公路工程质量全过程监管物联网系统设计

蔡东波

摘要：为强化公路工程质量检测取样与检测过程的监管，保证样品与检测数据的真实性，准确、客观地反映公路工程质量现状，对公路工程质量检测取样以及试验过程中参与人员、时间与地点等关键因素进行分析，结合智能标签、传感器及移动通讯等物联网技术，设计检测监管平台模型，实现对检测取样、试验过程与试验报告正逆向溯源，为公路工程质量检测提供了基于物联网的监管思路。

关键词：检测取样；物联网；智能标识；工程质量

中图分类号：U415.12文献标志码：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

近年来，随着中国城镇化进程的加快，建筑市场蓬勃发展，工程质量的检测和监控受到越来越多的重视。见证取样与材料试验检测是工程施工质量控制的重要手段，在工程质量监督中发挥着重要的作用。

一旦所取样品的代表性和真实性无法保证，材料试验检测会现严重问题，导致检验数据无法真实反映工程质量[1]。近年来，在工程质量投诉处理中发现，实际工程所用材料与报告存在较大差异，往往使得报告成为遮掩实际工程材料的挡箭牌，这种现状值得反思，并应与时俱进转变工程质量的监管思路。《交通运输部办公厅关于印发工地实验室标准化建设要点的通知》（厅监[2012]200号）和 《公路试验检测数据报告编制导则》（JT/T828—2012）及释义手册的发布，为试验检测推行信息化管理提供了基础，各公路建设项目参建单位可以通过逐步构建统一的实验室信息化平台，提高试验检测工作效率，减少人为误差，实现数据资源共享，以利于试验检测的科学规范管理[2]。

在工程质量检测中，信息化技术得到了深入应用，工作效率有了很大的提高。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其核心和基础是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络[3]。结合公路工程质量检测行业现状，利用构成物联的传感器、智能标签、嵌入式系统3项关键技术实现公路工程从制取试件惟一性标识、送检、检测试验过程自动化控制，到数据采集、检测试验报告智能标签防伪、试验数据正逆向溯源的全过程监管[4]，为公路工程质量监管决策提供科学依据。

1公路工程质量检测监管技术架构体系设计

1.1技术架构体系

根据《公路试验检测数据报告编制导则》（JT/T828—2012），基于物联网技术的公路工程质量检测监管的技术架构应主要由4部分构成：智能标签、标签读写智能终端；第三、四代移动通信技术；试验检测数据采集传感器[5]；试验设备自动控制嵌入式系统与试样破型拍摄设备[6]。

对公路等级实验室和工地实验室在公路工程试验检测活动中产生的数据及相关信息进行采集、存储、传输、判断、分析、溯源全过程监管。具体监管平台构成如图1所示。

由图1可知，结合计算机软硬件、网络通讯、数据库等信息技术，公路工程质量检测监管系统总体技术架构共分为3部分：施工现场、实验室、监管部门。各部分有独立的工作性能，具体说明如下。

（1）实验室主要工作是识别取样样品，检测数据采集的来源，由万能试验机、压力试验机、沥青针入度仪、沥青软化点仪、沥青马歇尔稳定度仪[7]等设备构成。通过对试验数据的收集和分析，生成公路工程质量检测报告，由实验室数据服务器传递给路由器设备，再通过互联网传递给施工现场和监管部门。

（2）施工现场将试验智能标签通过智能终端传递给无线基站，是整个技术架构的源头，负责传递和处理实时的工程质量取样信息。

（3）最终将采集的信息通过物联网传递到监管部门，在试验检测监管平台进行汇总、分析，为公路工程质量监督人员与建设项目质量检查人员提供决策依据。

1.2网络传输层次

为了保证试验数据能够及时有效地传递，公路工程质量试验检测数据采集所使用的传感器，是通过基于MODBUS协议的工业自动化网络规范[8]与试验检测数据采集终端进行数据通讯。数据采集终端与实验室本地数据服务器、试验检测数据联网平台之间采用ADSL、CDMA和LTE进行通信。底层均为实际数据传输，应用层为逻辑数据传输。数据传输层次如图2所示。

2试验检测物联网设计

试验检测物联网模型共分为4个层次，从底层逐级向上分为设备传感器、检测取样与试验检测、公路试验检测数据集群和公路试验检测数据联网平台，如图3所示。公路试验检测数据联网平台通过网络与公路试验检测数据集群交换数据，试验检测数据采集软件通过基于TCP/IP协议通信网络，对试验检测数据采集终端发起和应答指令；试验检测数据采集终端上的嵌入式系统通过基于MODBUS协议的工业自动化网络与设备传感器进行通讯[9]。

2.1检测取样物联网设计

依据公路工程检测现场取样的管理要求，施工现场取样监管的关键因素有：见证取样人员身份的真实性；人员与取样地理位置的真实性；取样时间戳；样品的真实性。

为保证取样关键因素的真实性，检测取样的物联网设计思路为：对智能终端与取样员、见证员进行生物特征识别的实名制管理；通过智能终端对取样工地、样品与取样人员、见证人员进行GPS定位；对样品进行智能标签惟一性标识。

2.1.1监管部门设计

监管部门在监管平台建立取样员、见证员、试验员、建设项目质量检查人员、监督员等从业人员的信息库。信息库包含上述各人员的指纹特征与对应的智能终端编号，完成对智能终端的实名制管理，人员与终端的实名制管理处理过程如图4所示。

