水利工程质量智慧检测管理系统建设——以浙江省为例

李艳丽，张 晔，赵 礼，傅国强，费华飞

（1.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江杭州 310012；2.杭州千家网络有限公司，浙江杭州 310011）

1 研究背景

水利工程质量检测是保证水利工程质量的重要手段，检测过程牵涉施工单位、监理（或法人）单位、检测单位和监督单位等检测相关单位和检测相关人员以及检测设备等检测资源，其中混凝土类、岩土类、金属结构类、量测类和机械类等五大类检测样品的取样、委托、参数检测和检测人员行为将直接影响检测数据的有效性，同时对检测数据的实时分析也为水利工程建设决策提供有益参考，因此，如何对水利工程质量检测样品、检测资源和检测数据进行有效的监管是水利工程质量的重要保证。

物联网作为信息革命新的浪潮，势必会对水利工程质量检测信息化和现代化产生影响，在构建智慧水利的背景下［1］，本研究通过将物联网与水利工程质量检测相结合，提出水利工程质量“智慧检测”的概念。在水利工程质量智慧检测过程中，要改变施工单位、监理单位、检测单位和监督单位等检测相关单位各自为政的局面，实现各单位的信息共享、业务协同以及检测过程统一化、透明化和科学化，需要进行智慧检测的顶层设计，为水利工程质量智慧检测管理系统建设提供基础支撑。目前，智慧检测顶层设计已在矿山领域和政府管理领域得到了初步的应用［2-3］，水利工程质量检测信息化也取得了一定的研究成果，建设了管理云平台、水利工程试验检测信息管理系统、水工混凝土结构智能化系统、灌浆施工监测、面板堆石坝工程压实实时监控系统以及土料含水、坝料压实状态的实时监管等［4-9］。当前，水利工程质量检测信息化主要是针对某项具体水利工程建设质量的检测，鲜有以省级行政区为单位的水利工程质量检测管理系统。因此，本文将以浙江省水利工程质量检测为背景，提出浙江省水利工程质量智慧检测顶层设计，开展水利工程质量智慧检测管理系统的建设，并对系统的建设目标、要求、组成和功能进行介绍，最后对系统的应用情况进行了初步总结。

2 浙江省水利工程智慧检测顶层设计

2.1 设计目标和理念

浙江省水利工程质量智慧检测顶层设计从全局出发，使检测相关单位的业务信息化理念与整个行业信息化理念一致，依据检测业务制订检测业务信息化目标，分析检测业务信息化的需求，将信息化目标分解为具体目标。顶层设计可实现检测资源和检测相关数据的共享，破除检测相关单位的信息障碍，推动检测相关单位的业务协同发展。

2.2 水利工程质量检测行业现状分析

水利工程质量检测行业现状分析是进行智慧检测顶层设计的前提，目前浙江省水利工程质量检测主要存在如下问题：部分检测原始数据手工记录；检测单位数量少、检测设备分散、单位检测人员少且存在人员借用现象等；检测单位资质类别和地区分布不均；检测过程不标准，报告标准不统一；检测行业存在恶性竞争现象；施工单位、监理单位、检测单位和监督单位之间的协同性差；检测行业监管重结果、轻过程，导致样品取样不真实、检测过程无法溯源和检测报告数据造假等；检测单位信息化建设水平不同，各地区检测系统分散建设；检测资源和检测相关数据没有形成统一管理等。

