林恩德

基于云平台的碾压质量实时监控与分析系统及应用

林恩德

概 述

土石方填筑施工是水利水电工程中广泛应用的施工工艺，碾压施工过程的质量控制是决定工程质量的关键。为实现碾压施工过程的精细化质量控制，国内外纷纷研究并应用基于GNSS的高精度卫星定位技术，实现碾压过程的轨迹、遍数监控与分析，取得了较好的应用效果与案例。但由于监控系统硬件投资大，建设成本较高、部署与维护专业性强，并没有在水利水电工程特别是中小型水利工程中全面推广应用。

英思工程科技股份有限公司在水利水电工程数字化平台研发与应用的基础上，引进全新的技术及理念，开发了新一代基于云平台的碾压质量实时监控与分析系统，并探索建立了“云监控+设备租赁+服务应用”模式。目前，该系统在多个大型水电工程项目中得到成功应用，具有较好地推广价值与应用前景。

系统简介

图1 英思碾压质量实时监控与分析系统结构图

英思碾压质量实时监控与分析系统的基本原理是通过在碾压机上安装有北斗定位监测设备、工业平板、频率采集装置等，对碾压施工机械进行实时监控，获取与碾压质量相关的信息，实现自动化分析，并上传到监控中心，实现对包括碾压轨迹、碾压遍数、碾压层厚、振动状态、激振力等质量指标的远程实时监控与量化评价。该系统由监控中心、车载终端、监控工作站及碾压质量分析与展示平台组成，整体逻辑结构如图1所示。

监控服务是运行在施工现场监控中心的后台服务，由采集服务、归档服务、分发服务等组成，并通过消息总线连接，实现远程的监控、归档与信息实时分发，负责接收前端硬件发送过来的数字信号，进行转换和初步处理后存储。监控中心还可以从大坝施工过程管理平台下载并管理工程属性、设计参数（如仓面控制点范围等），为监控分析提供基础数据。

车载终端是安装在工业平板上的专用软件，布置在碾压设备司机操作室。软件与采集器硬件的连接，支持3G网络传输，支持本地监控与数字仪表，可实现司机登录、碾压任务下达、碾压轨迹、振动状态、覆盖区域的实时跟踪显示与实时上传，并提供施工引导与碾压速度、层厚超标等信息异常预警，辅助司机驾驶操控。

监控工作站是运行在施工现场或后方营地监控室内的集中、实时监控程序，它通过网络与监控服务中心进行通信，获取监控中心实时采集的信息，实时监控一个或多个施工单元、一个或多个碾压设备的运行状态及质量指标，支持质量指标动态分析与评判、分析成果报告的自动生成与成果输出，必要时发出预警信号或提示，指导动态纠偏，进而提高现场施工管理水平，保证施工质量。

碾压质量分析平台是与大坝施工过程管理平台相结合的综合质量分析与成果发布平台，包括后台系统与前台系统，实现与监控中心的数据通信，碾压过程的综合监控成果的动态分析，三维BIM重建、动态可视化查询、施工历史回溯与质量数据统计。

应用案例及成果

绩溪抽水蓄能电站是国网新源公司下属的大型电站，其上下库土石坝碾压施工过程均采用该系统进行施工过程质量监控。经过半年多的稳定运行，取得了良好的应用效果，得到参建各方的一致好评，系统建设的主要成果包括：

1.全过程实时监控。对每一个碾压单元实施全过程实时监控（见图2），实现了对施工过程的轨迹、遍数、激振力、层厚等关键质量指标实时分析与成果输出，规范了施工过程，保证了施工质量。监理、业主可以通过网络随时了解一线施工状况及成果。

2.为司机提供精确的导航。通过司机端导航平板，对车辆速度、行走路线、待碾欠碾区域进行直观标注与提醒，为司机的操作控制提供动态指引，在提高施工效率，特别是夜间施工效率的同时，保证了工程质量，相关功能深受司机的好评。司机端施工导航与操作指引界面（见图3）。

3.为工程安全分析与评价提供数据支撑。建立了大坝各材料分区BIM模型，结合碾压过程的高精度定位数据，实现空间轨迹跟踪、动态三维BIM重建，碾压工程量计算，最终累计形成BIM施工成果，为建设后期及运营期提供详尽的安全监测过程数据，同时为工程安全分析与评价提供依据，并可实现大坝碾压全过程数字化回溯（见图4）。

4.提高碾压质量。运用该系统可及时发现并纠正施工前期少部分单元碾压路线不够规范、单元层厚与高程偏差较大等问题，为提高碾压质量提供了有效的技术支撑。

推广应用前景

图2 虚拟现实场景下的施工过程实时监控

图3 司机端施工导航与操作指引界面　

图4　基于BIM重建技术的碾压施工质量分析

针对水利工程数量大、规模不等的特点，英思碾压质量实时监控与分析系统设计之初就考虑“云平台+租赁服务”的模式。系统采用分布式架构、大数据存储与基于总线的异步消息推送，满足高并发的采集、存储与监控需求，支持可伸缩性云部署模式。监控中心可在总部或监控中心部署，同时远程监控几十到上百个工程、上千台碾压机。系统终端设计为软硬一体化设备，系统兼容性与复杂环境下的适用性较强，并支持远程配置与快速部署。该系统实现的云部署应用模式将带来如下显著的好处：

①通过部署云平台，实现企业内统一的碾压质量监控，保证各个工程项目的施工质量按统一的标准执行，降低人为与项目管理因素对工程质量的影响。

②通过部署云平台，灵活应用租赁等模式，减少硬件设备投资，可以降低对单个项目监控平台的投资（投资仅为传统模式的1/10～1/3），提高监控平台的利用率，有利于监控系统的规模化应用与快速推广。

③通过部署云平台，可以实现工程关键施工过程的实时、并行、集中监管，提高企业施工标准化水平，降低工程质量事故发生的概率，保证工程质量，提高企业竞争力。

我国正处在水利工程项目投资的高峰时期。该系统设计充分考虑大规模工程应用需求：大中型水利工程可以使用传统成熟的单项目建设模式；规模小、施工周期短的工程项目，可以采用在企业或监管部门部署集中云监控服务，项目上采用“设备租赁+服务模式”建设，系统运行与维护成本可大大降低，工程质量也能得到保证。系统灵活的部署与应用模式，较好地适应了水利工程大规模应用需求，推广前景十分巨大。

（林恩德，武汉英思工程科技股份有限公司，副总经理）