梁 波，游玉石

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

水泥混凝土是近現(xiàn)代最廣泛使用的建筑材料，也是當(dāng)前最大宗的人造材料[1]，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將直接影響工程質(zhì)量。近年來(lái)在一些實(shí)際工程中對(duì)混凝土的質(zhì)量控制有所下降，主要表現(xiàn)為混凝土養(yǎng)護(hù)不到位[2-3]以及原材料質(zhì)量穩(wěn)定性差等，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能及耐久性波動(dòng)較大，給工程項(xiàng)目造成較大的質(zhì)量安全隱患。港珠澳大橋建設(shè)工程作為中國(guó)交通建設(shè)史上技術(shù)極其復(fù)雜、質(zhì)量要求及標(biāo)準(zhǔn)極高的工程之一，采用的混凝土為120年使用壽命[4]，但在2017年5月港珠澳大橋香港段被曝出混凝土試件抗壓數(shù)據(jù)造假事件[4]后，混凝土質(zhì)量問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外媒體及工程界更廣泛的關(guān)注。

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，相關(guān)理念及技術(shù)也影響著各行各業(yè)[5-10]，在交通檢測(cè)行業(yè)涌現(xiàn)出很多新的技術(shù)與方法[11-16]。同時(shí)，“品質(zhì)工程”“智慧工地”的建設(shè)理念對(duì)交通檢測(cè)行業(yè)提出了新的要求，各類(lèi)重點(diǎn)工程應(yīng)運(yùn)而生，世界級(jí)超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程——深中通道工程，就是其中典型代表，它借助信息化、智能化手段實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制過(guò)程和監(jiān)管方式的升級(jí)。當(dāng)前，在“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略指引下，借助人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，推進(jìn)試驗(yàn)檢測(cè)中心的數(shù)字化和智能化建設(shè)，結(jié)合移動(dòng)App應(yīng)用、短信網(wǎng)關(guān)、工業(yè)機(jī)器人、堆垛機(jī)、運(yùn)輸輥筒、數(shù)據(jù)采集、二維碼、視頻監(jiān)控及可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)等內(nèi)容，研發(fā)出智慧試驗(yàn)室，并對(duì)其在深中通道項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 智慧試驗(yàn)室的關(guān)鍵組成

智慧試驗(yàn)室主要由兩大關(guān)鍵系統(tǒng)組成：檢測(cè)云系統(tǒng)和智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。檢測(cè)云系統(tǒng)用于對(duì)外派試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)、資源共享和統(tǒng)一調(diào)用，通過(guò)條形碼、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳、計(jì)算及判定以及原始記錄和檢測(cè)報(bào)告的自動(dòng)生成；智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要是基于混凝土試件養(yǎng)護(hù)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的要求，通過(guò)智能化與自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土試件的自動(dòng)出入庫(kù)、智能檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)、廢料自動(dòng)輸送等功能?；谏鲜鰞纱笙到y(tǒng)，智慧試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)全過(guò)程的無(wú)人化、可視化和自動(dòng)化。

1.1 檢測(cè)云系統(tǒng)

檢測(cè)云系統(tǒng)是按照云計(jì)算的服務(wù)模式對(duì)各外派試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)、資源共享和統(tǒng)一調(diào)度，并利用移動(dòng)App應(yīng)用、短信網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集、條形碼、定制表單、視頻監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”這五大要素的綜合管控，通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)法自動(dòng)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管控，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)修約、計(jì)算、判定，并自動(dòng)生成原始記錄和檢測(cè)報(bào)告。圖1為數(shù)據(jù)的采集(水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn))、圖2為檢測(cè)云系統(tǒng)移動(dòng)端App界面及檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 數(shù)據(jù)的采集(水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn))

檢測(cè)云系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)傳輸，具備系統(tǒng)權(quán)限的人員可遠(yuǎn)程調(diào)用任一時(shí)段的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可生成和導(dǎo)出相關(guān)格式的業(yè)務(wù)表單、不合格臺(tái)賬、原始記錄表及試驗(yàn)報(bào)告等。同時(shí)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常、復(fù)現(xiàn)性誤差超過(guò)允許范圍或工程質(zhì)量管控水平處于臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警，并提出相關(guān)的建議指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(a) 移動(dòng)端App界面

