基于物联网的黄河下游防洪工程质量智慧检测

于晓龙，徐洪增

（山东黄河河务局工程建设中心，山东济南250011）

黄河下游防洪工程包括堤防工程、水闸工程、河道整治工程等，为保障黄淮海平原防洪安全和工农业发展、经济繁荣做出了巨大贡献。质量检测是保证黄河下游防洪工程高质量建设的重要环节之一，其类别包括岩土工程、混凝土工程、金属结构、机械电气和量测等五个类别，在检测过程中涉及到项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位、检测单位、以及检测人员、监督人员、监理人员、检测设备、检测报告等。

黄河下游防洪工程质量检测过程包括样品取样、委托、样品检测以及反馈等四个环节，主要是对样品检测结果进行管理。检测过程中不仅对样品取样、检测真实性以及检测数据传输、存储、分析和反馈决策实时性无法保证，而且对检测样品、单位、人员、检测设备并没有形成统一的管理，检测效率较低。近几年，水利信息化的发展不仅为水利工程质量检测带来了新的技术[1]，也带来了水利工程质量检测管理的变革。目前黄河下游防洪工程质量检测信息化发展较慢，2018年进行了智能测流系统的建设[2]，用于对水闸含沙量与流量的测量以及远程监控，黄河下游防洪工程质量检测还没有形成统一的管理。物联网作为现代信息革命第三次浪潮，近几年，在工业[3]、农业[4]、城市建设[5]和环境[6]等各个领域得到了应用，同时提出了各种物联网新理论和新技术，如安全运行方面的模糊逻辑方法[7]和图像安全加密[8]，通过协作式物联网来提高物联网可靠性和提供更好的服务[9]，大数据传输方面的基于决策反馈均衡的调制技术的大数据通信调度方法[10]，保证物联网服务质量方面的保证QOS分组调度方案[11]以及物联网的公共价值观[12]等。在水利行业，物联网的发展促使水利信息化由数字水利转变为智慧水利成为现实[13-15]，国内外学者对智慧水资源[16]、智慧水环境[17-18]、智慧灌溉[19]等进行了研究，并取得了较好的效果。在水利工程质量检测行业，智慧检测观念开始形成，智慧检测可以克服传统检测过程的缺点，但智慧检测需在顶层设计理论的指导下，才能更好地为黄河下游防洪工程质量检测服务。因此，笔者首先结合物联网建立黄河下游防洪工程质量智慧检测顶层设计，提出黄河下游防洪工程质量智慧检测的总体结构，介绍防洪工程质量检测和管理系统的研发思路，最后分析智慧检测对黄河下游防洪工程质量检测管理带来的影响。

1 黄河下游防洪工程质量智慧检测顶层设计

1.1 顶层设计内容

基于黄河下游防洪工程质量检测现状，依托物联网和云计算，明确防洪工程质量检测智慧顶层设计需解决的问题，提出智慧检测总体结构，开发质量智慧检测管理系统，为检测业务提供服务和管理。黄河下游防洪工程质量智慧检测顶层设计对检测管理变革具有重大意义，一方面适应物联网发展和黄河下游防洪工程检测现状的需求，另一方面推动黄河下游防洪工程项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位等的信息共享和业务协同，进一步提升检测管理的高效化和科学化。

1.2 需解决的统一问题

1.2.1 理念统一

质量管理部门对黄河下游防洪工程质量检测历史、现状、未来发展前景需有全局的掌握和独到的见解，防洪工程质量检测有关单位和人员对于顶层设计的理念应统一起来，全局观是整个顶层设计都必须坚持的理念。打破目前检测业务中的各种壁垒，解决职能交叉和机构重叠等问题，真正贯彻统一领导和统一指挥的原则。

1.2.2 规划统一

顶层设计规划的内容有检测资源（单位、人员和设备等）规划、检测报告规划、物联网技术规划和基础设施设备规划等，需统一规划，还要考虑检测数据交互、检测业务交叉等问题，这样智慧检测才能解决检测信息孤岛、数据堆积和跨单位合作不畅等问题。

1.2.3 框架和技术统一

物联网的发展为顶层设计的框架提供了基础，感知层、传输层、数据层、应用层共同搭建了顶层设计的基础框架，项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位需按照统一的框架体系进行设计，才能避免检测数据孤岛的出现，实现黄河下游防洪工程质量检测有关单位间的业务合作与信息共享。

