張社榮，金 磊，王 超，梁禮繪，嚴(yán) 磊

(1. 天津大學(xué)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(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

由于傳統(tǒng)的水電工程信息化程度不高，施工數(shù)據(jù)交互性及共享能力較低，所以基于PDCA循環(huán)方法的施工質(zhì)量管理中的檢查環(huán)節(jié)仍采取比較傳統(tǒng)的人工操作方法，這樣常常會導(dǎo)致在施工過程中無法對工程施工情況做到及時掌握，導(dǎo)致工程施工存在諸多隱患，威脅到工程施工質(zhì)量。不過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為水電工程施工數(shù)據(jù)共享及數(shù)字化質(zhì)量管控提供了可能。Wang等[1]通過對概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)，達(dá)到質(zhì)量控制的目的；鄧俊曄等[2]結(jié)合有限元相關(guān)理論，對現(xiàn)有數(shù)字化大壩的架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量控制算法進(jìn)行了改進(jìn)；秦劍等[3]在裝備制造方面對質(zhì)量管控體系架構(gòu)的要素進(jìn)行了分析，并對數(shù)字化質(zhì)量管控流程方法進(jìn)行了研究；邱世超等[4]引入5D技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)分類標(biāo)準(zhǔn)(Industry Foundation Classes， IFC)，提出了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的大壩施工期5D進(jìn)度成本信息模型的建立方法和實現(xiàn)過程，研究了多維度信息模型的建立、IFC標(biāo)準(zhǔn)對信息模型的表達(dá)和模型可視化顯示等關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用C#.NET+Open GL圖形引擎開發(fā)出大壩施工期5D進(jìn)度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)。從國內(nèi)外的研究情況可知，各個行業(yè)對施工質(zhì)量的數(shù)字化控制都有涉及，采取的技術(shù)手段及控制方法也不一樣。但是對于數(shù)據(jù)交換技術(shù)融入到PDCA循環(huán)方法中的質(zhì)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(shù)據(jù)交換技術(shù)為入手點，將其融入到PDCA循環(huán)方法中，設(shè)計出數(shù)字化質(zhì)量管控流程，并根據(jù)設(shè)計流程，構(gòu)建土石壩工程施工期數(shù)字化質(zhì)量管控平臺，以確保工程有序推進(jìn)及施工質(zhì)量的安全。

1 施工質(zhì)量管控流程設(shè)計

1.1 PDCA循環(huán)方法

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

圖1 PDCA循環(huán)

具體為：①計劃(P)指對一些活動或者工作目標(biāo)、文案、方針政策等的制定，是工作的最初階段。②執(zhí)行(D)是工作的第2階段，針對計劃中的內(nèi)容，設(shè)計出相對應(yīng)的方案或措施并身體力行的去執(zhí)行。③檢查(C)是對執(zhí)行的結(jié)果進(jìn)行判別，找出其中的問題。④處理(A)是對檢查出的問題進(jìn)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(yīng)返回到計劃(P)這一步，重新進(jìn)行流程。

實際上，在不斷循環(huán)執(zhí)行PDCA方法流程的過程中，可以把每一次循環(huán)都當(dāng)作上一次循環(huán)的完善，整個循環(huán)過程也是一個逐漸完善直至完成的過程。

1.2 數(shù)據(jù)交換技術(shù)

1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

1.2.1.1 監(jiān)測架構(gòu)建立

土石壩工程在施工過程中通過布設(shè)各種類型的傳感器，借助無線電通訊技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集及存儲到云端數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測架構(gòu)[6]如圖2所示。

圖2 監(jiān)測框架示意

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)測層。各類傳感器將監(jiān)測獲取到的數(shù)據(jù)信息(包括安全、施工等信息)進(jìn)行匯總、整合，一并發(fā)送到匯聚網(wǎng)關(guān)層中的數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)中。

(2)匯聚網(wǎng)關(guān)層。本層主要是將由各路由節(jié)點獲取到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總打包，然后再通過無線通訊技術(shù)發(fā)送到云端服務(wù)器上。