1.2 智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

1.2.1 智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)流程

根據(jù)混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件要求，針對(duì)混凝土試件以3個(gè)為1組進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)的特點(diǎn)，采用料盤(pán)進(jìn)行試件樣品的流轉(zhuǎn)，根據(jù)試驗(yàn)全過(guò)程智能化與自動(dòng)化的需要，利用自動(dòng)運(yùn)輸輥筒、堆垛機(jī)和六軸工業(yè)機(jī)器人，配合PLC程序控制系統(tǒng)及信息軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)混凝土試件的自動(dòng)出入庫(kù)、智能檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)、廢料自動(dòng)輸送等功能。

機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行流程：試件樣品進(jìn)入試驗(yàn)室后，通過(guò)檢測(cè)云系統(tǒng)電腦端錄入試件信息；將試件以3個(gè)為1組放在料盤(pán)上，料盤(pán)通過(guò)入庫(kù)滾筒輸送線(xiàn)自行移動(dòng)，入庫(kù)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，并由堆垛機(jī)運(yùn)輸放置到系統(tǒng)分配的庫(kù)位上；系統(tǒng)軟件自動(dòng)計(jì)時(shí)，若有試件到期則發(fā)出聲光提醒，并由堆垛機(jī)將相應(yīng)的料盤(pán)運(yùn)輸?shù)匠鰩?kù)滾筒輸送線(xiàn)上，出庫(kù)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，由出庫(kù)滾筒輸送線(xiàn)將試件運(yùn)輸出庫(kù)；出庫(kù)后六軸工業(yè)機(jī)器人抓取試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)；抗壓結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)行廢料輸送，檢測(cè)云系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷。

1.2.2 機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵組成單元的設(shè)計(jì)研究

混凝土試件養(yǎng)護(hù)及檢測(cè)的智能化與自動(dòng)化項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟案例，相比傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目，機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)難度較大，考慮到整個(gè)系統(tǒng)組成單元較多，項(xiàng)目重點(diǎn)研究了機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及組成單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如料盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、堆垛機(jī)叉板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人的比選及養(yǎng)護(hù)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

1) 料盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

料盤(pán)采用304不銹鋼進(jìn)行制作，分為3層，兩端設(shè)計(jì)圓弧把手便于人工拿??；上層主要用于試件定位；中層設(shè)計(jì)4個(gè)定位孔，主要用于堆垛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)試件時(shí)對(duì)托盤(pán)的定位，防止轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中料盤(pán)及試件滑落；下層(料庫(kù)定位層)主要用于堆垛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)試件時(shí)托盤(pán)與料庫(kù)中庫(kù)位的定位。料盤(pán)如圖3所示。

(a) 實(shí)物圖

2) 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與制造業(yè)大規(guī)模自動(dòng)化的廠(chǎng)房布局、全面的自動(dòng)化配置不同，本系統(tǒng)應(yīng)用于交通土木工程試驗(yàn)檢測(cè)行業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地較為狹窄，養(yǎng)護(hù)區(qū)內(nèi)部?jī)蓚?cè)為料庫(kù)，中間為入庫(kù)設(shè)備，其中入庫(kù)設(shè)備的設(shè)計(jì)空間寬度為1.1 m。基于此，六軸工業(yè)機(jī)器人(臂展1.5～2 m)在抓取試件入庫(kù)時(shí)無(wú)法順利調(diào)整姿態(tài)，而堆垛機(jī)(直線(xiàn)機(jī)械手)可滿(mǎn)足該狹窄空間試件入庫(kù)及出庫(kù)的操作，因此采用堆垛機(jī)(直線(xiàn)機(jī)械手)實(shí)現(xiàn)試件的出入庫(kù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及出入庫(kù)要求對(duì)堆垛機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)X軸(地面行走軸)、Z軸(垂直升降軸)、Y軸(叉板平移軸)以及P軸(叉板旋轉(zhuǎn)軸)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)兩側(cè)料盤(pán)出入庫(kù)，堆垛機(jī)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示 ?；陴B(yǎng)護(hù)區(qū)的高濕環(huán)境(相對(duì)濕度>95%)，堆垛機(jī)均采用IP67防護(hù)等級(jí)的電機(jī)及減速機(jī)，同時(shí)利用不銹鋼鈑金罩對(duì)其進(jìn)行密封，并往里面通入空氣，使電機(jī)及減速機(jī)始終處于正壓空間中。

圖4 堆垛機(jī)組成結(jié)構(gòu)

