一种水利工程土样检测系统的制作方法

本发明涉及检测系统，具体为一种水利工程土样检测系统。

背景技术：

1、堤防工程是流域防洪减灾体系的核心屏障，涵盖干流堤防、蓄滞洪区围堤、进退洪口门堤防等多类工程构筑物，其土体填筑压实质量直接决定堤防结构的抗渗、抗滑稳定性，是防洪工程安全运行的核心管控指标。含水率、湿密度、干密度及压实度是堤防土体填筑质量检测的核心指标，目前现场检测多以环刀法测定密度、酒精燃烧法测定含水率为主要手段，配合人工计算与合格判定，是堤防工程现场质量管控的常规方式。但在堤防工程全域质量管控场景下，尤其针对蓄滞洪区堤防的特殊工况，现有检测方式存在明确短板：

2、1.异常值判定无统一统计学标准，小样本下数据质量不可控。堤防工程现场平行试验通常仅设置2组，传统格拉布斯检验在小样本下统计效力严重不足，异常值剔除完全依赖检测人员个人经验，同一样品不同人员的判定结果差异可达5%以上；且蓄滞洪区堤防土性波动大、历史数据分散，绝大多数检测未结合同区域、同土类的历史数据做综合校验，漏判、误判率高，异常值识别过程无留痕，质量责任追溯无据可依。

3、2.参数修正维度缺失，存在系统性计算偏差。现有检测普遍直接采用环刀20℃标定容积计算密度，未考虑夏季野外高温环境下不锈钢环刀的容积膨胀误差；未考虑高压实度土体中环刀打入产生的挤密压缩效应，导致密度计算结果系统性偏大；同时蓄滞洪区堤防土体多为河湖冲淤积土，有机质含量普遍偏高，酒精燃烧法会将有机质烧失量计入水分质量，导致含水率结果偏高1%~2%，该偏差在堤防全线路检测中累积效应显著，直接影响压实度的合格判定准确性。

4、3.规范参数人工匹配易出错，全线路判定标准不统一。堤防工程涵盖堤身主体、堤顶道路、护坡垫层、蓄滞洪区进退洪闸路基等多类工程部位，对应细粒土、砂壤土、砾质土等多类土性，不同工况的平行差允许值、压实度判定阈值各不相同；野外作业环境下不便查阅规范条文，人工选取参数的错配率可达15%以上，导致不同检测人员、不同批次的判定尺度不一致，全线路质量管控口径不统一。

5、4.仅能单点检测，无法支撑全域质量评估。传统检测仅输出孤立的单点压实度结果，而堤防工程线路绵长、测点分散，蓄滞洪区围堤更是面广线长，离散测点无法反映连续区域的压实质量分布，难以快速定位质量薄弱区段，无法支撑全段堤防压实质量验收与整体风险研判，也难以满足堤防工程分段验收、全线达标的管控需求。

6、5.野外作业适配性差，检测效率难以满足管控要求。传统现场检测需分散携带称量工具、取样设备、记录表格等多套器材，堤防工程多位于郊野无铺装场地，蓄滞洪区场地条件更为复杂，大风、高温天气对称量精度干扰显著；数据记录依赖手写录入，野外单手操作不便，单点位含人工计算的完整检测流程耗时约45~60分钟，难以适配堤防工程大范围、高频次的现场抽检需求，也无法支撑汛期前快速质量排查的管控要求。

技术实现思路

1、本发明公开的一种水利工程土样检测系统，是一套“硬件载体以及软件功能”深度集成的现场闭环检测系统；硬件层以便携式集成检测箱体为载体，集成各个功能模块；软件层部署数据采集存储、异常值智能识别与修正、多参数联动计算、多工况参数适配、结果判定与研判、全链路数据管理、可视化终端交互七大功能模块。系统可在无外网环境下独立运行，现场完成从土样制备、数据采集、计算分析到合格判定、报告生成的全流程检测。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水利工程土样检测系统，包括数据输入模块、智能异常值识别与修正模块、多参数联动计算模块、多工况参数适配模块、结果判定与输出模块、数据管理模块和终端交互模块；

