基于物联网技术在高速公路质量信息化管控中的应用探析

1 前言

近年来，我国持续加大高速公路建设力度，截至2019年末，全国公路总里程达501.25万km，其中高速公路总里程达14.96万km，较2018年增加0.7万km。在高速公路建设总里程不断增长的同时，高速公路设计标准、质量控制要求也在不断提高[1]。高速公路建设面临点多面广线长、工程参建主体多、施工工序多、现场交叉作业多、投入施工机械设备多、现场施工环境较为复杂等问题，因高速公路施工管理难度较大、安全生产和质量监管任务繁重，所以有必要借助信息化技术手段完善高速公路施工监管措施，将物联网技术融入高速公路施工质量、技术管理工作中，推动高速公路建设质量提升。

2 高速公路质量管理难点问题分析

在高速公路工程建设中，质量管理主要面临以下突出问题：

2.1 信息孤岛问题

高速公路工程面广线长，现场管理水平较为落后，施工场地较为分散，要了解现场施工信息只能到现场巡视，需要耗费大量人力、物力，且施工巡视检查不具备连续性，施工标段相对独立，各标段信息不共享问题突出，“信息孤岛”问题普遍存在，难以实现整个工程质量的总体监管。同时，在工程建设中，各类信息均依赖于人工抄报、记录、统计，信息传输滞后，部门沟通信息不能及时、有效衔接，难以起到现场监管的作用，一定程度上增加了高速公路质量控制风险。

2.2 信息系统交互性差

当前，高速公路信息管理系统不完善问题突出，信息系统信息主要依赖于人工录入，部分信息需要多长重复录入，大大增加了工程现场工作量，导致工程人工成本上升[2]。同时，现有的信息系统数据交互性差，未能从施工机械设备、传感器直接获取信息，数据交互性差，导致高速公路信息数据价值低，无法起到实时监控的作用。

2.3 事后管理监管效果差

如前所述，高速公路信息系统录入主要依赖于人工录入，数据主要依赖于事后统计、录入，未能起到高速公路质量预警、预测和主动事件处置作用。工程质量监管处于被动地位，往往在工程质量既成事实后再予以控制，未能达到预期工程质量控制目的。

针对上述问题，本研究利用多种先进传感器、物联网技术和信息化技术手段，设计了基于物联网的高速公路质量信息化管理系统，旨在构建实时互动、预警预测的信息管理系统，增强高速公路工程质量问题事前预制、事中控制功能，实现高速公路由事后被动监管向主动监管发展。

3 高速公路质量信息化系统总体框架

结合高速公路工程场地分散的特点，本文研究基于集成化监管要求设计了四层系统架构，包括物联网设备层、智慧工地信息化系统、数据中心接口服务层、信息系统展示层。各层级设备及功能如下：

3.1 物联网感知设备

本系统中主要使用的物联网设备主要包括有害气体传感器、位移传感器、拉力传感器、北斗卫星定位设备、视频监控设备和温度湿度传感器等。基于物联网设备收集高速公路各类数据信息，实现对沥青混合料拌和质量、预应力张拉数据、施工材料构件信息的动态监测与管理。

3.2 智慧工地信息化系统

基于物联网设备的智慧工地信息化系统主要面向现场施工单位、监理等主体，通过实时采集、展示物联网设备数据，分析现场施工质量控制和安全生产环境，并根据物联网基础数据实时变化情况为现场施工进行安全风险、质量异常展示、预警、预测，满足现场施工质量控制要求。本系统中，智慧工地信息化系统由智慧监测系统、智慧保障系统、智慧预警系统三部分组成，其中智慧监测系统为施工单位提供物联网设备数据集中收集、传输服务、分类展示界面，包括预应力压浆监测、拌和监测、试验监测、边坡桥梁隧道量测等；智慧保障系统主要面向现场施工技术管理，包括施工技术交底、安全培训、质量交底等内容，由施工单位落实相关措施后录入并展示，用于现场检查、提醒和警示。