3) 堆垛機(jī)叉板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)混凝土試件重約8 kg、料盤(pán)重約6 kg，堆垛機(jī)叉板的叉運(yùn)負(fù)載≥30 kg?；趶?qiáng)度、負(fù)載及使用環(huán)境條件的綜合考慮，叉板材料采用304不銹鋼板拼接而成，焊縫進(jìn)行打磨并酸洗，叉板上設(shè)計(jì)有定位銷(xiāo)，以保證在試件轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中料盤(pán)不會(huì)滑移；在叉板前端缺口處設(shè)有超聲波傳感器，可在潮濕環(huán)境中對(duì)庫(kù)位的狀態(tài)(有無(wú)料盤(pán))進(jìn)行確認(rèn)，叉板實(shí)物圖如圖5所示；針對(duì)叉板負(fù)載下變形情況，通過(guò)有限元模型進(jìn)行分析研究，叉板有限元分析模型如圖6所示，結(jié)果表明叉板最大變形量≤0.2 mm，滿(mǎn)足試件叉運(yùn)的使用要求。

圖5 叉板實(shí)物圖

圖6 叉板有限元分析模型

4) 機(jī)器人的比選

基于抓取負(fù)載(>8 kg)及試件對(duì)中的精度(≤0.5 mm)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，采用IRB2600-20/1.65型機(jī)器人，其負(fù)載可達(dá)20 kg，重復(fù)定位精度為0.05 mm，重復(fù)循環(huán)精度為0.13 mm。經(jīng)過(guò)連續(xù)30次的抓取、放置試驗(yàn)，結(jié)果表明：被抓取至壓力機(jī)底座位置的試件對(duì)中情況符合規(guī)范要求，且抓取過(guò)程中試件未出現(xiàn)滑移或墜落，抓取過(guò)程穩(wěn)定，該機(jī)器人滿(mǎn)足抓取負(fù)載及試件對(duì)中的精度要求，正在抓取試件的機(jī)器人如圖7所示。

圖7 正在抓取試件的機(jī)器人

5) 養(yǎng)護(hù)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于養(yǎng)護(hù)區(qū)高濕的環(huán)境條件，存放試件托盤(pán)的養(yǎng)護(hù)架的支架采用烤漆處理，料盤(pán)的放置面板采用304不銹鋼，面板上設(shè)計(jì)有對(duì)角布置的定位銷(xiāo)，可防止料盤(pán)位置的偏移，同時(shí)定位銷(xiāo)的高度剛好與料盤(pán)底板板厚平齊，不會(huì)影響堆垛機(jī)叉板對(duì)托盤(pán)的叉運(yùn)，料庫(kù)面板如圖8所示。

圖8 料庫(kù)面板

2 應(yīng)用情況分析

智慧試驗(yàn)室的混凝土智能檢測(cè)系統(tǒng)已在深中通道項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用情況如下。

(1) 試件標(biāo)識(shí)及識(shí)別、庫(kù)位分配、入庫(kù)情況：試驗(yàn)人員隨機(jī)挑選20 組試件運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行噴碼和掃碼，自動(dòng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)區(qū)，到達(dá)運(yùn)輸輥筒指定位置，堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行并開(kāi)始叉運(yùn)試件放置到系統(tǒng)自動(dòng)分配的庫(kù)位。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，試件信息均可快速獲取，試件有序叉運(yùn)至其分配的唯一庫(kù)位，減少人工搬運(yùn)試件及尋找合適存放位置的過(guò)程，避免在試件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中被人為調(diào)換的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 試件出庫(kù)、尺寸測(cè)量、對(duì)中情況：試驗(yàn)人員在控制軟件中隨機(jī)選取試件運(yùn)行系統(tǒng)，如出庫(kù)位206、208和217的試件，堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行至上述試件所在庫(kù)位，自動(dòng)叉運(yùn)試件開(kāi)始出庫(kù)，到達(dá)指定位置后，機(jī)器人自動(dòng)抓取試件至指定工位，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行尺寸測(cè)量，測(cè)量完畢后機(jī)器人自動(dòng)抓取試件放置至壓力機(jī)底座中間位置。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，出庫(kù)正常，自動(dòng)吹氣除明水，自動(dòng)進(jìn)行試件尺寸測(cè)量，并將試件放置在壓力機(jī)底座的指定位置，對(duì)中情況符合要求，可有效避免人工測(cè)量尺寸的偏差，避免對(duì)中不到位及抗壓數(shù)據(jù)與試件不對(duì)應(yīng)的情況發(fā)生，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(3) 試件抗壓速率控制：隨機(jī)挑選強(qiáng)度等級(jí)C25、C30、C35、C40、C45和C50的試件各2組，運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，系統(tǒng)均根據(jù)試件已錄入的強(qiáng)度等級(jí)信息自動(dòng)選擇了符合規(guī)范要求的加荷速率進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求，可避免人為控制抗壓速率的偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