3、所述数据输入模块用于接收用户输入的土样检测实测基础数据及环境参数，支持扫码录入和语音录入，并对输入数据的格式有效性进行初步校验；

4、所述智能异常值识别与修正模块基于加权格拉布斯检验法和历史检测数据模型，对输入的实测基础数据进行统计学分析，自动识别离群值并给出修正建议，同时记录异常数据的识别过程；

5、所述多参数联动计算模块预存有符合土工试验方法标准的全流程计算公式，能够基于输入的实测基础数据和环境参数，自动完成含水率、湿密度、干密度和压实度的关联计算、误差传递分析和平行试验结果整合；

6、所述多工况参数适配模块内置不同土类（细粒土、砂类土、砾类土）和不同工程部位（堤防、路基、坝体）的规范参数库，能够根据用户选择的工况自动调整计算参数、平行差阈值和判定标准；

7、所述结果判定与输出模块用于将计算得到的检测结果与预设的规范阈值及工程设计要求进行比对，自动生成包含置信度评估的合格判定结论，并实时输出标准化检测结果和可视化图表；

8、所述数据管理模块用于对所有检测记录进行统一存储、分类查询、批量管理和安全加密；

9、所述终端交互模块用于提供用户与系统之间的可视化交互界面，实现数据输入、功能选择、结果展示和系统设置操作：

10、优选的，所述数据输入模块支持接收的实测基础数据包括盒编号、盒质量、盒加湿土质量、盒加干土质量、环刀编号、环刀20℃标准容积、环刀质量、环刀加湿土质量、土样最大干密度、设计压实度要求和土样有机质含量；支持接收的环境参数包括现场温度、现场风速和现场大气压；

11、所述数据输入模块内置设备二维码识别功能，扫描环刀或铝盒上的二维码可自动调取预存的设备编号和标准参数；内置语音识别引擎，支持野外单手操作时的语音数据录入；数据输入时自动关联当前检测编号、工程部位和gps定位信息，实现检测数据与实体对象的一一绑定；支持通过外接温湿度传感器和气压传感器自动采集环境参数，无需人工输入。

12、优选的，所述智能异常值识别与修正模块的工作流程包括以下步骤：

13、s11.接收数据输入模块传输的组平行试验的实测数据序列，其中为当前平行试验组数，；

14、s12.调用数据管理模块，获取同工程部位、同土类、近30天的历史检测数据序列，其中为历史检测数据组数，；

15、s13.计算历史数据序列的算术平均值和标准偏差；

16、s14.计算当前数据序列的算术平均值和标准偏差；

17、s15.计算加权综合标准偏差：

18、；

19、式中：为结合历史数据的加权综合标准偏差；为当前平行试验数据的标准偏差；为历史检测数据的标准偏差；为当前平行试验组数；为历史检测数据组数；

20、s16.计算每个数据点的加权格拉布斯统计量：

21、；

22、式中：为第个数据点的加权格拉布斯统计量；为第组当前平行试验数据；为当前平行试验数据的算术平均值；为历史检测数据的算术平均值；为加权综合标准偏差；为当前平行试验组数；为历史检测数据组数；

