基于物联网的高速公路试验检测管理平台开发

党的十九大以来，中国交通事业正式迈入交通强国新时代，伴随“交通强国”战略的深入推进，会陆续在铁路、公路、机场、港口等工程领域开展持续建设。基于物联网技术开发的多维度试验检测技术将迎来井喷式发展。

物联网是指将各种信息传感设备及系统通过各种接入网与互联网结合起来形成的一个巨大智能网络。从高速公路建设技术发展，工程质量管理理念不断进步的角度看，将物联网技术融入到工地试验室的运行和管理中，构建试验检测数据监控系统，提高工地试验室管理效率，是时代发展的趋势[1]。目前，已有针对公路路面智能监控、检测系统的研究[2-3]，但针对高速公路施工全过程的试验检测系统及对检测过程的智能化管理还应进行进一步的研究。

因此，本文通过对物联网试验检测系统的研究，开发物联网检测信息管理平台，实现对高速公路检测全过程试验数据、人员、设备、样品的综合管理；同时通过系统中的统计分析方法，对检测数据进行分析，智能化输出检测报告，便于相关人员通过平台实现对试验检测的管控。

1 物联网检测管理平台的需求设计

为实现检测设备与系统的互联互通，以及检测机构各项工作均能从信息管理平台中进行溯源、查询得到现场及室内试验的各环节的数据信息，信息管理平台应从以下几个方面进行设计：

1.1 检测数据准确性控制

现场检测和室内试验检测数据的各项参数，包括沥青三大指标、结构物强度、钢筋保护层厚度等，明确物联设备采集、传输和手动录入的数据，将相关传感器采集和人工输入的数据通过网络模块传输上传至检测管理平台，实现对施工质量的在线查询、监控，确保采集参数的真实性、可靠性，保证施工质量。

1.2 检测条件稳定性控制

对进行试验的人员、设备、样品信息及各项试验要求的环境条件严格控制，试验环境数据通过传感器采集，同时使用视频监控设备对试验环境及试验人员进行多方位的监控，试验环境数据及监控视频均通过网络传输至检测管理平台，保证试验操作准确。同时，将试验的人员、设备、样品信息及环境数据形成可查询记录，在后期检测结果不符合要求时成为排查原因的参考因素。

1.3 数据分析可靠性控制

检测信息管理平台对各项检测数据进行统计与分析，选择合适的统计分析方法对不同试验的检测数据进行深度挖掘，统一对规范的解释，针对不同人员对试验检测数据的不同需求，进行数据的稳定性、关联性、合格性分析，对检测成果进行自动计算和判定结论的自动生成。从数据计算、结论判断和报告的出具等方面规范检测工作中的技术，帮助试验室提高管理技术水平，保证试验检测时效性、检测成果完整性。

2 检测管理平台架构设计

本系统以检测管理平台展示为基础，后台试验数据解析为关键，以施工过程中各项试验检测参数是否合格为目标。通过对试验检测数据的综合统计，结合试验流程的管控，为管理试验检测过程及后期施工质量评价带来帮助。管理平台架构图如图1 所示。

3 检测管理平台功能设计

公路试验检测管理平台通过使用物联设备、互联网进行试验数据的采集，建立数据库进行统计分析，管理平台中的试验人员、设备、样品信息也均与试验结果相互关联。因此，系统业务分为基本检测管理功能、检测数据BIM 可视化功能和其他功能三个部分。

3.1 基本检测管理功能设计

3.1.1 检测样品管理

检测样品从检测任务发出，生成编号，直至检测结束，全过程的时间、位置、存放环境等信息均通过网络传输至管理平台，便于根据检测结果追踪样品，确定不合格检测结果的原因。

3.1.2 检测设备管理

检测设备应及时进行维护，保证机器可以正常使用。试验人员根据管理平台查询的设备维修情况、可用设备等信息，随时调整检测方案，提高检测效率。

3.1.3 检测人员管理

所有检测人员的信息均录入管理平台，建立人员档案，并及时更新。试验人员通过移动端或试验设备的操作页面登录并进行试验，监控设备对检测人员进行面部识别，规范检测人员的行为。

