CN113359645B - 基于工程物联网的预应力施工监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统及方法。该系统包括现场感知模块，用于采集施工现场人员、机具、材料的数据，并将采集的数据传输至数据处理模块；监测配置模块，根据项目信息进行组织结构、用户权限、所述现场感知模块的初始化配置；数据处理模块，接收所述现场感知模块的数据，并根据所述监测配置模块的初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求。该系统为建设主管单位和人员实施差别化监测提供科学依据，提升质量监督效能。

Description

基于工程物联网的预应力施工监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及预应力领域，具体涉及一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统及方法。

背景技术

工程物联网是物联网技术在工程建设领域的拓展。工程物联网的顺势出现及其与施工现场数字化管控的融入，为实现工程建设质量监管转型升级提供了有效的实现途径。随着预应力工程施工标准化程度的提高，预制构件的生产制造已趋向于工厂化预制方向发展，以工程物联网技术对预应力构件的生产制造环节进行改造，制造过程中的质量管理模式有望得以突破，使工程构件的数字化建造成为可能。

目前，在预应力工程的建设中，仍以传统的施工组织和管理模式为主，施工过程的质量管理主要依靠现场施工管理人员来具体实施。通常的实施方式为施工单位根据工程建设的要求组织专项施工方案，施工方案包括人员、机械、材料、工艺工法、施工环境等要素的具体组织，管理人员对照标准规范或管理规定进行逐项审查，例如：人员证照是否齐全并满足专业要求，机械设备的功能性能是否满足使用要求，材料进场检验资料是否合格，工艺工法交底资料是否到位，施工环境是否满足安全规范的要求等；进入施工阶段后，管理人员需要根据施工计划情况进行巡检、抽检，在一些关键工艺环节，甚至需要进行现场的全程跟踪旁站，并进行测量记录，比如在给构件施加预应力及注浆的环节上，按照规范的要求要准确测量并实时记录施工参数；阶段性的工序工艺环节完成后，需要采用专用的设备进行抽检评估工序质量，抽检结果合格后再进行后序工艺的施工。

工程建设项目具有建设周期长、施工工序繁多、涉及责任主体众多、管理要求复杂等特点，其中预应力工程又属于技术要求很高的一个专项。在质量监测预警方面处在总体受控但问题不断的状态，质量通病普遍存在，由于过程监测的不到位，无法及时监测到出现的质量问题并予以解决，进而成为工程的质量安全隐患。具体而言还存在着以下问题：

(1)由于工程建设规模发展太快，施工过程中质量监督管理力量不足，不能针对重点环节、特殊工序实施差别化监测，使得监管工作陷于微观，既不能充分体现监督管理的价值，也无法提高监督管理的效率。

(2)技术方法手段的落后，无法有效地采集、传输并实时监测构件生产过程中关键工序的质量数据，无法实现质量数据与设计、制造、验收标准的自动比对，因此缺乏有效的质量预警手段。

(3)施工现场干扰因素多，施工环境复杂，场地交换频繁，容易造成工程施工节奏失衡，甚至停工、窝工等待。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统及方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，包括：

现场感知模块，用于采集施工现场人员、机具、材料的数据，并将采集的数据传输至数据处理模块；

监测配置模块，根据项目信息进行组织结构、用户权限、所述现场感知模块的初始化配置；

数据处理模块，接收所述现场感知模块的数据，并根据所述监测配置模块的初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求。

还包括融合预警模块，对监测结果进行发布。

该预应力施工监测预警系统的优选方案，所述现场感知模块包括设置于施工人员的可穿戴劳保用品上、工程构件材料上的射频识别标签或二维码标签，对所述射频识别标签、二维码标签进行信息采集的识别装置，以及施工机具上的传感器采集装置。通过对施工现场人员、机具、材料的数据采集，克服了人员流动性、个体差异性、行为随机性等特性带来的影响因素不可控问题。

该预应力施工监测预警系统的优选方案，所述监测配置模块在进行初始化配置时，在施工前进行预先配置，配置项目建设相关主体方至少包含施工单位、检测单位、建设单位3层权限层次结构，并包含各自权限层次范围中的构件信息及施工计划信息。