(3)應(yīng)用服務(wù)層。本層主要是為工程各參與方服務(wù)，各參與方人員通過監(jiān)控平臺(PC/智能手機(jī))可以隨時隨地調(diào)用云服務(wù)器上的實測數(shù)據(jù)。

1.2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

考慮到土石壩工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模較大以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和高效性，故本文選用UDP Socket傳輸協(xié)議[7]。該協(xié)議與TCP協(xié)議不同，有著一些獨有的特點，由于在客戶端與服務(wù)端之間不需要建立連接關(guān)系，該協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息的速度非?？?。數(shù)據(jù)的傳輸依賴于協(xié)議中的報文，傳感器將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以一條字符串的形式通過無線通訊技術(shù)發(fā)送到監(jiān)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(fā)送到的數(shù)據(jù)信息，報文部分內(nèi)容如圖3所示，左側(cè)數(shù)字為報文組成，右側(cè)為數(shù)字代表的實際信息。

圖3 UDP協(xié)議報文部分片段

數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制由客戶端與服務(wù)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(jiān)聽程序每次從隊列中讀取一條數(shù)據(jù)信息(即報文記錄)，隊列中的一條條信息都是由傳感器發(fā)送過來。將讀取的信息在程序中進(jìn)行操作并根據(jù)數(shù)據(jù)信息的不同，將它們分類存儲到各個指定的數(shù)據(jù)表中，以便用戶通過監(jiān)控平臺進(jìn)行隨時調(diào)用，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和監(jiān)聽程序也都部署到阿里云服務(wù)器上。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)[8]主要思想是對數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的管理，本文利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決數(shù)據(jù)共享的問題。將大量數(shù)據(jù)存儲到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，有著不同需求的用戶可以按需調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理，數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用最終是要依托于對數(shù)據(jù)庫的管理來實現(xiàn)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫類型比較多，不過最主流的還是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，這兩類數(shù)據(jù)庫應(yīng)用也非常廣泛。其中，Oracle數(shù)據(jù)庫、MySQL數(shù)據(jù)庫、SQL Server數(shù)據(jù)庫、Access數(shù)據(jù)庫是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中比較常用的幾種，各數(shù)據(jù)庫的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫比選

鑒于是否開源，成本高低，各類操作系統(tǒng)是否兼容以及數(shù)據(jù)查詢、交互性能等因素，本文選用MySQL數(shù)據(jù)庫，并將其作為統(tǒng)一存儲施工數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。

1.3 施工質(zhì)量管控流程

本流程的核心是質(zhì)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(zhì)量的控制，達(dá)到對質(zhì)量管理形成閉環(huán)的效果，具體流程如圖5所示。

圖5 施工質(zhì)量管控流程

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

2 系統(tǒng)原型設(shè)計

基于對施工質(zhì)量管控流程的研究，設(shè)計了土石壩工程施工期質(zhì)量管控平臺，該平臺以質(zhì)量管理模塊為主，并開發(fā)了費用、進(jìn)度、物資等模塊。其中質(zhì)量模塊完全按照流程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，并結(jié)合成熟的cesium三維可視化平臺，讓施工數(shù)據(jù)及分析結(jié)果在該平臺中展示。

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

為了方便對系統(tǒng)隨時進(jìn)行瀏覽以及對數(shù)據(jù)的查詢和維護(hù)，土石壩系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，這樣用戶只需隨時登陸瀏覽器就可對系統(tǒng)進(jìn)行操作。系統(tǒng)具體架構(gòu)層次如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集層。顧名思義，該層是用來收集數(shù)據(jù)的，也是整體架構(gòu)最基礎(chǔ)的一層。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及socket監(jiān)聽技術(shù)等，將各類傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。

(2)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是對不同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲到不同的數(shù)據(jù)庫中，主要包括土石壩的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等。

