王攀學(xué) （安徽建工路港建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

橋梁工業(yè)化水平進(jìn)一步提升，成為提高建設(shè)效率、確保工程質(zhì)量和可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力。隨著5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及先進(jìn)技術(shù)在建筑行業(yè)的嶄露頭角，本文將聚焦于基于5G的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與修正、三維激光掃描提高檢測效率、大數(shù)據(jù)分析提升質(zhì)量水平等關(guān)鍵領(lǐng)域，探討如何整合這些先進(jìn)技術(shù)，推動橋梁工業(yè)化信息管理的前沿發(fā)展。

探討如何實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與分析，提高工程生產(chǎn)的響應(yīng)速度與靈活性。同時，通過三維激光掃描技術(shù)，探索如何以更高效的方式獲取和處理橋梁結(jié)構(gòu)的詳盡信息，從而提高檢測的準(zhǔn)確性與效率。大數(shù)據(jù)分析將作為關(guān)鍵支持，通過對生產(chǎn)與質(zhì)量數(shù)據(jù)的深入挖掘，提升橋梁工程的整體質(zhì)量水平。

1 基于5G的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與修正

為實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集，在各生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上安裝了各類狀態(tài)傳感器，并通過5G傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)實時傳送到施工信息系統(tǒng)，生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

混凝土拌和階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括拌和站名稱、澆筑部位、出料時間、方量、拌和時長、水膠比、各項混凝土原料用量的實際用量和理論用量。

混凝土澆筑階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)線序號、構(gòu)件編碼、布料位置、單次布料重量、布料次數(shù)、布料總重量、布料開始和結(jié)束時間、振搗層數(shù)、振搗器位置、振搗頻率、振搗開始和結(jié)束時間。

混凝土蒸汽養(yǎng)生階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括構(gòu)件編碼、蒸養(yǎng)設(shè)備名稱、蒸養(yǎng)時間、蒸養(yǎng)溫度和濕度（以5min 為步長記錄）、蒸養(yǎng)開始和結(jié)束時間。

預(yù)應(yīng)力張拉階段，采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括構(gòu)件編碼、工程部位、張拉設(shè)備編號、張拉時間、鋼束編號、張拉力、位移、油壓、張拉行程、總伸長量、壓漿方向、壓漿順序、壓漿料配合比和水膠比、進(jìn)漿量、進(jìn)出漿壓力、壓漿開始和結(jié)束時間。

施工信息系統(tǒng)中存儲的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)量巨大且具有多種數(shù)據(jù)格式，為了提高數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理效率，采用自動數(shù)據(jù)采集器編寫生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集流程框架，自動循環(huán)提取信息系統(tǒng)中存儲的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集流程框架

由于自動生產(chǎn)設(shè)備等多目標(biāo)信息源物聯(lián)接入時纏上的多源信息具有不穩(wěn)定性，當(dāng)傳感設(shè)備對覆蓋半徑內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行多次識別時，難免會產(chǎn)生數(shù)據(jù)重復(fù)項、冗余和缺省值，因此對于采集完成的數(shù)據(jù)，需針對數(shù)據(jù)重復(fù)和缺失進(jìn)行預(yù)處理。這些多源信息中的核心要素包括構(gòu)件代號、構(gòu)件編碼、感應(yīng)設(shè)備ID、感應(yīng)時間軸等，可利用這些核心要素對重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和刪除。

例如，由于布料機(jī)的唯一性，在同一時間點只可能進(jìn)行一次布料作業(yè)，可以將“布料開始時間”這一數(shù)據(jù)標(biāo)簽作為重復(fù)數(shù)據(jù)篩選依據(jù)；而振搗是由多個振搗器共同作業(yè)，需“振搗器編號”和“振搗開始時間”共同作為重復(fù)數(shù)據(jù)篩選依據(jù)。根據(jù)以上規(guī)則對生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的重復(fù)值進(jìn)行刪除，可以看到布料和振搗生產(chǎn)數(shù)據(jù)中均包含大量重復(fù)值，重復(fù)數(shù)據(jù)比例達(dá)到了30%以上，并且3 號生產(chǎn)線的布料數(shù)據(jù)重復(fù)值超出凈數(shù)據(jù)量9 倍多，可能是由于3 號線布料機(jī)的數(shù)據(jù)采集敏感性過高，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的重復(fù)采樣。建立系統(tǒng)內(nèi)置的重復(fù)數(shù)據(jù)篩選方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)。

