基于數據交換技術的土石壩施工質量管控系統研發

張社榮，金 磊，王 超，梁禮繪，嚴 磊

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

由于傳統的水電工程信息化程度不高，施工數據交互性及共享能力較低，所以基于PDCA循環方法的施工質量管理中的檢查環節仍采取比較傳統的人工操作方法，這樣常常會導致在施工過程中無法對工程施工情況做到及時掌握，導致工程施工存在諸多隱患，威脅到工程施工質量。不過物聯網數據傳輸技術、數據庫技術的出現和發展為水電工程施工數據共享及數字化質量管控提供了可能。Wang等[1]通過對概率神經網絡進行增強，達到質量控制的目的；鄧俊曄等[2]結合有限元相關理論，對現有數字化大壩的架構、數據結構以及質量控制算法進行了改進；秦劍等[3]在裝備制造方面對質量管控體系架構的要素進行了分析，并對數字化質量管控流程方法進行了研究；邱世超等[4]引入5D技術和工業基礎分類標準(Industry Foundation Classes， IFC)，提出了基于IFC標準的大壩施工期5D進度成本信息模型的建立方法和實現過程，研究了多維度信息模型的建立、IFC標準對信息模型的表達和模型可視化顯示等關鍵技術，應用C#.NET+Open GL圖形引擎開發出大壩施工期5D進度成本信息動態可視化管理系統。從國內外的研究情況可知，各個行業對施工質量的數字化控制都有涉及，采取的技術手段及控制方法也不一樣。但是對于數據交換技術融入到PDCA循環方法中的質量管控流程研究目前在土石壩工程中還未有涉及。

本文依托我國某土石壩工程，以數據交換技術為入手點，將其融入到PDCA循環方法中，設計出數字化質量管控流程，并根據設計流程，構建土石壩工程施工期數字化質量管控平臺，以確保工程有序推進及施工質量的安全。

1 施工質量管控流程設計

1.1 PDCA循環方法

PDCA循環[5]是按照計劃(Plan，P)、執行(Do，D)、檢查(Check，C)和處理(Act，A)的順序進行，若問題未解決，則重新制定計劃，進行流程，具體循環流程如圖1所示。

圖1 PDCA循環

具體為：①計劃(P)指對一些活動或者工作目標、文案、方針政策等的制定，是工作的最初階段。②執行(D)是工作的第2階段，針對計劃中的內容，設計出相對應的方案或措施并身體力行的去執行。③檢查(C)是對執行的結果進行判別，找出其中的問題。④處理(A)是對檢查出的問題進行處置，如果問題未能得到很好地解決或只解決了問題的一部分，則應返回到計劃(P)這一步，重新進行流程。

實際上，在不斷循環執行PDCA方法流程的過程中，可以把每一次循環都當作上一次循環的完善，整個循環過程也是一個逐漸完善直至完成的過程。

1.2 數據交換技術

1.2.1 物聯網數據傳輸技術

1.2.1.1 監測架構建立

土石壩工程在施工過程中通過布設各種類型的傳感器，借助無線電通訊技術，將監測數據進行實時采集及存儲到云端數據庫。監測架構[6]如圖2所示。

圖2 監測框架示意

(1)數據監測層。各類傳感器將監測獲取到的數據信息(包括安全、施工等信息)進行匯總、整合，一并發送到匯聚網關層中的數據傳輸主機中。

(2)匯聚網關層。本層主要是將由各路由節點獲取到的傳感器數據進行匯總打包，然后再通過無線通訊技術發送到云端服務器上。

(3)應用服務層。本層主要是為工程各參與方服務，各參與方人員通過監控平臺(PC/智能手機)可以隨時隨地調用云服務器上的實測數據。

1.2.1.2 數據傳輸機制

考慮到土石壩工程結構復雜，規模較大以及數據傳輸的實時性和高效性，故本文選用UDP Socket傳輸協議[7]。該協議與TCP協議不同，有著一些獨有的特點，由于在客戶端與服務端之間不需要建立連接關系，該協議傳輸數據信息的速度非常快。數據的傳輸依賴于協議中的報文，傳感器將需要發送的數據以一條字符串的形式通過無線通訊技術發送到監聽程序，被其接收。其中的字符串就是報文，報文中包含了傳感器發送到的數據信息，報文部分內容如圖3所示，左側數字為報文組成，右側為數字代表的實際信息。