23、s17.将最大加权格拉布斯统计量与对应置信水平（95%）下的格拉布斯临界值进行比对：

24、若，则判定所有数据均为有效值，将数据序列传输至多参数联动计算模块；

25、若，则判定对应数据点为离群值，自动剔除该数据点并在终端交互模块上显示检测到异常值，已自动剔除的提示信息，同时记录该异常值及其识别过程；

26、s18.重复步骤s14-s17，直至数据序列中无离群值或剩余数据组数小于2，若剩余数据组数小于2则提示用户重新进行试验。

27、优选的，所述多参数联动计算模块的含水率计算流程包括以下步骤：

28、s21.接收经智能异常值识别与修正模块处理后的第组平行试验的盒质量、盒加湿土质量和盒加干土质量，其中为平行试验组号，；

29、s22.根据盒加湿土质量与盒加干土质量的差值计算第组试验的水分质量，根据盒加干土质量与盒质量的差值计算第组试验的干土质量；

30、s23.计算第组试验的原始单组含水率：

31、；

32、式中：为第组土样的原始含水率（%）；为第组土样中水分的质量（g）；为第组土样中干土的质量（g）；

33、s24.调用多工况参数适配模块，根据当前检测土类获取对应的有机质燃烧损失系数和含水率平行差允许值；

34、s25.接收数据输入模块传输的土样有机质含量，计算第组试验的修正后单组含水率：

35、；

36、式中：为第组土样修正有机质燃烧损失后的含水率（%）；为第组土样的原始含水率（%）；为对应土类的有机质燃烧损失系数（无量纲）；为土样的有机质含量（%）；

37、s26.计算所有修正后单组含水率的极差，将极差与平行差允许值进行比对：

38、；

39、式中：为修正后单组含水率的极差（%）；为所有修正后单组含水率中的最大值（%）；为所有修正后单组含水率中的最小值（%）；

40、若，则计算所有平行试验组修正后含水率的算术平均值，将其作为最终含水率结果并传输至干密度计算单元；

41、若，则提示用户含水率平行差超出规范允许范围，请重新进行试验。

42、优选的，所述多参数联动计算模块的湿密度和干密度计算流程包括以下步骤：

43、s31.接收经智能异常值识别与修正模块处理后的第组密度试验的环刀20℃标准容积、环刀质量和环刀加湿土质量，其中为密度试验组号，；

44、s32.接收数据输入模块传输的现场温度，计算现场温度下的环刀实际容积：

45、；

46、式中：为现场温度下的环刀实际容积（cm3）；为环刀在20℃标准温度下的标定容积（cm3）；为环刀材料的线膨胀系数（℃-1），不锈钢环刀取；为现场环境温度（℃）；

47、s33.调用多工况参数适配模块，根据当前检测土类和设计压实度要求获取对应的环刀打入压缩系数；

48、s34.计算压缩修正后的环刀有效容积：

49、；

50、式中：为修正环刀打入土体压缩效应后的有效容积（cm3）；为现场温度下的环刀实际容积（cm3）；为对应土类和压实度的环刀打入压缩系数（无量纲）；为设计压实度要求（%）；