该预应力施工监测预警系统的优选方案，所述数据处理模块根据材料加工过程产生的应力应变关系变化进行数据特征识别；根据数据特征进行分类，将数据形态分为起始段、中间段、末尾段，并对无效数据、非关键数据和调试数据进行过滤清洗的预处理；再结合设计、施工、验收的规范标准的技术指标评判施工过程求得的预应力筋锚下有效预应力、最大张拉控制力、伸长量是否满足要求。

该预应力施工监测预警系统的优选方案，融合预警模块对施工过程中最大应力、实际伸长值、锚固后应力、伸长值校核数据、误差控制数据进行处理并发布监测结果信息。

本发明还提出了一种预应力施工监测预警方法，包括以下步骤：

在预应力构件施工中布置如上述的预应力施工监测预警系统；

现场感知模块采集施工现场人员、机具、材料的数据；

根据项目信息进行组织结构、用户权限、现场感知模块的初始化配置；

根据现场感知模块采集的数据以及初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求；

对不满足要求的相关参数进行发布预警。

本发明的有益效果是：本发明通过信息化和网络化的技术途径解决预应力施工过程重点环节的监测预警，通过建立覆盖质量关键要素的预警平台，广泛、自动、实时采集各关键要素的真实数据，并上传、汇总、分析、评价，及时判断并预警质量安全异常或偏差，为建设主管单位和人员实施差别化监测提供科学依据，提升质量监督效能。

在线监测技术充分考虑各种影响因素，跟踪施工全过程，能提前发现问题，以便于制定均衡作业方案，并以可视化的方式实现均衡施工技术方案交底，施工单位通过施工技术方案交底掌握施工情况，利于动态优化调整其施工方案；通过在线监测手段，全方位、全过程掌握施工质量，发现问题，便于施工作业人员提前预防问题产生和及时整改产生的问题，有利于实现均衡化施工作业，消除不必要的等待或错误所造成的浪费，能有效减少和避免了停工、窝工现象。

本发明基于施工机具传感器的多元信息采集，结合事件初始化配置参数模型，根据数据判断捕捉事件状态；根据具体现场感知模块的实时数据，进行科学有效的监测预警；记录的施工日志，整合历史数据链条，基于统计数据进行预测。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，包括现场感知模块、监测配置模块、数据处理模块和融合预警模块。

其中，现场感知模块用于采集施工现场人员、机具、材料等影响因素的数据，并将采集的数据传输至数据处理模块。

这里现场感知模块包括设置于施工人员的可穿戴劳保用品上、工程构件材料上的射频识别标签或二维码标签，对所述射频识别标签、二维码标签进行信息采集的识别装置，以及施工机具上的传感器采集装置，识别装置以及传感器采集装置将其识别或采集的信息传输至数据处理模块。

如图2所示，为便于管理，通常在可穿戴劳保用品上设置射频识别标签，这里的可穿戴劳保用品包括但不限于安全帽、安全绳、安全背心等，由射频识别装置对射频识别标签进行识别，以实现对人员的定位；在工程构件材料上设置二维码标签，以实现对工程构件材料的标记，由二维码识别装置对二维码识别标签进行识别。

监测配置模块根据项目信息进行组织结构、用户权限、现场感知模块的初始化配置。监测配置模块在进行初始化配置时，由系统管理员在施工前进行预先配置，要求配置项目建设相关主体方至少包含施工单位、检测单位、建设单位3层权限层次结构，并包含各自权限层次范围中的构件信息及施工计划信息。

数据处理模块接收现场感知模块的数据，并根据监测配置模块的初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求。具体为：根据材料加工过程产生的应力应变关系变化进行数据特征识别，根据数据特征进行分类，将数据形态分为起始段、中间段、末尾段，并对无效数据、非关键数据和调试数据进行过滤清洗的预处理，这里具体操作为本领域技术人员公知常识，采用现有技术实现即可；再结合设计、施工、验收的规范标准的技术指标将其与施工过程求得的预应力筋锚下有效预应力、最大张拉控制力、伸长量等关键参数进行比较、对各参数的趋势进行跟踪，评判是否满足规范标准的技术指标要求。这里采用现有方法计算预应力筋锚下有效预应力、最大张拉控制力、伸长量等关键参数。