2.1.2施工现场取样设计

取样员在检测取样时通过指纹扫描识别完成身份验证；将智能标签植入或绑定至检测样品，写入强度等级、钢筋牌号、工程部位、样品照片与人员照片等取样信息至智能标签；自动定位取样员的GPS位置信息，并通过无线基站与互联网传输至监管平台数据服务器；见证员在规定的时间内使用智能终端扫描或读取智能标签，完成见证取样的过程；服务器自动记录数据上传的时间。施工现场见证取样过程如图5、6所示。

2.2检测设计

2.2.1样品送检

检测样品送至检测机构进行委托或留样登记时，业务受理人员扫描样品的智能标签，从监管平台获取样品信息，并写入试验检测管理软件，样品信息在软件内严禁修改。管理软件按《公路试验检测数据报告编制导则》（JT/T828—2012）要求，编号后流转至样品试验检测流程。

2.2.2试验检测

（1）试验检测流程设计。

试验员通过扫描智能标签获取样品的规格信息与内部流转编号，完成当前试验样品与试验结果的关系对应。对力学、沥青针入度与软化点、沥青混合料马歇尔稳定度的试验设备，加装检测数据采集传感器与破型拍照设备，结合嵌入式自动控制系统，完成混凝土试块的破坏荷载、钢筋的极限拉伸荷载、屈服荷载、沥青的针入度与软化点、沥青马歇尔稳定度、流值等试验数据的自动采集。试件破型时，采集系统自动记录破型时的照片，试验完成后自动存储试验过程曲线与破型照片，并通过物联网传输至检测数据监管平台，随后监管平台的数据接收端完成数据的解析与分类存储。试验检测流程如图7所示。

（2）试验数据采集设计。

公路试验检测数据集群服务器使用端口8421监听试验数据采集嵌入式系统，传输采用TCP/IP通信协仪。当试验检测数据与采集终端连接时，即可进行独立双向通讯，通讯消息帧设计如图8所示。

（3）试验检测数据管理与监管平台。

试验检测数据管理软件将传输内容经DES加密后，采用XML格式对数据包进行封装，通过数据包的形式传递，使用HTTP协议与SOAP协议上传至检测数据监管平台，保证检测数据的真实与完整。数据包包含的数据内容如表1所示。

2.3智能标签

2.3.1试验检测报告智能标签防伪设计

在试验完成后，试验检测管理软件自动生成试验检测报告，打印试验报告时将当前试验报告的编号、检测机构名称、建设项目名称、施工单位、监理单位、试验检测参数名称、试验结果、检测结论等关键信息加密生成二维码智能标签，成为试验报告的惟一标识，对试验报告进行有效防伪，同时具有溯源作用。加密数据设计方法如图9所示。

试验报告打印后，系统将试验报告对应的原始记录、试验曲线与试验报告的电子版附件通过网络层传输至检测数据监管平台。

试验报告数据加密设计如下。

（1）机构代码（Organization Code）同监督局下发的各检测机构检测证书编号。

（2）试验报告关键内容（Key Elements）包括：试验报告编号、检测机构名称、建设项目名称、施工单位、监理单位、试验检测参数名称、试验结果、

2.3.2试验检测报告智能标签溯源

监督员与项目部质量检查人员进行日常质量检查时，通过智能终端对试验报告上的智能标识进行扫描，即可完成对试验报告的真伪验证，以及取样过程溯源（见证员、取样员信息、取样时间、取样地点），试验过程溯源（原始记录信息、试验曲线信息）如图10所示。

3结语

（1）检测取样物联网解决了检测取样过程中普遍存在的假试样问题，保证了公路工程质量检测试样的真实性。

（2）试验检测物联网实现了对力学、沥青针入度与软化点、马歇尔稳定度等关键试验设备的数据自动采集、自动控制与破型拍照，保证了试验检测过程的可追溯性、试验检测数据的真实性。

（3）物联网加密智能标签设计有效地解决了行业内伪造试验检测报告的难题，检测机构出具的试验检测报告具有可追溯性。

（4）基于物联网技术形成的公路工程检测数据实时监管平台，结合工程质量检测数据动态分析模型，可完成对各建设项目的质量动态分析，为工程质量监督检查提供决策依据。

参考文献：

[1]董松，张先稳，陈大萍.基于物联网技术的现场见证取样监管平台的研究与实践[J].工程质量，2014，32（3）：57.

[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]北京邮电大学学报，2010，33（3）：19.

[3]许岩.物联网系统仿真研究[D].兰州：西北师范大学，2013.

[4]丁玎，李南京，刘银，等.建设工程质量检测全过程信息化监管模式研究与应用[J].工程质量，2015（4）：6971.

[5]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2013，35（1）：215227.

[6]黄骁.公路物联网架构研究[D].北京：北京邮电大学，2015.

[7]程善刚.基于物联网技术的沥青路面施工质量智能管控系统应用介绍[J].门窗，2015（12）：185188.

[8]雒焕常，朱锦璐，陈晓龙，等.以物联网和通信技术促进公路路面施工管理信息化[J].公路交通科技：应用技术版，2014（9）：363365.

[9]廖文洲.基于物联网的公路网运行监测系统研究与实现[D].上海：复旦大学，2013.

[责任编辑：高甜]