51、s35.根据环刀加湿土质量与环刀质量的差值计算第组试验的土样湿质量；

52、s36.计算第组试验的单组湿密度：

53、；

54、式中：为第组土样的湿密度（g/cm3）；为第组环刀内土样的湿质量（g）；为修正后的环刀有效容积（cm3）；

55、s37.调用多工况参数适配模块，根据当前检测土类获取对应的湿密度平行差允许值；

56、s38.计算所有单组湿密度的极差，将极差与平行差允许值进行比对：

57、

58、式中：为单组湿密度的极差（g/cm3）；为所有单组湿密度中的最大值（g/cm3）；为所有单组湿密度中的最小值（g/cm3）；

59、若，则计算所有平行试验组湿密度的算术平均值，将其作为最终湿密度结果并传输至干密度计算单元；

60、若，则提示用户湿密度平行差超出规范允许范围，请重新进行试验；

61、s39自动调用步骤s6得到的最终含水率结果，计算土样的最终干密度并传输至压实度计算单元：

62、；

63、式中：为土样的干密度（g/cm3）；为土样的湿密度（g/cm3）；为土样的含水率（%）。

64、优选的，所述多参数联动计算模块的压实度计算与区域质量评估流程包括以下步骤：

65、s41.接收数据输入模块传输的土样最大干密度和设计压实度要求；

66、s42.自动调用步骤s39得到的最终干密度结果，计算土样的实际压实度：

67、；

68、式中：为土样的实际压实度（%）；为土样的干密度（g/cm3）；为土样的最大干密度（g/cm3）；

69、s43.基于平行试验的离散程度计算压实度结果的95%置信区间：

70、计算干密度的标准偏差：

71、；

72、式中：为干密度的标准偏差（g/cm3）；为第组土样的干密度（g/cm3）；为最终干密度结果（g/cm3）；为有效平行试验组数；

73、计算95%置信水平下的压实度置信区间：

74、；

75、式中：为土样的实际压实度（%）；为自由度为、置信水平为95%时的t分布临界值；为干密度的标准偏差（g/cm3）；为土样的最大干密度（g/cm3）；为有效平行试验组数；

76、s44.根据置信区间宽度评估结果的置信度：

77、若置信区间宽度≤2%，则判定结果置信度为高；

78、若2%<置信区间宽度≤5%，则判定结果置信度为中；

79、若置信区间宽度>5%，则判定结果置信度为低，提示用户增加平行试验组数以提高结果可靠性；

80、s45.调用数据管理模块，获取同一工程部位所有已检测点的压实度数据和gps坐标，采用普通克里金插值法计算该工程部位任意点的压实度估计值：

81、计算实验半变异函数：

82、；

83、式中：为距离为时的实验半变异函数值；为两个检测点之间的空间距离（m）；为距离为的检测点对数量；为第个检测点的压实度（%）；为与第个检测点距离为的检测点的压实度（%）；

84、拟合指数型理论半变异函数模型：

85、；

86、式中：为理论半变异函数值；为块金值（反映测量误差和短距离变异）；为基台值（反映总变异程度）；为变程（反映空间相关性范围）；为两个检测点之间的空间距离（m）；