融合预警模块，对监测结果进行发布，包括预警等级的管理和预警消息的推送。具体表现为对施工过程中最大应力、实际伸长值、锚固后应力、伸长值校核数据、误差控制数据的处理，处理内容包括但不限于根据预警等级管理中的各项目建设相关主体等级做出选择性的推送上述数据的策略，然后按该策略发布监测结果信息。在发布信息时，优选采用定向定时发布至应用程序可视化端，可视化端包括监控中心可视化大屏、各级管理人员的计算机Web端和小程序应用端。

本实施例中，施工机具上的传感器采集装置可采用以下结构实现：

在每个预应力构件的施工机具上设置物联终端，每个物联终端内部集成有对施工机具的运行数据进行采集的数据采集模块、对该数据采集模块所采集数据进行处理的边缘计算模块、数据储存模块和通讯模块。物联终端通过机械连接装置安装在施工机具上，采用模块化的设计组装方式，可根据现场施工机具管路结构快速匹配，以使物联终端内的传感器能够稳定可靠地接入施工机具获取对应的状态及参数，并针对施工现场的恶劣工况采用全封闭式的防水、防尘防护罩。

其中，数据采集模块包括应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元，所述应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元分别与边缘计算模块连接，各个应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元对其传感器的信号进行实时监控，并将监控的值经过协议编码后传输给边缘计算模块，以此完成数据采集过程。

边缘计算模块用于现场数据处理及基本逻辑控制，包括数据处理单元和逻辑控制单元。

数据处理单元在接收到数据后，对接收的数据编码进行解码，根据编码协议逆向定位数据来源，然后将该数据重新打包编码发送至逻辑控制单元；在重新打包时，依次打包编码物联终端的ID号、时间数据、电量数据、应力数据、应变数据和流量数据。

逻辑控制单元在接收到数据后实时进行逻辑运算，本实施例中仅用应力数据来判断是否达到触发阈值，如达到触发阈值，触发追踪模块追踪与该数据信息对应的数据采集模块。具体为：逻辑控制单元实时监测接收到的数据中应力数据是否大于触发阈值，如420，如果达到，则将收到的数据存储至物联终端的数据储存模块并发送至数据处理模块，并在数据储存模块内对该数据的发送状态进行标记，如发送成功，则标记为已发送，如发送失败，则标记为未发送；逻辑控制单元实时判断数据储存模块中是否存在未发送的数据，如有，则将未发送数据通过通信模块发送至数据处理模块；如无，则不发送数据。

因此，本实施例中，逻辑控制单元的作用有两点：

数据存储逻辑控制：对需要存储的数据进行筛选，即达到阈值触发条件的数据才进行存储，作用是完成数据在物联终端上的本地存储。

数据发送逻辑控制：对物联终端本地存储的数据进行传输，即通过通信模块将本地数据发送至数据处理模块，作用是完成物联终端本地存储数据的上传，包含实时上传和失败后重传的逻辑控制。

通讯模块集成于物联终端内部，通过电路板直接连接于数据采集模块上，并采用无线通信方式与数据处理模块进行数据和指令交互。通讯模块接收到数据后，模块进行网络配置，并主动向数据处理模块进行握手，完成连接后将数据采用透传模式进行发送，发送完毕并接收到数据处理模块返回数据后断开连接，并将接收到的数据发送给边缘计算模块，边缘计算模块标记其发送成功的数据，并存放于数据存储模块中；如通讯模块向数据处理模块发送数据失败，边缘计算模块标记其未发送成功的数据，并存放于数据存储模块中。

每个物联终端内部还集成有电源管理模块，电源管理模块用于整个系统电量管理，用电优化，安全管理，电源管理模块包含电量监测单元、分配管理单元。

电量监测单元通过对主电路中的电压根据节能管理算法进行监测，通常30s～43200s监测一次，将采集的电压值进行编码后发送给分配管理单元。分配管理单元接收到采集的电压数据后进行判断，如果最近一次采集的电压大于设定值，如3100，则进入正常模式，所有模块逻辑正常工作，当最近一次采集电压小于等于设定值，则进入节能模式，通讯模块不再进行供电。

本申请还提出了一种基于上述的预应力构件施工监测预警系统的预应力构件施工监测预警方法，包括以下步骤：在预应力构件施工中布置上述预应力施工监测预警系统，采集施工现场人员、机具、材料的数据。具体采集时，可在施工人员的可穿戴劳保用具上增设感知器件、在施工机具上增设传感器、在施工对象材料上增设信息卡，实现现场的数据与信息采集。