2 三維激光掃描提高檢測效率

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項新型測繪技術(shù)，又稱作“實景復(fù)制技術(shù)”，通過該技術(shù)可以將實物的空間三維形態(tài)進(jìn)行完整并且高精度地重建掃描，無需對掃描物體表面進(jìn)行任何處理，實現(xiàn)無接觸測量。三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、計算準(zhǔn)確的優(yōu)勢，目前主要用于結(jié)構(gòu)物測量維護(hù)與仿真、位移監(jiān)控和外觀結(jié)構(gòu)三維建模等領(lǐng)域。

新型裝配式T 梁由于對梁體進(jìn)行輕量化優(yōu)化，板件厚度減薄，必須保證預(yù)制尺寸的精確性（誤差0～+5mm），提出了高精度、大批量、快速化的檢測需求。采用三維激光技術(shù)，以機(jī)器取代人工的方式，完美滿足該檢測需求，同時此類無接觸、自動化的檢測手段也是未來工廠自動化檢測的重要發(fā)展方向。

2.1 技術(shù)原理

FARO 激光掃描儀的工作原理是基于紅外線激光束在掃描場景中垂直旋轉(zhuǎn)形成的傾斜，隨后光圍繞對象散發(fā)并被反射回掃描儀。為了進(jìn)行距離測量，F(xiàn)ARO 激光掃描儀采用了相位偏移方法，它能持續(xù)地發(fā)射不同波長的紅外光，一旦光與物體發(fā)生碰撞，它就會反射回掃描儀。通過計算紅外線光波的相位偏移，能夠準(zhǔn)確地確定掃描儀和物體之間的距離。使用角度編碼器來測量FARO激光掃描儀的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，以計算每個點的x、y、z坐標(biāo)。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

在裝配式T 梁中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，與BIM 進(jìn)行深度融合。通過應(yīng)用三維激光掃描，能夠以更高的效率和準(zhǔn)確度獲取裝配式T 梁的三維立體數(shù)據(jù)，從而打破了傳統(tǒng)測量模式中只能進(jìn)行單點收集的瓶頸。此方案可以持續(xù)并自動地收集空間數(shù)據(jù)，成功地踐行了面采集的測量方法。這種做法不僅提高了工程測量的精確性和效率，還顯著減輕了測量現(xiàn)場的工作壓力。

①準(zhǔn)確性和分辨能力卓越。3D 激光掃描技術(shù)通過單點測量的模式，其能通過高密度和高精確性采集大批的點云數(shù)據(jù)并細(xì)致掃描測量點，以達(dá)到高解析度的目標(biāo)。目前桐城預(yù)制廠采用的三維激光掃描精度可達(dá)2mm。

②信息采集速度高。通過運用激光掃描技術(shù)獲取目標(biāo)空間的數(shù)據(jù)，其速度能達(dá)到每秒數(shù)十萬點，極大地加快了獲取大型構(gòu)件或大體積目標(biāo)空間數(shù)據(jù)的過程。

這種技術(shù)在數(shù)字化方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，且具有強大的擴(kuò)展性。收集的信息都是數(shù)字信號，顯示了全數(shù)字的特性，并且適合自動化，可靠性高，方便后續(xù)處理、分析和輸出。另外，后期處理軟件的用戶界面使用方便，能實現(xiàn)與其他普遍應(yīng)用的軟件數(shù)據(jù)的交流和共享，也可以配合外部的數(shù)碼相機(jī)和GPS，顯示出良好的擴(kuò)展?jié)摿Α?/p>

在工程測量中，3D 激光掃描與BIM技術(shù)的融合運用極大地提升了自動化、信息化與智能化的層次，不僅提高了測量的品質(zhì)與效能，也降低了測量任務(wù)的壓力和費用，這種組合使用在未來具備極大的應(yīng)用潛力。

