林恩德

基于云平臺(tái)的碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)及應(yīng)用

林恩德

概 述

土石方填筑施工是水利水電工程中廣泛應(yīng)用的施工工藝，碾壓施工過程的質(zhì)量控制是決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)碾壓施工過程的精細(xì)化質(zhì)量控制，國內(nèi)外紛紛研究并應(yīng)用基于GNSS的高精度衛(wèi)星定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碾壓過程的軌跡、遍數(shù)監(jiān)控與分析，取得了較好的應(yīng)用效果與案例。但由于監(jiān)控系統(tǒng)硬件投資大，建設(shè)成本較高、部署與維護(hù)專業(yè)性強(qiáng)，并沒有在水利水電工程特別是中小型水利工程中全面推廣應(yīng)用。

英思工程科技股份有限公司在水利水電工程數(shù)字化平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，引進(jìn)全新的技術(shù)及理念，開發(fā)了新一代基于云平臺(tái)的碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)，并探索建立了“云監(jiān)控+設(shè)備租賃+服務(wù)應(yīng)用”模式。目前，該系統(tǒng)在多個(gè)大型水電工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，具有較好地推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。

系統(tǒng)簡介

圖1 英思碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

英思碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)的基本原理是通過在碾壓機(jī)上安裝有北斗定位監(jiān)測設(shè)備、工業(yè)平板、頻率采集裝置等，對(duì)碾壓施工機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取與碾壓質(zhì)量相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析，并上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓層厚、振動(dòng)狀態(tài)、激振力等質(zhì)量指標(biāo)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與量化評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)由監(jiān)控中心、車載終端、監(jiān)控工作站及碾壓質(zhì)量分析與展示平臺(tái)組成，整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)控服務(wù)是運(yùn)行在施工現(xiàn)場監(jiān)控中心的后臺(tái)服務(wù)，由采集服務(wù)、歸檔服務(wù)、分發(fā)服務(wù)等組成，并通過消息總線連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控、歸檔與信息實(shí)時(shí)分發(fā)，負(fù)責(zé)接收前端硬件發(fā)送過來的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和初步處理后存儲(chǔ)。監(jiān)控中心還可以從大壩施工過程管理平臺(tái)下載并管理工程屬性、設(shè)計(jì)參數(shù)（如倉面控制點(diǎn)范圍等），為監(jiān)控分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

車載終端是安裝在工業(yè)平板上的專用軟件，布置在碾壓設(shè)備司機(jī)操作室。軟件與采集器硬件的連接，支持3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，支持本地監(jiān)控與數(shù)字儀表，可實(shí)現(xiàn)司機(jī)登錄、碾壓任務(wù)下達(dá)、碾壓軌跡、振動(dòng)狀態(tài)、覆蓋區(qū)域的實(shí)時(shí)跟蹤顯示與實(shí)時(shí)上傳，并提供施工引導(dǎo)與碾壓速度、層厚超標(biāo)等信息異常預(yù)警，輔助司機(jī)駕駛操控。

監(jiān)控工作站是運(yùn)行在施工現(xiàn)場或后方營地監(jiān)控室內(nèi)的集中、實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，它通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控服務(wù)中心進(jìn)行通信，獲取監(jiān)控中心實(shí)時(shí)采集的信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)施工單元、一個(gè)或多個(gè)碾壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及質(zhì)量指標(biāo)，支持質(zhì)量指標(biāo)動(dòng)態(tài)分析與評(píng)判、分析成果報(bào)告的自動(dòng)生成與成果輸出，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)或提示，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)糾偏，進(jìn)而提高現(xiàn)場施工管理水平，保證施工質(zhì)量。

碾壓質(zhì)量分析平臺(tái)是與大壩施工過程管理平臺(tái)相結(jié)合的綜合質(zhì)量分析與成果發(fā)布平臺(tái)，包括后臺(tái)系統(tǒng)與前臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信，碾壓過程的綜合監(jiān)控成果的動(dòng)態(tài)分析，三維BIM重建、動(dòng)態(tài)可視化查詢、施工歷史回溯與質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

應(yīng)用案例及成果

績溪抽水蓄能電站是國網(wǎng)新源公司下屬的大型電站，其上下庫土石壩碾壓施工過程均采用該系統(tǒng)進(jìn)行施工過程質(zhì)量監(jiān)控。經(jīng)過半年多的穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的應(yīng)用效果，得到參建各方的一致好評(píng)，系統(tǒng)建設(shè)的主要成果包括：