根据项目信息进行组织结构、用户权限、现场感知模块的初始化配置。

根据采集施工现场人员、机具、材料的数据以及初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求。在评价时，可根据物联终端的ID号定位数据来源，通过协议编码序号逆向关联施工机具、用户、组织、施工计划，将该数据对应到施工计划中的与该数据对应的构件及构件的具体位置和工序环节，以便能准确定位到相关参数不满足要求的构件。

当存在参数不满足要求时，进行预警，主要表现为对施工过程中最大应力、实际伸长值、锚固后应力、伸长值校核数据、误差控制数据进行处理并发布监测结果信息。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，其特征在于，包括：

现场感知模块，用于采集施工现场人员、机具、材料的数据，并将采集的数据传输至数据处理模块；

所述现场感知模块包括设置于施工人员的可穿戴劳保用品上、工程构件材料上的射频识别标签或二维码标签，对所述射频识别标签、二维码标签进行信息采集的识别装置，以及施工机具上的传感器采集装置；

所述传感器采集装置包括：在每个预应力构件的施工机具上设置的物联终端，每个物联终端内部集成有对施工机具的运行数据进行采集的数据采集模块、对该数据采集模块所采集数据进行处理的边缘计算模块、数据储存模块和通讯模块；数据采集模块包括应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元，所述应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元分别与边缘计算模块连接，各个应力采集单元、应变采集单元和流量采集单元对其传感器的信号进行实时监控，并将监控的值经过协议编码后传输给边缘计算模块；边缘计算模块用于现场数据处理及基本逻辑控制，包括数据处理单元和逻辑控制单元；数据处理单元在接收到数据后，对接收的数据编码进行解码，根据编码协议逆向定位数据来源，将该数据重新打包编码发送至逻辑控制单元；逻辑控制单元在接收到数据后实时进行逻辑运算，实时监测接收到的数据中应力数据是否达到触发阈值，如达到触发阈值，触发追踪模块追踪与该数据信息对应的数据采集模块，将收到的数据存储至物联终端的数据储存模块并发送至数据处理模块，并在数据储存模块内对该数据的发送状态进行标记，如发送成功，则标记为已发送，如发送失败，则标记为未发送；逻辑控制单元实时判断数据储存模块中是否存在未发送的数据，如有，则将未发送数据通过通信模块发送至数据处理模块；如无，则不发送数据；

监测配置模块，根据项目信息进行组织结构、用户权限、所述现场感知模块的初始化配置；

数据处理模块，接收所述现场感知模块的数据，并根据所述监测配置模块的初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求。

2.根据权利要求1所述的基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，其特征在于，还包括融合预警模块，对监测结果进行发布。

3.根据权利要求1所述的基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，其特征在于，所述监测配置模块在进行初始化配置时，在施工前进行预先配置，配置项目建设相关主体方至少包含施工单位、检测单位、建设单位3层权限层次结构，并包含各自权限层次范围中的构件信息及施工计划信息。

4.根据权利要求1所述的基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，其特征在于，所述数据处理模块根据材料加工过程产生的应力应变关系变化进行数据特征识别；根据数据特征进行分类，将数据形态分为起始段、中间段、末尾段，并对无效数据、非关键数据和调试数据进行过滤清洗的预处理；再结合设计、施工、验收的规范标准的技术指标评判施工过程求得的预应力筋锚下有效预应力、最大张拉控制力、伸长量是否满足要求。

5.根据权利要求2所述的基于工程物联网的预应力施工监测预警系统，其特征在于，融合预警模块对施工过程中最大应力、实际伸长值、锚固后应力、伸长值校核数据、误差控制数据进行处理并发布监测结果信息。

6.一种预应力施工监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

在预应力构件施工中布置如权利要求1-5任一项所述的预应力施工监测预警系统；

现场感知模块采集施工现场人员、机具、材料的数据；

根据项目信息进行组织结构、用户权限、现场感知模块的初始化配置；

根据现场感知模块采集的数据以及初始化配置参数评价预应力构件施工过程中的相关参数是否满足要求；

对不满足要求的相关参数进行发布预警。

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