3.3 数据中心

数据中心作为信息系统数据集中存储层，通过现场质量安全接口汇集、分类存储视频、图纸档案和项目管理数据，以便信息系统调用和展示。

3.4 项目管理办公室

项目管理办公室是信息管理系统的展示层，包括项目信息管理、项目前期管理、图纸档案管理、计量管理、合同管理等内容。基于物联网设备采集数据和相关算法，展示高速公路工程施工参数和预警信息，以便工程项目质量管理单位整体把握、监管高速公路施工质量信息，实现高速公路工程质量动态、实时、可追溯监控[3]。

图1 系统架构

4 基于物联网技术在高速公路质量信息管理系统应用

本系统中，基于物联网设备可拓展性特点，物联网设备广泛应用于高速公路施工各个工序，包括沥青混合料拌和、试块标养、预应力压浆张拉、桥梁隧道五位一体施工等工序，本文结合水泥混凝土拌和站监测系统，详细阐述公路工程质量信息管理系统具体应用。

4.1 混凝土拌和质量监测需求

在高速公路工程中，混凝土作为多个工序的施工原材料，其拌和质量直接影响工程建设质量，因此要求施工单位、监理、技术质量单位加强混凝土质量监测与控制，重点加强实际投料量与生产配合对比，按工程设计要求投放混凝土材料，保证混凝土拌和投料、拌和时间、拌和产量符合现场生产、调度管理要求。本系统基于人工录入混凝土配合比信息、浇筑部位、混凝土强度要求等内容以及物联网传感器收集混凝土拌和投料量、拌和时间、产量等数据信息，实现混凝土拌和生产过程记录自动化测量、采集、记录和上传。通过混凝土拌和质量采集和传输，有效杜绝了人为篡改混凝土拌和信息引发的质量风险。

4.2 功能设计

物联网传感器采集数据后，经互联网传输至施工现场智慧工地信息管理系统，并由系统自动对比投料量数据和生产配合比数据，如出现拌和数据异常，则通过系统中预设的短信接口向监理、技术质量人员发送短信提醒。生产过程数据可通过智慧工地信息管理系统和项目管理办公室实时查看、观测，实时展示拌和站各台班拌和数据和历史数据，为高速公路工程混凝土生产质量提供可靠依据。各分项功能设计、实现如下：

4.2.1 实时数据监控采集

为满足系统功能设计要求，将拌和站混凝土计量设备与拌和站控制工程站相连，采集每次投放量称重数据，实时监测拌和站全天候每盘料的材料用量、每盘拌和时间、配合比的运用等，并按每盘生产任务单号计算拌和站产量、投放料配合比情况，实时监测混凝土拌和质量的稳定性。

4.2.2 数据存储与传输

针对拌和站位置分散且距城区较远的问题，本系统采集后的拌和站审查数据经手机网络传输至施工现场。生产数据本地存储一份，同时上传一份，当上传不成功时定期重传，从而提高生产数据安全性。

4.2.3 数据分析

拌和站和智慧工地施工现场数据监测时，拌和站可查看当天生产的每盘混凝土实际配合比和材料实际配合比的对比情况，分析每盘混凝土配合比投料差异，实现对拌和站和施工现场每盘材料配合比的监控。拌和站数据经数据传输后，汇总至数据中心并在项目办公室系统页面展示，自动汇总各类原材料生产用量，并生成生产材料用量趋势图和误差走势图，以便项目组分析混凝土拌和质量偏差原因并落实质量控制措施。

4.2.4 超差预警通知及处理

当拌和站配合比投放量偏差超过允许的误差时，系统自动计算超出比例并红字显示混凝土超差百分比。根据工程项分级管理原则，当混凝土拌和质量存在缺陷时，按三级管理模式进行超差预警并通知相应的负责人，相应质量责任人员制定质量问题处理方案，并形成相应的闭合证明材料，经“智能监管”手机APP上传至数据中心留存。

5 结语

新时期背景下，信息技术广泛应用于各领域，促进了传统领域管理模式及管理手段创新。在高速公路工程建设中，针对工程设备投入多、分段施工复杂、施工主体多、质量控制难度大的问题，可借助物联网技术实现现场施工数据的分散采集、集中传输与展示，并结合施工现场、项目办公室不同项目管理要求，分别展示现场采集实时数据和分类统计数据，为高速公路工程质量控制提供有效依据。