2.3 水利工程质量智慧检测框架与技术体系

2.3.1 构建智慧检测框架

建立基于物联网的浙江省水利工程质量智慧检测管理系统，目的是将检测样品、检测设备、检测单位和检测数据连接于统一的网络。智慧检测框架包括感知控制层、数据传输层、数据动态组织和管理层和应用决策层等4层［10］。其中，感知控制层实现五大类检测样品标识、位置信息和检测数据的获取，包括样品现场取样和委托、室内和现场条件下样品参数检测、报告生成以及检测过程行为监控等；数据传输层用来将感知控制层产生的各种检测数据汇聚并实时传输至云数据中心；数据动态组织和管理层用来对检测相关数据（如基础数据、检测数据和统计分析数据等）、检测标准知识库、水利工程质量检测规范和标准的海量存储；应用决策层用于样品参数实时和历史检测数据的计算、分析和挖掘，准确判断水利工程质量状况和变化趋势，为智慧检测管理系统提供依据。

2.3.2 建立智慧检测技术体系

智慧检测技术体系由感知识别技术、数据传输技术、云计算技术、大数据技术、数据可视化技术和服务中间件技术等组成［11］，是智慧检测顶层设计的重要支撑，感知识别技术是基础，数据传输技术和服务中间件技术是保障，云计算技术和大数据技术是关键，数据可视化技术是服务和呈现。其中，感知识别技术包括各种样品参数检测技术、基于射频识别（RFID）的样品追溯和防伪技术、现场取样人员图像匹配技术和检测设备增强现实（AR）识别技术、检测过程监控技术和电子签章技术［12-16］；数据传输技术包括移动通信网（4G）、互联网、Wi-Fi和蓝牙等；云计算技术包括云数据中心-硬件资源、云存储中心-云数据库和云服务平台-面向服务的架构（SOA）等［17］。

2.4 统一智慧检测标准体系

智慧检测标准体系涉及感知、数据传输、数据管理和应用等层面，具体包括：样品采集标准、样品委托流程和检测过程标准、样品委托编号和委托报告标准、检测样品参数标准、电子标签标准、基础数据（如检测相关单位及资质和检测相关人员及资质标准、检测报告格式和编号标准）、基础检测设备（各种感知设备和视频监控设备）以及数据统计分析标准等。统一智慧检测标准体系，可实现浙江省水利工程质量检测数据整合和共享，避免检测项目重复建设，保证检测行业健康发展。

2.5 实施路线与保障措施

智慧检测顶层设计是一个系统工程，涵盖了智能物联设备（如检测设备、网络硬件等），物联网最新技术、标准制定、系统构建和推广应用等多个方面，因此智慧检测顶层设计联合企业、高校和政府一起攻关，加大科技项目支持和人才队伍建设，制定总体工作计划和分步组织实施方案，在设备研发、技术创新和推广应用等方面形成体系。

3 浙江省水利工程质量智慧检测管理系统建设

3.1 系统建设目标

（1）满足浙江省水利工程质量检测相关单位业务需求，提供标准化、智能化和集中化的检测业务系统。

（2）实现水利工程质量样品检测网上委托，简化委托流程，遏制样品取样造假行为。

（3）规范和监管检测过程，提高样品检测和监管效率，落实水利工程质量检测责任。

（4）实现检测数据实时分析、挖掘和质量预测，及时预警水利工程存在问题。

3.2 系统建设要求

根据建设目标，浙江省水利工程质量智慧检测管理系统应具有先进性、前瞻性、扩展性和兼容性、方便性、可靠性及稳定性。因此，系统采用模块化设计、多层结构、富客户端技术以及Ajax、JavaScript框架技术［18］，界面简洁和操作简单，实现检测相关单位无障碍连接和使用。

3.3 系统组成

在智慧检测顶层设计的前提下，浙江省水利工程质量智慧检测管理系统由样品（施工）采集系统、样品（监理或法人）采集系统、样品参数检测系统、检测监督系统等4个子系统组合而成。系统的基本功能架构如图1所示。

