿足排水板施工質(zhì)量監(jiān)管需求。