塑料排水板施工质量监管信息系统研发

陈海波，沙海明，王加伟

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.南京水科院瑞迪科技集团有限公司，江苏 南京 210029；3.河海大学，江苏 南京 210024）

0 引言

国内引进塑料排水板加固软基技术，至今已有四十多年的历史，在不同工程中被广泛应用，取得了良好效果。排水板打设深度准确到位是保证软基加固效果的关键因素，确认排水板的打设深度是施工质量监管的难点，对于打设深度监测、检测技术的研究，业内技术人员进行了长期的探索。

徐新民等[1]1999 年研发的排水板施工质量自动记录及监控系统，通过采集套管位移量数据来计算打设深度，实现实时监控；杨锋[2]2012 年研发的排水板施工智能控制系统，通过安装在卷扬机端头的滚动计数器采集套管下插深度来计算打设深度；而程英武等[3]2021 年设计的基于PLC 和编码器的自动监测系统，是通过测深编码器采集卷扬机钢丝绳进出长度，进而由PLC 计算套管下插深度得出打设深度。这3 种监控系统的原理，均是通过套管下插深度间接得出打设深度。娄炎等[4]2004 年介绍了“数字式”和“铜丝式”2 种可测深排水板，“数字式”是在排水板滤膜上印制数字和刻度，打设后根据刻度来计算打设深度；“铜丝式”是在滤膜接缝处放置2 根铜丝，通过测量铜丝的电阻来计算排水板的打设深度。

地基处理工程质量监管是行业监管的重点内容之一，其中排水板施工监管是待补充的短板。随着物联网的快速发展，运用信息化技术手段，对排水板从生产到施工全过程进行信息化质量监管，实现排水板产品生产和施工过程可追溯，是行业发展的趋势，值得深入研究。

1 系统设计

1.1 系统设计总体思路

以体现系统的技术特性、满足用户使用需求为原则，梳理排水板施工业务流程，构建业务模型；再以业务模型为基础，将业务需求拆解为关键技术和重要管理2 大类并加以分析；最后根据业务模型和业务需求分析结果，以数据采集层、基础设施层为基础，建立面向用户的排水板施工质量监管信息系统。

1.2 排水板施工质量监管信息系统

1.2.1 业务流程梳理

为了对排水板施工业务有清晰的认识，需要对排水板施工业务流程进行梳理，明确用户类别、业务场景、流程和相关规则，厘清不同用户在不同场景下的操作要求。业务流程以QR 二维条码为传输媒介，采用“一物一码”技术建立可追溯体系。系统用户主要包括排水板生产工厂、项目部、施工班组和监管方。项目部将项目信息和施工参数发布给系统平台，并将排水板技术指标发送给工厂安排生产；工厂根据排水板技术指标向系统申请二维条码包，获得带有产品信息的二维条码，生产出带有二维条码的信息化排水板；班组打设过程中实时采集信息化排水板产品和施工数据，并将数据信息上传至系统数据库；监管方对项目部管理过程和班组打设过程实时监控。项目部与监管方可通过系统进行数据应用。

根据业务流程梳理构建的排水板施工业务模型见图1。

图1 排水板施工业务模型图Fig.1 Drainboard construction business model

1.2.2 业务需求分析

系统架构设计应聚焦业务需求，业务需求分析是系统架构设计的前置条件。以排水板施工业务模型为基础，参考朱可嘉等[5]可计量需求分析方法，将排水板施工业务需求分为关键技术需求和重要管理需求2 个方面。其中，技术需求分析是产品可计量性分析的核心，管理需求分析则体现了实际施工过程的可操作性和便利性。可计量性需求分析架构见表1。功能需求分析架构表是系统架构设计的核心参考和依据。