3.2 检测数据BIM 可视化功能设计

结合相关规范标准及前期总结经验，将沥青、混合料、钢筋、混凝土等检测参数的试验数据作为BIM 建模科学可靠的基础数据支撑，建立检测数据BIM 统一数据字典，进而共享传输至BIM 平台，与BIM 模型施工部位对应关联。平台中的BIM 模型可直观地显示检测位置及其他检测信息，并能反查原材料数据信息，加强对原材料质量及原材料的可追溯性管理，实现原材料和试验数据的数据互通，实现对试验过程的可视化管控，真正从工程源头有效控制施工品质。

3.3 其他功能设计

3.3.1 检测任务

从检测任务下发至试验报告归档，每一个流程均可在管理平台进行追踪、查询。各流程操作人员根据系统分配的权限执行相关操作，系统权限由试验室的系统管理员进行分配。具体流程见图2。

检测报告内容完整、准确，包含试验检测人员、检测时间、设备、检测关键参数的数据及分析结果。检测报告可根据时间、试验类型等进行有针对性地查询，还可根据用户需求自定义条件进行查询。

3.3.2 检测预警处理

检测数据出现的波动超过阈值范围即产生预警。对预警进行等级划分，并根据等级推送预警消息至不同用户。预警处理建议基于范例推理（CBR）的智能决策支持系统（IDSS），与预警消息同时推送给相关人员。用户可参考处理建议，对预警消息作出反馈。同时预警消息以及处理结果将形成一条完整的预警闭环记录存储在检测管理平台中，并对应存储至智能决策数据库中，进一步完善决策支持系统。试验数据预警流程如图3 所示。

4 数据库与辅助决策系统建立

数据库的发展是衡量一个国家信息发展水平的重要指标，在实际操作中软件的开发与应用都基于数据库[4]。

4.1 管理平台数据库建立

将试验检测过程中的各项参数及样品、人员、设备的数据经试验设备采集后，网络传输至数据库，为检测管理平台对数据的处理、分析、统计及数据的最终呈现提供数据支撑，以满足管理平台不同角色对检测数据的需求。因此，数据库是一个将各项工作整合、集成的过程。检测数据进入数据库，经统计分析后，数据呈现的流程见图4。

4.2 辅助决策系统建立

辅助决策功能数据库包含了完成系统所有辅助决策功能所需的所有知识及运算法则，包含了数据源、数据采集、数据存储、数据处理分析、应用五个部分。除了存储于这些关系型数据库中的结构化数据外，系统还包含了与辅助决策相关的所有数据和算法。针对不同类型数据的各项统计分析方法（图5）。

辅助功能数据库建设除管理平台收集的试验数据、其他信息数据外，案例数据库主要基于大量的高速公路现场技术咨询服务案例和经验，对案例进行数据化处理。从高速公路路基、路面施工角度来说，由于受区域化的原材料水平、施工技术水平、气候特征等因素的影响，高速公路施工质量和整体技术发展水平呈现较大的差异，因此辅助功能案例数据库构建的样本来源应重点选择项目所在区域内的执行高速公路施工的典型工程案例，作为数据库样本的主要来源，同时针对典型的施工问题，也要补充全国范围内的典型工程案例作为样本。

4.3 数据统计分析方法

针对数据库中不同类型的数据，检测管理平台根据对应的统计分析方法，挖掘试验数据的价值，使分析结果更科学。检测管理平台的统计分析方法包括以下几点。

4.3.1 基本统计方法

针对不同指标的检测数据，采用样本方差、标准差、离散系数等对数据进行定量化的离散趋势分析，指出某个指标在一定条件下的稳定性。比如对某一种类型的沥青进行检测得到的沥青三大指标、回弹仪检测到的混凝土抗压强度都可以通过基本统计方法查看沥青或路面的质量稳定性。