2.3 實施過程

實施過程可以主要分為以下四個步驟。

①搭建觀測站和控制點，通過三維激光掃描器收集點云信息，每兩個相鄰掃描點之間需設(shè)置至少3個共享目標(biāo)。

②在進(jìn)行點云配準(zhǔn)時，利用以目標(biāo)為基礎(chǔ)的聯(lián)接方式，將多個掃描站的數(shù)據(jù)同步到一個坐標(biāo)系中。在此過程中，會選定一個主要的站點，然后通過各站之間互相匹配的點設(shè)置限制條件，對其他站點的坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和偏移。最后，通過這種聯(lián)接方式，能夠得到一個完全的項目點云。

③為了降低鏡頭變形、光線測定以及地理條件等因素帶來的影響，有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理通常包含處理異常值、去除噪聲和點云取樣等步驟。

④重塑模型。通過使用三角網(wǎng)格對混亂的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行包裹，以實現(xiàn)構(gòu)建模型的目標(biāo)。數(shù)據(jù)經(jīng)過包裹處理后，由于存在散列的點或數(shù)據(jù)不全，可能會導(dǎo)致突出、凹陷或形成孔洞，后續(xù)可以利用內(nèi)部孔、建橋等技術(shù)進(jìn)行孔洞的填補，或者通過移除特征來消除。

在建立點云模型的過程中，可能會遇到數(shù)據(jù)采集和處理導(dǎo)致的某些誤差。為了最大限度減少這些誤差對質(zhì)量偏差評估準(zhǔn)確度的影響，需要制訂相應(yīng)的策略?？梢酝ㄟ^多次試掃描，在掃描圖像紅點數(shù)量非常稀少的情況下，認(rèn)為三維掃描儀系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置是正確的；也可以使用目標(biāo)標(biāo)記進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的自動組裝，能夠?qū)⒔M裝精度控制在2mm 之內(nèi)；建議使用軟件刪除法來處理離群值，可以通過設(shè)定較高的參數(shù)值，讓軟件根據(jù)一種特定的算法去識別并刪除離群值；可以使用高斯濾波器法來降低噪聲，這種方法的精度較高。

圖3 三維掃描實施過程

3 大數(shù)據(jù)分析提升質(zhì)量水平

3.1 生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)能

新型T 梁的自動化生產(chǎn)工藝采用蒸汽養(yǎng)護(hù)后，脫模時間可縮短至24h 以內(nèi)，最大生產(chǎn)效率可達(dá)到1 片梁/日，因此可推算出各生產(chǎn)線的每月最大產(chǎn)能約為30 片梁，每月總產(chǎn)能為150 片梁。變化趨勢與每月產(chǎn)量的變化相同，將各條生產(chǎn)線的產(chǎn)能利用率和總體產(chǎn)能利用率相比，如圖4 所示?？梢钥闯?，2020 年11月、12 月和2021 年1 月、4 月、6 月的產(chǎn)能利用率超過50%，其余8 個月的產(chǎn)能利用率都偏低；并且2 號線的產(chǎn)能利用率高最高，1 號線和3 號線幾乎完全一致，2021 年7 月以來，1 號和3 號生產(chǎn)線的產(chǎn)能均低于平均水平。為了平衡各生產(chǎn)線的模板使用率，有必要在規(guī)劃生產(chǎn)時考慮對各生產(chǎn)線的平衡利用，如無設(shè)備故障，可提高1號線和3號線的使用頻率。

圖4 各生產(chǎn)線每月產(chǎn)能利用率波動情況

3.2 工序質(zhì)量及穩(wěn)定性管控

根據(jù)各狀態(tài)傳感器采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以對各施工工序的工藝特征參數(shù)和施工質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，并對質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行管控。

以混凝土拌和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對各原料用量和配合比、水膠比誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析，骨料、水、水泥、煤灰、外加劑用量誤差的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和中位數(shù)如表1 所示?？梢钥闯?，各材料用量的誤差均值大多控制在±1%以內(nèi)，其中水、水泥和外加劑的用量誤差最小，骨料2和煤灰1的用量誤差較大，變異性也較大。

表1 各混凝土原料用量誤差統(tǒng)計參數(shù)表

4 結(jié)束語

本文深入探索了三維激光掃描以及大數(shù)據(jù)分析等智能化技術(shù)，以三維激光掃描實現(xiàn)無人化、高效率、高精度的構(gòu)件成品尺寸檢測，以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)了質(zhì)量影響因素排查與質(zhì)量風(fēng)險預(yù)測，為管理者提供強有力的輔助。