圖3 UDP協議報文部分片段

數據傳輸機制由客戶端與服務端組成，通訊流程框架如圖4所示。

圖4 通訊流程框架

在接收端，利用C#監聽程序每次從隊列中讀取一條數據信息(即報文記錄)，隊列中的一條條信息都是由傳感器發送過來。將讀取的信息在程序中進行操作并根據數據信息的不同，將它們分類存儲到各個指定的數據表中，以便用戶通過監控平臺進行隨時調用，數據庫服務器和監聽程序也都部署到阿里云服務器上。

1.2.2 數據庫技術

數據庫技術[8]主要思想是對數據進行更好的管理，本文利用數據庫技術解決數據共享的問題。將大量數據存儲到統一數據庫中，有著不同需求的用戶可以按需調用數據庫中的數據，進行分析、處理，數據庫技術應用最終是要依托于對數據庫的管理來實現。現有的數據庫類型比較多，不過最主流的還是關系型數據庫和非關系型數據庫，這兩類數據庫應用也非常廣泛。其中，Oracle數據庫、MySQL數據庫、SQL Server數據庫、Access數據庫是關系型數據庫中比較常用的幾種，各數據庫的優缺點如表1所示。

表1 數據庫比選

鑒于是否開源，成本高低，各類操作系統是否兼容以及數據查詢、交互性能等因素，本文選用MySQL數據庫，并將其作為統一存儲施工數據，實現數據共享的基礎。

1.3 施工質量管控流程

本流程的核心是質量管理與反饋，通過對反饋信息的及時處理做到對工程施工質量的控制，達到對質量管理形成閉環的效果，具體流程如圖5所示。

圖5 施工質量管控流程

流程嚴格按照PDCA方法設計，將信息化監測方法融入到該模式中，施工質量檢查采取以信息化方式為主，傳統方式為輔的形式，若通過對數據分析得出的結果正常，在規范設定的值以內，則可以認為該部分的工程質量合格。若分析得到的結果異常，則在不能排除監測儀器損壞等非正常監測的情況下，需要結合人工巡檢的方式進行質量檢查。最后如果巡檢發現了問題則需要對問題進行處理，問題在進行處理后認為得到妥善的解決則需要重新制定解決方案，重新進行質量管控流程，直到問題解決為止。

2 系統原型設計

基于對施工質量管控流程的研究，設計了土石壩工程施工期質量管控平臺，該平臺以質量管理模塊為主，并開發了費用、進度、物資等模塊。其中質量模塊完全按照流程內容進行設計，并結合成熟的cesium三維可視化平臺，讓施工數據及分析結果在該平臺中展示。

2.1 系統框架設計

為了方便對系統隨時進行瀏覽以及對數據的查詢和維護，土石壩系統采用B/S架構進行設計，這樣用戶只需隨時登陸瀏覽器就可對系統進行操作。系統具體架構層次如圖6所示。

圖6 系統整體架構

(1)數據采集層。顧名思義，該層是用來收集數據的，也是整體架構最基礎的一層。通過GPRS網絡傳輸技術以及socket監聽技術等，將各類傳感器監測到的數據傳輸到數據庫中進行存儲。

(2)數據層。數據層是對不同類別的數據進行分類存儲到不同的數據庫中，主要包括土石壩的業務數據、模型數據等。

(3)業務邏輯層。該層主要是用來提供包括Python、PHP腳本在內的各種數據類型的接口以及系統開發的功能業務接口。

(4)表示層。該層是最后用戶可以看到的可操作的的交互式系統界面，系統前臺框架設計采用Metro UI，并結合HTML5、JavaScript以及CSS進行聯合開發，瀏覽器選用可以支持WebGL的瀏覽器，以方便加載部分可視化界面。