图1 浙江省水利工程质量智慧检测系统基本功能架构

3.4 系统功能

浙江省水利工程质量智慧检测管理系统在完成检测业务的同时，还具有检测过程的监管功能。

3.4.1 样品追溯和防伪

为实现样品追溯和防伪，本研究提出了一种基于监督识别码和RFID标签技术双重校验样品追溯方法，在RFID标签上带有监督识别码和RFID芯片，RFID芯片带有唯一ID号。首先，施工单位和监理单位的取样人员从监督单位领取RFID标签，并将工程名称、取样部位等样品信息录入系统云数据库中，将样品信息和监督识别码关联；其次，在现场将标签植入样品，见证人员通过移动端填写样品信息，在拍摄样品和标签的同时将GPS定位信息和时间信息叠加到图像上，然后上传至检测样品（施工）采集系统和样品参数检测系统；最后，将检测样品送至检测单位，检测单位等通过阅读器扫描RFID标签，获取芯片ID号和监督识别码并与云数据库内的ID号和监督识别码相匹配，对样品参数开展检测。样品图像实现了取样样品、取样时间、取样地点的三合一，完成了样品的追溯和防伪，最大程度地保证样品取样和检测结果真实性。具体流程如图2所示。

图2 浙江省水利工程质量智慧检测管理系统样品追溯和防伪流程

3.4.2 样品委托和参数检测

样品施工单位、监理单位或法人采集系统用于实现现场样品取样和网上委托，样品信息包括取样工程名称和部位、取样信息（日期和规格）以及见证人员，委托信息包括委托单位、日期、检测项目的参数及相关委托人，形成带有二维码防伪的委托报告并提供样品台账和报告查询。样品参数检测系统为检测单位提供样品流转服务，形成检测任务单并运用智能物联设备进行样品参数检测，获取检测数据生成检测报告并通过传输技术实时上传，检测报告封面自动生成二维码，并利用电子签章技术盖章和检测人员签名，扫描二维码可以获取检测信息。检测完成后，形成检测历史台账，检测人员可对检测报告进行监管，包括检测项目核对和参数审核。

3.4.3 检测相关单位和人员监管

监理单位或法人样品采集系统和样品参数检测系统还可用于对检测和监理人员、单位信息和工地实验室进行统一管理，为检测业务提供检测单位和人员信息服务，优化人力资源，可以避免检测单位资质乱用以及检测人员在不同检测单位之间借用的现象。

3.4.4 在线设备监管

样品参数检测系统用于对物联设备所在单位、信息和性能状态等方面的管理。检测监督系统可以实现检测设备的运行情况和联网率的实时监控，获取检测设备使用情况。另外，还可对检测设备进行安全监管和基础维护监管，保证检测设备处于检定周期内，更好地为检测相关单位提供设备服务。

3.4.5 检测人员行为监控

在室内对样品参数进行检测时，利用视频监控技术对检测人员的检测行为进行监控，实现检测行为的远程监控和记录。每个物联检测设备上均有二维码，通过扫描二维码可获取检测行为监控图片并上传至检测监督系统，实现人员、时间、地点和设备检测信息四合一，完全可以避免检测人员的违规行为。

3.4.6 工程项目和检测报告监管

检测监督系统实现了工程项目和样品检测报告的管理。检测监督系统汇集了施工单位、检测单位、监理单位和监督单位的样品委托报告和检测报告，报告采用统一的模式，利用检测报告多次上传的数据对比可判定数据是否有过修改，同时可对检测单位数据上传的及时性进行监督，发现异常情况立即进行警告、纠正，从多方面保证检测结果准确性。

3.4.7 现场参数检测和监管

现场参数检测系统用于水利工程质量现场检测和监管，利用现场智能检测设备和移动端完成现场检测业务并对检测人员和检测过程进行监管。现场类智能检测设备包括混凝土回弹仪和非金属超声检测分析仪，结合无线传输技术将检测数据实时上传至移动检测监督终端。在现场检测过程中，利用移动端、图像识别技术和AR技术对现场检测过程进行监管：基于图像识别技术开发了检测人员识别系统，利用移动端拍摄检测人员图像与云数据库人员信息进行对比，判断检测人员是否到达现场；基于AR技术开发了现场检测设备识别系统，利用移动端对检测设备标牌拍摄和识别，将随机生成的文字或虚拟图像叠加到图像上，通过云数据库匹配后调出检测设备信息进行比较，判断检测设备是否在检定周期内；通过移动端可实现检测数据多维的汇总统计，扫描检测报告二维码可查询系统中检测报告的详细信息，追溯检测报告的原始数据、原始曲线和检测图像等。