表1 需求分析架构表Table 1 Requirements analysis architecture

1.2.3 系统架构设计

系统总体架构是以标准规范和安全保障体系为支撑，以数据采集层、基础设施层为基础，以数据层和业务应用层为核心，面向用户层的监管应用体系，向系统用户提供信息服务。

参考JGJ/T 434—2018《建筑工程施工现场监管信息系统技术标准》[6]，设计的系统总体架构如图2 所示。

图2 系统总体架构图Fig.2 Overall system architecture

1.2.4 编码规则

编码规则是规范排水板二维条码信息内容所要遵循的规则，便于二维条码的识别和应用。二维条码具有唯一性，一个二维条码对应唯一一个生产厂家制造的唯一一盘排水板，且刻度信息唯一。二维条码一旦赋予给某一盘排水板中的某一刻度，不得再次赋给其他盘排水板使用。二维条码由19 位阿拉伯数字组成[7]，其中，第1～6 位为生产日期代码，第7～8 位为生产厂家代码，第9～10 位为生产流水线代码，第11～12 位为规格型号代码，第13～15 位为盘号代码，第16～19 位为长度刻度代码。二维条码标示的生产厂家名称、排水板规格型号应与行政许可核发信息一致。

1.2.5 信息化排水板生产

信息化排水板生产包括产品信息输入模块、信息编码模块、二维条码生成模块和印制模块。在产品信息输入模块输入排水板生产日期、生产厂家、生产流水线、规格型号、盘号、长度刻度等产品信息；信息编码模块将输入的产品信息编译保存至代码中；二维条码生成模块将代码转换为二维条码；最后通过印制模块将二维条码印制在排水板滤膜表面，完成信息化排水板的生产。

1.3 系统应用项目信息设置

排水板施工前，项目部在系统内创建新项目，设置项目信息，主要包括项目管理信息和施工参数信息。项目管理信息主要包括工程名称、处理区域划分、桩机与班组安排等信息，施工参数信息主要包括排水板施工的设计和规范要求（包括区域面积、排水板、型号、排水板间距等的设置，桩机与班组的划分）。设置的项目信息为班组施工起提示作用，并作为系统数据处理的依据。

1.4 班组施工数据采集

数据采集界面见图3。

图3 条码手持终端数据采集界面实物图Fig.3 Example diagram of data collection interface for Barcode handheld terminal

项目部设置项目信息后，班组采集施工数据。采集数据采用消费类手持终端智能手机作为条码扫描识别器，其功能先进，自带操作系统、人机界面和电源，具有数据存储及计算能力，能与其他设备进行数据通讯，可二次开发，便于携带，易操作。

用于采集数据的二维条码在打设后的排水板上的位置如图4 所示。

图4 采集数据二维条码位置示意图Fig.4 Schematic diagram of QR code position for data collection

采集施工数据具体步骤如下：

1）桩机就位，排水板穿过套管，用终端智能手机扫描排水板下端板头起始码，并即时上传数据至数据处理模块；

2）安装管靴，插设套管至控制高程，再提升套管出地面并割断排水板，完成第1 根排水板打设，扫描排水板外露的板头端码，并即时上传数据至数据处理模块；

3）桩机移至下一板位，安装管靴，插设套管至控制高程，再提升套管出地面并割断排水板，完成第2 根排水板打设，扫描第2 根外露的排水板板头端码，并即时上传数据至数据处理模块；

4）依此类推，直至当前班组完成最后的第n根排水板打设，扫描第n 根外露的排水板板头端码，并即时上传数据至数据处理模块，结束当前班组施工。

1.5 数据库和数据处理

1）数据库

数据处理单元将收到的排水板项目信息数据、班组施工信息数据、排水板二维条码所含信息数据进行处理后存储于数据库中。数据库内设排水板施工记录表，用以存储数据处理单元从条码采集模块收集并处理的信息数据。

2）数据处理

由于排水板打设速度较快，排水板施工记录目前很难被人工即时记录，多为补录，不能真实反映施工过程。为了真实记录打设深度，专门对深度算法进行优化：施工记录表记录信息还包括计算深度及判别结果，计算深度由数据处理单元根据预设深度算法计算得到；判别结果由数据处理单元根据预设判别算法计算得到。