2.2 系統開發環境

系統使用Html、JavaScript、CSS、ThinkPHP、Python等開發語言進行開發，服務器布置于云端，其中MariaDB服務器部署于Windows系統中，而Web服務器、Apatch Tomcat服務器、BIM Server服務器等部署于Linux系統中。

2.3 模塊功能設計

根據土石壩工程施工需求，系統設計開發了3個模塊，分別為可視化總控平臺、工程建設管理、系統管理，每個模塊下又包含多個子模塊，這些模塊共同組成了土石壩工程施工期質量管控平臺，保證工程建設安全、平穩的進行。模塊設計如圖7所示。

圖7 系統功能設計

可視化平臺是一個總控平臺，用于給用戶展現土石壩工程施工期建設最需要展現的一些功能，讓用戶有著最直觀的感受，所以系統中其它模塊的關鍵信息也會集成到可視化平臺中。關鍵信息在平臺中集成主要依賴于數據與模型的綁定，平臺中加載的模型可以很好地與地形進行適配，加載過程也采用了輕量化的加載方式，模型的每一部分都綁定了與其相關的質量、費用、進度等工程建設的一些關鍵信息，做到數據可視化。同時在可視化平臺中還添加了一些具體功能，比如模型定位、場地分析、工程算量等功能。

工程建設管理模塊包含的內容繁多，包括質量、物料信息、施工進度管理等。其中質量管理的一些功能頁面完全按照上文提到的質量管控流程來設計，形成了質量管理閉環，模塊是對本文提出的質量管理流程的具體應用。

3 系統應用效果

本系統依托我國云南省某土石壩工程，目前系統運行效果良好。

3.1 可視化場景加載

可視化場景的加載過程實際上是BIM模型在Cesium平臺中的融合過程，BIM模型與地形之間進行融合，二者間的數據信息兼容共存，不存在丟失的現象，最終呈現出來的可視化界面符合工程實際情況。本文通過Primitive方式渲染引擎底層，并且加載繪制BIM模型文件，實現模型在Cesium環境中的繪制展示以及可視化場景的加載，如圖8所示。

圖8 可視化主頁面

3.2 數據源信息加載

在可視化平臺中，加載的土石壩模型是分塊加載，每一塊都是一個.gltf格式的文件，通過調用Cesium中的add()方法將構成模型的所有.gltf格式文件加載到三維場景中。每一個壩塊上都附有與施工質量相關的信息，點擊壩塊后就會自動顯示，如圖8右側的數據源信息列表。這些施工數據信息是由工程建設管理模塊所提供，將信息與壩段相關聯，用戶就會在可視化界面看到這些信息，可以實現三維場景中的模型與附加數據源完美整合，方便用戶對施工過程及質量進行及時的掌握與指導，為施工過程質量管控打下了基礎。

3.3 質量管理數字化

土石壩工程施工質量管理包括質量計劃文件的編制、監理相關文件的編制、技術方案的管理以及質量檢查、隱患整改、質量驗收等，這些內容也是質量管理的步驟，上個步驟完成才開始下一步驟，由于這些文件及數據信息都存儲到統一數據庫中，如圖9所示。數據信息可以共享，所以下一步驟會比較明確的知道上一步驟何時結束，系統可以做到數據流通，實現數字化質量管理。

圖9 統一數據庫及表結構

4 結 論

本文將數據交互及分析過程融入到PDCA方法中，設計以PDCA方法為基礎的數字化施工質量管控流程，對PDCA方法在信息化方面進行了優化，提高PDCA方法在數字化、信息化施工過程中的應用程度，基于該質量管控流程開發了土石壩工程施工質量控制平臺，解決了土石壩工程施工數據交互困難以及共享困難的問題、保證了土石壩工程施工質量。