87、求解克里金方程组得到插值权重系数；

88、计算待估点压实度估计值：

89、；

90、式中：为待估点的压实度估计值（%）；为第个已知检测点的插值权重系数；为第个已知检测点的压实度（%）；

91、s46.根据插值结果计算该工程部位的整体压实度合格率：

92、；

93、式中：为工程部位整体压实度合格率（%）；为压实度≥的区域面积（m2）；为工程部位总检测面积（m2）；

94、s47.将计算得到的单点实际压实度、置信区间、置信度等级、区域压实度分布和整体合格率传输至结果判定与输出模块。

95、优选的，所述结果判定与输出模块的判定与输出流程包括以下步骤：

96、s51.接收多参数联动计算模块传输的单点实际压实度、置信区间、置信度等级、区域压实度分布和整体合格率；

97、s52.调用多工况参数适配模块，根据当前工程部位获取对应的设计压实度要求和风险分级阈值；

98、s53.对单点压实度进行四级风险分级判定：

99、若，则判定为合格，生成绿色合格标识及检测合格字样；

100、若，则判定为轻微不合格，生成黄色警示标识及压实度略低于设计要求，建议加强后续施工控制字样；

101、若，则判定为一般不合格，生成橙色警示标识及压实度低于设计要求，需在该点附近加倍取样复检字样；

102、若，则判定为严重不合格，生成红色不合格标识及压实度严重低于设计要求，需立即返工处理字样，并自动在电子地图上标记该不合格点的gps位置；

103、s54.对工程部位整体质量进行三级判定：

104、若整体合格率≥95%且无严重不合格点，则判定为整体质量优良；

105、若90%≤整体合格率<95%且无严重不合格点，则判定为整体质量合格；

106、若整体合格率<90%或存在严重不合格点，则判定为整体质量不合格，生成整体质量整改通知书；

107、s55.整合含水率、湿密度、干密度和压实度的原始数据、计算过程、平行差校验情况、置信度评估结果、单点判定结论和整体质量判定结论，生成标准化检测结果页面；

108、s56.自动生成检测数据的可视化图表，包括单组数据柱状图、平行试验趋势图、区域压实度等值线图和工程部位质量热力图，并在终端交互模块上实时展示。

109、优选的，所述数据管理模块采用aes-256加密非易失性存储器，能够存储至少100000条完整的检测记录；每条检测记录包含唯一的检测编号、检测时间、gps定位信息、检测人员姓名、工程部位、土类、环境参数、实测基础数据、异常值识别记录、中间计算结果、最终检测结果、置信度等级、单点判定结论、整体质量判定结论和操作日志；

110、所述数据管理模块支持按检测时间、土样编号、检测人员、工程部位和检测结果进行多条件组合查询检索；支持检测记录的修改和删除操作，所有修改和删除操作均自动生成不可篡改的审计日志；支持检测数据的自动备份和云端同步，在网络恢复后自动将本地数据同步至云端服务器；

111、所述数据管理模块内置质量趋势分析单元，能够自动分析近7天、30天和90天的检测数据，计算压实度的移动平均值、标准偏差和变异系数，绘制质量趋势曲线；当压实度标准偏差超过预设阈值或连续3天出现下降趋势时，自动发出施工工艺异常预警。

112、土样检测系统集成安装在便携式集成检测箱体内，所述便携式集成检测箱体包括箱体本体，箱体本体内部分隔为设备收纳区、减震称量区和密闭防风作业区；设备收纳区内设置有多个与土样检测工具外形相适配的eva泡棉固定卡槽，每个卡槽对应一个唯一的二维码；减震称量区内设置有柔性硅胶减震底座和电子天平，电子天平与土样检测系统通信连接；密闭防风作业区设置有可开合的磁吸式透明防风围挡，作业区内安装有温湿度传感器和气压传感器。

113、本发明提供了一种水利工程土样检测系统，具备以下有益效果：

114、1.通过加权格拉布斯检验法结合同工况历史数据识别异常值，解决了堤防工程小样本平行试验下人工判异主观性强的共性问题，识别过程全程留痕可追溯；同步实现环刀温度容积、土体压缩效应、有机质燃烧损失三项系统误差修正，既适用于普通堤防常规土性的精准检测，也能有效抵消蓄滞洪区冲淤积土有机质含量高带来的检测偏差；配套压实度置信度分级评估机制，进一步保障结果可信度，可满足堤防工程不同部位、不同土类的差异化检测要求。

115、2.基于克里金插值法生成区域压实度分布热力图，突破传统单点检测的局限，可快速定位质量薄弱区域，既适配蓄滞洪区长线路、大范围围堤的整体质量研判，也可满足常规堤防分段验收、全线排查的管控需求；全量检测数据采用加密存储、操作全留痕，支持多条件追溯查询；内置质量趋势分析单元，可自动预警质量波动，推动堤防质量管控从事后检测向过程预判延伸。

116、3.一体化便携检测箱体集成称量、传感、终端等全套设备，配套减震底座与密闭防风作业区，有效降低野外震动、大风对称量精度的干扰，既适配普通堤防郊野作业场景，也能满足蓄滞洪区复杂野外环境的使用要求；支持扫码调参、传感器自动采数、语音录入，简化现场操作流程，单点位检测时长显著缩短，可满足堤防工程大范围高频抽检、汛期前快速排查的作业需求。

117、4.内置多工况规范参数库，可自动匹配不同土类、工程部位的判定阈值，覆盖堤身主体、堤顶道路、护坡垫层及蓄滞洪区进退洪设施等全类堤防工况，避免人工参数错配，统一全线路检测判定尺度；形成从数据采集到结果输出的全闭环自动流程，减少人为操作失误；配套标准化四级风险分级与整体质量判定机制，自动生成整改意见，构建完整的堤防工程质量管控闭环。