1.2.4 检测标准统一

统一黄河下游防洪工程质量检测标准是实现检测数据交互、业务协同、打破信息交互壁垒的重要工作。在顶层设计中，需要统一的标准主要包括业务流程标准，样品采集和委托标准，检测数据和报告标准，数据采集、交换和传输标准，数据存储和管理标准，安全和服务标准和协议标准等[20]。

1.2.5 基层设计统一

项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位需结合本单位实际情况，如检测人员、检测数据、检测设备和管理体制等，结合本单位对于检测业务信息化的思路和需求，制定检测信息化目标和业务目标，将检测信息化目标分解细化为各个检测单位内部的具体目标，使智慧检测顶层设计得以实现。

1.2.6 支撑项目统一

智慧检测是一项系统工程，需要各种相关项目来支撑，不仅包含各种设备（如检测设备、网络硬件等）方面的投资，还应包括物联网最新技术方面的工程项目，如样品防伪技术、大数据算法技术和检测管理系统的开发等。

2 黄河下游防洪工程质量智慧检测总体结构

在顶层设计指导下，结合物联网定义和监控跟踪应用模式[21]，提出黄河下游防洪工程质量智慧检测的概念，即通过感知层、传输层、数据层和应用层实现五大类检测样品采集和参数检测，检测数据实时传输、存储和分析以及防洪工程质量实时决策。智慧检测的目的是将检测样品、检测设备、检测单位及人员、检测数据等通过互联网连接于一个统一的网络，不仅实现集中式服务和管理，而且有利于定位、监控和追溯。

2.1 感知层

感知层是智慧检测的底层，用于获取五大类样品的检测数据，包括各种参数传感器、智能检测设备、视频监控设备、手机端、RFID阅读器等感知和识别设备。涉及的感知和识别技术包括智能设备参数检测技术、样品射频识别技术[22]、传感器技术、检测过程视频监控技术、基于图像匹配的人脸识别、基于AR技术的检测设备识别[23]、检测设备和人员定位技术（GPS）、二维码技术等。可以保证样品的唯一性、设备的可控性、检测过程和人员行为的规范性，是检测数据可靠实时传输的基础。

2.2 传输层

传输层是智慧检测的第二层，用于将感知层得到的五大类样品检测数据进行传输，可采用基于网关和IPV6的网络层设计[24]，涉及到的数据传输技术包括移动通信网、互联网、无线网络、蓝牙、WIFI、NFC等传输技术、IP承载技术、异构网络融合接入技术等[25]。各种传输技术需结合室内检测和现场检测具备的传输条件进行选择，可以保证检测数据在各种智能检测设备操作条件下实时地传输。

2.3 云计算平台

2.3.1 数据层

数据层处于智慧检测的第三层，是智慧检测的核心层，不仅用于传输层上传的检测数据存储，还有各类基础数据，如检测单位和人员信息、设备信息、检测标准和规范、检测报告模板等，还包括检测统计分析数据等。因此，需要建设云数据中心，云数据中心用于存储数据，包括基础数据、视频监控数据、检测数据、统计分析数据等。每类数据都有相应的模型标准，基于数据模型，异构数据可以在智慧管理系统上交互和存储，数据中心通过数据模型来管理各类检测数据，大数据分析和处理、质量评价、数学可视化都通过数据模型为接口来访问各类检测数据，实现检测数据的统一管理。采用的技术包括云计算技术、并行技术和数据库技术（NoSQL）[26]、大数据分析和处理技术[27]、质量评价技术（如模糊评价、灰色关联和小波分析等）[28-30]以及检测数据加密和安全技术等。云计算技术与并行技术以及大数据分析和处理技术密不可分，检测数据是云数据中心的基础，并行技术以及大数据分析和处理可对海量检测数据进行挖掘，但需要借助云计算技术的分布式处理、云存储和虚拟化技术[31]。五大类样品检测数据时空尺度不一致，可采用多尺度联动更新和网络抓取汇聚更新等技术实现时空数据更新和融合[32]。如果存在检测数据缺失，可根据数据特征采用最优混合代替法或统计相关性法解决[33-34]。以上技术保证了各类检测数据（视频、图像、数据和文字等）的有效存储、整合、共享和实时分析。