4.3.2 因子分析与主成分分析

由于施工现场较为复杂，可能除了材料因素之外，还会有气象环境、设备等因素对试验关键指标数据造成影响。使用因子分析或主成分分析的方法来探讨影响因素和试验关键指标的相关性，对多个变量之间的相关性进行多元统计。在进行主成分分析之前，先做数据标准化，确定这些考虑的因素都是有量纲影响的变量。然后对这些数据空间降维，将这些本互相无关的变量，形成高精度、低维度的一组新的综合变量，并判断关键指标与这些新的变量之间的相关系数，查看哪些变量对这个指标的影响更大，从而更有效地找到关键影响因子，将数据库的数据质量进行优化。

4.3.3 聚类分析

基于相关性分析的基础上，可以再对这些与路面质量相关的指标通过聚类进行相似性探讨。比如沥青红外光谱数据可以得到某类沥青的SBS 掺量，也可以通过该方式在一些情况下，用SBS 掺量来判断同一类型沥青。经过此种分析得到大量的经验数据，为研究和决策提供有力的支撑。

5 工程实际应用

物联网高速公路试验检测管理平台目前已应用于黑龙江、安徽等全国多个省、市，得到大量的试验检测数据，并能通过对数据的处理、统计、分析，在检测管理平台中查询到试验检测报告，根据报告中样品试验数据的合格率等信息，评价材料、施工的质量。

5.1 样品、设备、人员管理界面

如图6 所示，检测管理平台可以查询到每个检测样品的类型、来源、取样标段、取样时间、取样人员等信息，实现检测样品的来源追溯，将样品检测结果与施工质量对应。

如图7 所示，试验检测设备各项信息均记录在管理平台中，试验人员可根据条件查询所需检测设备匹配试验任务。试验设备维护情况如设备维修、校准等相关信息，均记录在管理平台，相关人员根据信息及时进行设备维护。

如图8 所示，人员管理界面的信息包含试验人员的基本身份信息、定位、健康及考勤方面的信息，并及时进行更新，便于根据不同项目及试验任务选择试验人员，并保证试验人员均符合要求，从而保障了试验结果的准确。

5.2 试验检测报告、分析界面

管理平台中试验检测报告的呈现如图9 所示，以沥青试验为例。试验报告模板均录入管理平台，在进行沥青三大指标试验时，试验得到的数据经检测设备上安装的网络传输硬件上传至平台，或者也可以在填写试验报告后，上传至管理平台。

检测数据分析以沥青红外光谱为例，每个沥青检测样品来源、运输信息、试验日期、检测结果等均可查询。将检测沥青红外光谱与标准沥青红外光谱对比，分析单一样品红外光谱的总体相似度。统计分析所有样品的相似度红外光谱，确定沥青质量的合格率，见图10。

6 结束语

物联网高速公路试验检测管理平台在全国多个省市的高速公路项目中得到应用，基于物联网、通信技术等信息化手段改进检测仪器和检测技术，在大数据支撑条件下，建立数据采集、传输、处理的试验检测数据管理信息化系统云平台；同时将参与试验的人员、设备及试验样品进行信息化管理，使试验检测的真实、准确、可靠得到了保证，为高速公路试验检测管理提供了保障。

参考文献：

[1]汪祥立，赵爱芹.基于物联网技术在公路建设项目试验检测管理中的应用与实践[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（5）：288-290.

[2]王翠香，刘其明，皋军，等.基于物联网的便携式公路路面检测系统设计[J].软件导刊，2015，14（11）：75-77.

[3]王宣，唐建亚，邢永忠.基于物联网的智能监控系统在沥青路面施工中的应用研究[J].公路交通技术，2017，33（3）：23-28.

[4]范旭强.TBM 掘进施工数据库建立及大数据挖掘方法研究[D].北京：北京交通大学，2020.