(4) 試件抗壓數(shù)據(jù)結(jié)果合格與否的判定及自動(dòng)留樣功能：在控制軟件中人為設(shè)置 312 庫(kù)位試件強(qiáng)度等級(jí)為C80，該庫(kù)位試件的實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)測(cè)該組試驗(yàn)結(jié)果為不合格，需留樣。驗(yàn)證情況：運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行該組試件的抗壓試驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)采集抗壓數(shù)據(jù)并判斷結(jié)果不符合要求，發(fā)出提醒，試件殘樣輸送至留樣小車(chē)，符合規(guī)范要求。在控制軟件中人為設(shè)置 314 庫(kù)位試件強(qiáng)度等級(jí)為C40，該庫(kù)位試件的實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)為C45，預(yù)測(cè)該組試驗(yàn)結(jié)果為合格，無(wú)須留樣。驗(yàn)證情況：運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行該組試件的抗壓試驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)采集抗壓數(shù)據(jù)并判斷結(jié)果符合要求，試件殘樣輸送至廢料小車(chē)，符合規(guī)范要求。該項(xiàng)功能可避免人為篡改數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和公正性。

(5) 系統(tǒng)連續(xù)性運(yùn)行測(cè)試：自2020年1月8日15:00開(kāi)始，選擇30組試件進(jìn)行連續(xù)性試驗(yàn)，系統(tǒng)連續(xù)工作至當(dāng)日18:02，完成30組試件的抗壓試驗(yàn)。該時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程無(wú)異常，作業(yè)連續(xù)，出庫(kù)、吹除明水、尺寸測(cè)量、對(duì)中、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及判定、殘樣處理環(huán)節(jié)均符合要求，完成一組試驗(yàn)約需6 min。

項(xiàng)目應(yīng)用結(jié)果表明：智能檢測(cè)系統(tǒng)整個(gè)作業(yè)過(guò)程連續(xù)且流暢，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)混凝土試件養(yǎng)護(hù)及抗壓試驗(yàn)過(guò)程的無(wú)人化、可視化和自動(dòng)化，減弱人為因素對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的不利影響，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的公正性、可靠性和準(zhǔn)確性；將傳統(tǒng)的不連續(xù)性抽查監(jiān)管模式變?yōu)檫B續(xù)不間斷的監(jiān)管模式，為行業(yè)監(jiān)管部門(mén)對(duì)工程質(zhì)量的日常監(jiān)管創(chuàng)造了便利條件；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土施工質(zhì)量的不良變化趨勢(shì)，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行原因分析并提出相應(yīng)處置措施，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。另外，混凝土智能檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了試驗(yàn)檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且實(shí)施檢測(cè)時(shí)間的靈活性較大，夜間也可進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，尤其滿(mǎn)足深中通道這類(lèi)大型工程項(xiàng)目的施工高峰期運(yùn)作需求，對(duì)保證深中通道項(xiàng)目中混凝土工程的質(zhì)量具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)絕大部分相關(guān)試驗(yàn)室在數(shù)據(jù)采集、混凝土養(yǎng)護(hù)及抗壓試驗(yàn)方面還處于比較原始的人工操作階段，本項(xiàng)目研制的混凝土智能檢測(cè)系統(tǒng)采用人工智能、工業(yè)自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)傳輸、混凝土試件的自動(dòng)出入庫(kù)、智能養(yǎng)護(hù)、智能檢測(cè)、廢料自動(dòng)收集，全方位保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的公正性，有助于提升檢測(cè)工作的數(shù)字化、智能化和遠(yuǎn)程化水平，是智能化檢測(cè)技術(shù)在交通工程試驗(yàn)室的典型應(yīng)用，可起到引領(lǐng)交通檢測(cè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)不斷革新的作用，具備較高的行業(yè)引導(dǎo)和市場(chǎng)推廣價(jià)值。