2.3.2 应用层

应用层是智慧检测的最高层，用于对各类检测数据和分析结果进行显示，完成黄河下游防洪工程质量分析等任务，为防洪工程质量宏观决策提供依据。云服务中心提供的服务包括视频监控服务、单位和人员管理服务、检测设备管理服务、样品采样流程、检测数据和检测报告管理服务、样品检测和检测过程管理服务、检测数据多维统计分析服务和数据分析可视化服务等。采用技术包括面向服务的架构技术（SOA）、数据可视化技术、专家系统和系统集成技术，涉及到各类显示设备，如计算机和大屏幕等，显示各类检测数据和数据分析结果（如直方图、饼状图等）。

3 黄河下游防洪工程质量检测管理系统研发

3.1 系统建设目标

（1）实时准确进行黄河下游防洪工程质量检测，科学预判质量问题，并为质量管理决策指挥提供可靠依据。

（2）为检测单位、施工单位、监理单位、项目法人（监督单位）提供智能化、可视化的检测业务服务平台，提升项目法人（监督单位）的防洪工程质量监管能力，快速、高效、准确地完成管理部门下达的各项检测任务，及时对检测各单位提供检测资源和检测数据信息服务。

（3）制定统一的检测标准，包括国家和地方检测标准规范、检测框架和技术标准、数据标准、检测报告标准等，用于指导防洪工程质量检测和管理建设。

（4）设计架构开放，保证检测单位、施工单位、监理单位、项目法人（监督单位）无障碍连接到系统，同时保障系统稳定运行和高可靠性。

3.2 系统业务流程

系统业务流程要满足黄河下游防洪工程质量检测单位、施工单位、监理单位、项目法人（监督单位）服务需要以及实时管理需要。室内检测业务流程见图1。

图1 系统业务流程

对于现场检测业务流程，与室内检测的不同在于需要委托在现场进行，然后开展现场检测，通过移动端检测和管理系统将数据上传并生成检测报告。

3.3 功能架构设计

系统功能架构见图2。

图2 系统功能架构

3.3.1 检测资源管理

检测资源管理包括检测单位、检测设备和检测人员等信息管理。对于检测单位，包括单位名称、检测资质、联系方式和负责人等信息；对于检测设备，包括设备型号、检定信息和使用信息等；对于检测人员，包括所属单位和人员资质等。

3.3.2 检测业务服务

检测业务服务是检测和管理系统的基础，包括室内样品参数检测和现场参数检测。对于室内检测，实现施工单位和监理单位检测样品网上委托、查询和检测单位收样，实现检测数据和检测报告自动采集生成。现场检测可实现现场委托、检测地点定位、检测人员识别并实时上传形成检测报告。检测报告格式和文本样式实现统一化、标准化和真伪性识别，系统具有报告查询和下载功能。

3.3.3 检测数据管理

检测数据管理是黄河下游防洪工程质量智慧检测的真正体现，主要服务于监督单位。检测数据管理要实现检测数据的显示，可根据检测数据对工程质量进行评价；实现检测报告按检测单位、监督单位、工程项目和工程类别等维度进行查询、统计和分析；最后根据评价和统计分析结果对工程项目进行质量判定，掌握水利工程建设质量现状，同时为质量控制提供参考分析。

3.3.4 检测实时监控

检测实时监控包括检测过程监控、检测设备监控和样品取样监控，达到规范检测流程的目的。检测过程监控是对检测人员的检测行为进行视频监控；检测设备监控是对设备的运行时间和工作状态进行监控；样品取样监控保证样品在取样和委托过程中的唯一性和溯源性。检测报告监控对检测报告修改情况以及上传及时性进行监控。

3.4 项目技术路线

首先开展黄河下游防洪工程质量智慧检测顶层设计，其次构建智慧检测总体结构，最后在考虑黄河下游防洪工程质量检测业务需求的基础上，采用主流语言和成熟系统架构（B/S）开发黄河下游防洪工程质量检测和管理系统，项目技术路线如图3所示。

图3 项目技术路线

4 黄河下游防洪工程质量智慧检测的影响

4.1 管理特征

4.1.1 管理智能化

智慧检测可推动黄河下游防洪工程质量检测管理走向智能化，实现检测样品从采集、参数检测到检测数据实时存储、分析、决策以及数据可视化等各个环节的智能化管理，检测管理始终处于样品采集—参数检测—检测数据实时上传—检测数据实时分析—质量管理实时决策的循环模式。

4.1.2 管理虚拟化

检测业务中检测资源如智能检测设备、视频监控设备、数据存储设备、检测样品、单位及人员、检测报告等，通过虚拟化技术加以抽象并以集中的方式对检测资源管理，可以实现黄河下游防洪工程质量检测资源的优化和高效管理，从而不受现有检测资源的地域和时间分散限制。