3.4.8 多维统计分析

为了对检测数据进行分析和挖掘，及时对检测过程进行监管，服务于浙江省水利工程质量，检测监督系统提供了检测数据统计分析功能，能够按多维要求分项统计各类报表内容（见表1），生成Excel或PDF报表、柱状图、拆线图和饼状图等，并采用数字可视化技术呈现。多维统计分析可以分别从监督单位、检测单位、工程统计和工程分项统计等多个节点和角度进行，根据统计分析结果对检测报告的不合格率、检测时间是否异常、样品是否逾期、检测计划的完成情况和建筑材料的使用方面等进行全面监管。

表1 浙江省水利工程质量智慧检测管理系统多维统计分析功能

4 浙江省水利工程质量智慧检测管理系统应用

通过建设浙江省水利工程质量智慧检测管理系统，实现检测样品（施工）采集系统、检测样品（监理）采集系统、样品参数检测系统和检测监督系统等4个子系统的运行，改变了浙江省水利工程质量检测业务模式由分散走向集中（见图3），实现了五大类样品参数检测数据和检测报告的自动采集、实时上传和分析。

图3 浙江省水利工程质量智慧检测管理系统检测业务模式的转变

截至2019年9月，浙江省水利工程质量智慧检测管理系统将浙江省水利工程质量检测资源纳入统一监管，检测设备均完成硬件升级，实现了与计算机智能物联，提高了检测资源利用率。系统实施共整理混凝土类、岩土类、金属结构类、量测类和机械类等五大类样品检测参数651项，其中A类参数121项，B类参数192项，其余为C类参数，主要为金属结构类、机械电气类和量测类；制作A类和B类样品参数检测报告标准化模板共40份，其中A类检测报告特点是全自动采集，由智能检测设备和计算机自动生成，数据不能人为修改，B类报告的部分数据可以人为修改，C类报告检测报告是用数据和文字对检测样品的定性描述。系统共收集150 660份质量检测报告并进行多维统计分析，以检测单位维度为例，可对每个检测单位按检测大类统计，其中混凝土类129 646份、岩土类19 678份、金属结构类558份、机械电气类76份、量测类702份，不合格数3 707份，不合格率2.46%；按检测小类统计，混凝土88 891份、钢筋9 878份、水泥5 410份、骨料7 963份、砂浆6792份，另外，检测单位的修改报告统计为19 351份，并对修改原因进行说明，对每个检测单位参与的水利工程数量、报告合格数和不合格数以及不合格率也进行统计分析，对浙江省内各行政区域水利工程、合格报告和不合格报告数进行统计，还有其他统计分析等。根据水利工程质量检测相关数据及分析结果，及时发现水利工程质量问题并进行反馈和处理。

5 结论

浙江省水利工程质量智慧检测顶层设计为智慧检测管理系统的建设提供了思路，浙江省水利工程智慧检测管理系统建设已初步完成并投入使用，为浙江省水利工程质量检测和监管提供了统一的平台，促进了检测业务模式的转变，真正实现了浙江省水利工程质量检测业务集中式服务和检测过程监管，使检测效率大大提高，加快了浙江省水利工程质量检测信息化的进程。智慧检测管理系统汇集了浙江省水利工程各种质量检测数据并能够进行多维统计分析，可从宏观上了解浙江省水利工程建设质量。下一步需采用评价分析模型对系统汇集的检测数据进行进一步挖掘分析，以使水利工程质量评价更加全面。