打设施工时，系统按序号顺序逐条读取记录信息，深度计算式为：深度=当前记录信息板头端码所含长度刻度-上一条记录信息板头端码所含长度刻度-损耗式中：损耗为外露长度与管靴留置长度之和，外露长度、管靴留置长度来源于区域划分和施工参数信息数据。

处理过程中有2 个特殊情况：1）每次班组施工前，需要将上一条记录信息的板头端码重新标识为起始码；2）当前盘号的排水板用完后接长，需要在深度计算式中加一盘排水板的长度200 m。

按预设深度算法计算得到的深度值，若小于施工参数信息设置表中设计深度允许误差的下限值，则判别结果为“短板”；若判断记录信息中的盘号与上一条记录信息中的盘号不同，则判别结果为“接头板”。

1.6 数据应用

数据应用单元以数据库为基础向用户提供数据应用服务，包括报警、查询、输出、追溯等。1）报警模块在数据处理单元对打设判别结果为异常时发出提示信息；2）查询模块接到查询指令后，在数据库中查找符合条件的数据并予以显示；3）输出模块接到输出指令后，在数据库中查找符合条件的数据并提供打印接口或下载接口；4）追溯模块接到质量检测指令后，在数据库中查找与二维条码对应的排水板产品信息数据、以及与该排水板对应的排水板施工记录表并予以显示。

2 工程应用

系统在上海某工程中试用，在严格保证信息化排水板生产质量和打设深度的前提下，对打设深度监管效果进行测试。施工班组通过终端智能手机扫描已经打设的排水板板头端码，将二维条码信息传输给系统后台，系统后台将排水板生产信息、项目信息和施工信息进行计算并分析，计算结果存储于排水板施工记录表中，表中即时显示计算分析结果，包括打设深度、状态（正常、深度异常和时间异常）、累计有效根数。系统后台完成施工记录存储后，即时将关键记录发送给班组终端智能手机。完成单根排水板施工数据采集、系统后台计算存储、班组接收关键记录的总时间保持在4 s 以内，能够满足对打设深度即时监管的需求。应用中的不足之处在于，每根排水板打设完成后，需要增加一个扫码动作，增加了作业工人的劳动强度。

由于信息化排水板滤膜上印制的二维码具有可追溯性，使一个项目设计需要的排水板数量与现场实际打设的数量可以按进度实时匹配，并且一个项目生产的排水板很难在其他项目上使用，从技术上提高了“减料”行为的成本，有利于对现场材料质量和数量的管控。对于打设深度的测量，没有采用“套管下插深度式”和“铜丝式”的做法，而是参考“数字式”的思路，通过长度刻度相减的方法获得，保证测量的是已经打设完成的排水板，并且系统会实时计算打设深度，同时判断是否存在“短板”事件（含回带长度超过设计要求）。通过“可追溯排水板+单板实时测深+总量实时匹配”监管模式，可有效避免“偷工减料”现象。信息化排水板实现了事前、事中、事后全过程监管，能够有效保证排水板的施工质量。

单板实时测深是排水板施工事中实时监管的做法，满足了现行JTS 206-1—2009《水运工程塑料排水板应用技术规程》[8]5.3.4 条要求的“逐根自检”规定，并能自动生成施工记录，无需专人记录。为了提高打设效率，也可以只用系统的事前、事后监管功能，即按要求生产信息化排水板，现场施工不进行单板实时测深，在区域施工完成后作为一种事后监管的手段，测深时当普通“数字式”排水板[9-10]来用。

系统除了能够在线监测打设深度外，还具有应用扩展功能，配置合适的定位、垂直度传感器和监控视频，能够实现排水板施工质量和施工现场的全方位监管。

3 结语

以二维码为媒介，在排水板生产和施工过程中，每完成一道重要工序，都记录其生产信息、施工数据并及时判别，形成完整的生产施工原始记录，可预防、发现并及时改正错误，事后也可以对产品进行追溯，对不合格的排水板精准定位，利于后续采取补救措施。二维条码具有容量大、纠错能力强、识别率高、保密性强的特点，基于二维条码的信息化排水板技术的应用，能够满足排水板施工质量监管需求。