4.1.3 管理协作化

在智慧检测中，检测样品、单位及人员、检测设备和检测数据通过互联网连接在一起构成巨大的网络系统，可实现样品和样品、数据和数据、单位与单位以及人员和人员之间沟通和交流，可实现检测资源共享和整合，加强各单位和人员协作性和业务联系，促使检测业务中相互依存的关系不断增强。

4.2 管理体制的转变

黄河下游防洪工程质量检测管理涉及单位多、设备多和人员广，智慧检测可以切实转变检测管理体制，与传统的检测管理相比，黄河下游防洪工程检测管理将实现以下三个转变。

4.2.1 检测管理组织结构的转变

传统的检测管理组织结构为金字塔式结构，特点是管理幅度小、管理层次多、管理职能严格划分且施工单位、监理单位以及检测单位只能掌握较小的检测资源信息。过多的管理层次不仅使检测业务复杂化，而且检测数据传递的速度低以及数据容易失真。智慧检测可以促使检测管理组织结构由金字塔式向扁平式转变，即通过增大管理幅度而减少管理层次，使检测数据的传递速度变快和数据失真的可能性变小，从而可以及时发现黄河下游防洪工程存在的质量问题。

4.2.2 检测资源管理方式的改变

目前黄河下游防洪工程质量检测资源总体上存在着资源分散、管理低效和共享受阻等问题，这使得施工单位、监理单位以及检测单位之间难以互通互联和资源共享，导致协作不畅。智慧检测通过搭建统一的智慧检测与管理系统，利用系统的数据整合作用，能够有效地共享检测资源，实现不同单位的检测资源整合，实现一站式服务，提高检测管理效率。

4.2.3 检测管理职能的转变

防洪工程质量检测管理职能转变是检测管理的核心，智慧检测的提出为黄河下游防洪工程质量检测管理职能转变提供了机遇和良好的技术支撑。智慧检测下的检测管理可整合检测资源和检测数据，单位之间的协作将更加重要，这些必然加快检测管理职能的转变。传统检测管理职能以管控为主，而智慧检测管理职能则以施工单位、监理单位以及检测单位之间的关系协调为主。

智慧检测下的检测管理是流程管理和职能管理的组合，是以流程为主、管理职能为辅的管理结构，职能管理不能脱离流程管理而存在，职能管理为流程管理提供设计和服务。而施工单位、监理单位和检测单位业务要求是检测业务职能管理中重点关注的内容，为流程管理设计提供依据。流程管理带来的检测管理变革主要体现在以下几个方面：

第一，检测数据和检测资源传递方向发生改变，由从下向上传递方式变为各单位间多向和互动传递方式，可消除项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位检测数据和检测资源不对称问题，更加全面与有效。

第二，检测数据和检测资源实时获取为检测管理工作提供基础支撑，为黄河下游防洪工程质量有效决策提供保障。

第三，黄河下游防洪工程质量检测管理系统将为项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位提供高效一站式服务，所有检测业务如样品采集、参数检测、数据存储和实时分析等集中在检测管理系统中实现，极大减少了智慧检测建设资源重复，实现检测业务质量的快速发展。

第四，智慧检测数据和检测资源的全面整合和共享，可使项目法人（监督单位）、施工单位、监理单位以及检测单位检测业务专业性大大增强，施工单位可以专注于施工质量，检测单位专注于样品检测和检测数据的准确性，监督单位可以专注于组织决策而提高防洪工程质量的决策精度。

目前，黄河下游防洪工程质量检测强调结果性管理，智慧检测将促使检测重结果轻流程向重结果重流程转变。检测流程管理具有导向性、效率性和协作性等明显优势，智慧检测的智能、虚拟和协作等管理特征为检测流程管理的实现提供了基础，流程管理成为一种实时和可控的过程。

5 结 语

物联网时代的到来为黄河下游防洪工程质量检测信息化发展提供了机遇，笔者结合黄河下游防洪工程质量检测信息化的现状，提出了加快黄河下游防洪工程质量检测信息化的思路，即黄河下游防洪工程质量管理部门需重视顶层设计，在解决统一问题的基础上，进行黄河下游防洪工程质量智慧检测的框架设计以及检测管理系统的开发，才能实现防洪工程质量检测集中式服务。智慧检测必然促使黄河下游防洪工程质量检测管理产生一系列变革，提高工程质量检测和管理效率，保证防洪工程高质量建设。