(3)業(yè)務(wù)邏輯層。該層主要是用來提供包括Python、PHP腳本在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)類型的接口以及系統(tǒng)開發(fā)的功能業(yè)務(wù)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(tǒng)界面，系統(tǒng)前臺框架設(shè)計采用Metro UI，并結(jié)合HTML5、JavaScript以及CSS進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，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(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)使用Html、JavaScript、CSS、ThinkPHP、Python等開發(fā)語言進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)器布置于云端，其中MariaDB服務(wù)器部署于Windows系統(tǒng)中，而Web服務(wù)器、Apatch Tomcat服務(wù)器、BIM Server服務(wù)器等部署于Linux系統(tǒng)中。

2.3 模塊功能設(shè)計

根據(jù)土石壩工程施工需求，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了3個模塊，分別為可視化總控平臺、工程建設(shè)管理、系統(tǒng)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(zhì)量管控平臺，保證工程建設(shè)安全、平穩(wěn)的進(jìn)行。模塊設(shè)計如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能設(shè)計

可視化平臺是一個總控平臺，用于給用戶展現(xiàn)土石壩工程施工期建設(shè)最需要展現(xiàn)的一些功能，讓用戶有著最直觀的感受，所以系統(tǒng)中其它模塊的關(guān)鍵信息也會集成到可視化平臺中。關(guān)鍵信息在平臺中集成主要依賴于數(shù)據(jù)與模型的綁定，平臺中加載的模型可以很好地與地形進(jìn)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(guān)的質(zhì)量、費用、進(jìn)度等工程建設(shè)的一些關(guān)鍵信息，做到數(shù)據(jù)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(shè)管理模塊包含的內(nèi)容繁多，包括質(zhì)量、物料信息、施工進(jìn)度管理等。其中質(zhì)量管理的一些功能頁面完全按照上文提到的質(zhì)量管控流程來設(shè)計，形成了質(zhì)量管理閉環(huán)，模塊是對本文提出的質(zhì)量管理流程的具體應(yīng)用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本系統(tǒng)依托我國云南省某土石壩工程，目前系統(tǒng)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(jìn)行融合，二者間的數(shù)據(jù)信息兼容共存，不存在丟失的現(xiàn)象，最終呈現(xiàn)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(xiàn)模型在Cesium環(huán)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(shù)據(jù)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(diào)用Cesium中的add()方法將構(gòu)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(zhì)量相關(guān)的信息，點擊壩塊后就會自動顯示，如圖8右側(cè)的數(shù)據(jù)源信息列表。這些施工數(shù)據(jù)信息是由工程建設(shè)管理模塊所提供，將信息與壩段相關(guān)聯(lián)，用戶就會在可視化界面看到這些信息，可以實現(xiàn)三維場景中的模型與附加數(shù)據(jù)源完美整合，方便用戶對施工過程及質(zhì)量進(jìn)行及時的掌握與指導(dǎo)，為施工過程質(zhì)量管控打下了基礎(chǔ)。

3.3 質(zhì)量管理數(shù)字化

土石壩工程施工質(zhì)量管理包括質(zhì)量計劃文件的編制、監(jiān)理相關(guān)文件的編制、技術(shù)方案的管理以及質(zhì)量檢查、隱患整改、質(zhì)量驗收等，這些內(nèi)容也是質(zhì)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(shù)據(jù)信息都存儲到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，如圖9所示。數(shù)據(jù)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(jié)束，系統(tǒng)可以做到數(shù)據(jù)流通，實現(xiàn)數(shù)字化質(zhì)量管理。

圖9 統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫及表結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

本文將數(shù)據(jù)交互及分析過程融入到PDCA方法中，設(shè)計以PDCA方法為基礎(chǔ)的數(shù)字化施工質(zhì)量管控流程，對PDCA方法在信息化方面進(jìn)行了優(yōu)化，提高PDCA方法在數(shù)字化、信息化施工過程中的應(yīng)用程度，基于該質(zhì)量管控流程開發(fā)了土石壩工程施工質(zhì)量控制平臺，解決了土石壩工程施工數(shù)據(jù)交互困難以及共享困難的問題、保證了土石壩工程施工質(zhì)量。