1.全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)每一個(gè)碾壓單元實(shí)施全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控（見圖2），實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工過程的軌跡、遍數(shù)、激振力、層厚等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)實(shí)時(shí)分析與成果輸出，規(guī)范了施工過程，保證了施工質(zhì)量。監(jiān)理、業(yè)主可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)了解一線施工狀況及成果。

2.為司機(jī)提供精確的導(dǎo)航。通過司機(jī)端導(dǎo)航平板，對(duì)車輛速度、行走路線、待碾欠碾?yún)^(qū)域進(jìn)行直觀標(biāo)注與提醒，為司機(jī)的操作控制提供動(dòng)態(tài)指引，在提高施工效率，特別是夜間施工效率的同時(shí)，保證了工程質(zhì)量，相關(guān)功能深受司機(jī)的好評(píng)。司機(jī)端施工導(dǎo)航與操作指引界面（見圖3）。

3.為工程安全分析與評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。建立了大壩各材料分區(qū)BIM模型，結(jié)合碾壓過程的高精度定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間軌跡跟蹤、動(dòng)態(tài)三維BIM重建，碾壓工程量計(jì)算，最終累計(jì)形成BIM施工成果，為建設(shè)后期及運(yùn)營期提供詳盡的安全監(jiān)測過程數(shù)據(jù)，同時(shí)為工程安全分析與評(píng)價(jià)提供依據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)大壩碾壓全過程數(shù)字化回溯（見圖4）。

4.提高碾壓質(zhì)量。運(yùn)用該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正施工前期少部分單元碾壓路線不夠規(guī)范、單元層厚與高程偏差較大等問題，為提高碾壓質(zhì)量提供了有效的技術(shù)支撐。

推廣應(yīng)用前景

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)場景下的施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖3 司機(jī)端施工導(dǎo)航與操作指引界面　

圖4　基于BIM重建技術(shù)的碾壓施工質(zhì)量分析

針對(duì)水利工程數(shù)量大、規(guī)模不等的特點(diǎn)，英思碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就考慮“云平臺(tái)+租賃服務(wù)”的模式。系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與基于總線的異步消息推送，滿足高并發(fā)的采集、存儲(chǔ)與監(jiān)控需求，支持可伸縮性云部署模式。監(jiān)控中心可在總部或監(jiān)控中心部署，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控幾十到上百個(gè)工程、上千臺(tái)碾壓機(jī)。系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)為軟硬一體化設(shè)備，系統(tǒng)兼容性與復(fù)雜環(huán)境下的適用性較強(qiáng)，并支持遠(yuǎn)程配置與快速部署。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的云部署應(yīng)用模式將帶來如下顯著的好處：

①通過部署云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的碾壓質(zhì)量監(jiān)控，保證各個(gè)工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，降低人為與項(xiàng)目管理因素對(duì)工程質(zhì)量的影響。

②通過部署云平臺(tái)，靈活應(yīng)用租賃等模式，減少硬件設(shè)備投資，可以降低對(duì)單個(gè)項(xiàng)目監(jiān)控平臺(tái)的投資（投資僅為傳統(tǒng)模式的1/10～1/3），提高監(jiān)控平臺(tái)的利用率，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用與快速推廣。

③通過部署云平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)工程關(guān)鍵施工過程的實(shí)時(shí)、并行、集中監(jiān)管，提高企業(yè)施工標(biāo)準(zhǔn)化水平，降低工程質(zhì)量事故發(fā)生的概率，保證工程質(zhì)量，提高企業(yè)競爭力。

我國正處在水利工程項(xiàng)目投資的高峰時(shí)期。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮大規(guī)模工程應(yīng)用需求：大中型水利工程可以使用傳統(tǒng)成熟的單項(xiàng)目建設(shè)模式；規(guī)模小、施工周期短的工程項(xiàng)目，可以采用在企業(yè)或監(jiān)管部門部署集中云監(jiān)控服務(wù)，項(xiàng)目上采用“設(shè)備租賃+服務(wù)模式”建設(shè)，系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)成本可大大降低，工程質(zhì)量也能得到保證。系統(tǒng)靈活的部署與應(yīng)用模式，較好地適應(yīng)了水利工程大規(guī)模應(yīng)用需求，推廣前景十分巨大。

（林恩德，武漢英思工程科技股份有限公司，副總經(jīng)理）