夾巖水利樞紐工程運行管理中主要結構物巡檢系統的構建

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

1 工程概述

夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）屬于Ⅰ等大（一）型工程，是一座以城鄉供水和灌溉為主、兼顧發電并為區域扶貧開發及改善生態環境創造條件的綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程等組成［1］。工程于2013年10月正式動工建設，2017年9月順利實現截流，目前整個工程依據初設報告已完成了大部分主體建筑的施工建設。工程建設完成后如何通過現代化管理手段確保工程安全以及高效穩定地運行是管理單位需要重點關注的問題。

巡視檢查是保障水工建筑物安全運行的一種常用手段，可在宏觀層面直觀發現工程缺陷［2］，傳統的方法為人工作業。然而受作業模式和工程環境的制約，這一方法存在工作效率低、主觀性強和成果零散等不足［3］。基于此，本文結合夾巖工程巡檢工作的實際需求，在人工巡檢的基礎上構建了包含智能安全帽、無人機和無人船等設備在內的主要結構物巡檢系統和應用客戶端，以期為工程安全運行提供智能化、高效化和安全化的巡檢作業方式。

2 主要結構物巡檢系統構建

2.1 巡檢系統需求分析

根據工程運行管理需要，主要結構物巡檢系統需要具備以下基本功能：

（1）規范統一、標準的巡檢方案，包括結構物、設備、設施的檢查內容，檢查方法，正常參考標準，重點檢查項目，檢查頻次等。

（2）定人員、定時間、定任務、定標準的周期巡檢計劃。

（3）巡檢信息的手動輸入或選擇（設備運行狀態、參數、周圍環境變化等）；發現缺陷和隱患可采用圖像、視頻、文字等方式采集并上傳信息。

（4）對巡檢信息的匯總處理，可自動統計、分析、生成各種巡檢報告。

（5）巡檢過程中發現的隱患進入缺陷管理流程進行處理，實現隱患的閉環管理。

（6）對巡檢人員的工作進行量化考核，全部由系統自動統計、分析、生成各種考核報表。

（7）可在應用平臺上直觀查看巡檢點完成情況、漏巡點位置等，并自動記錄巡檢軌跡，可實時抽查監督巡檢人員的工作位置，對歷史巡檢軌跡進行動態回放，方便管理者隨時調閱查證。

（8）可為巡檢人員制定巡檢計劃、巡檢路徑規劃等。

2.2 巡檢系統構建思路

（1）為保障巡檢人員的人身安全，同時能讓前端現場巡檢更加智能化，讓后端管理監控更加高效，給巡檢人員配備智能安全帽、智能手持移動終端等智能輔助設備；在重點巡檢區域、巡檢點安裝巡檢射頻標識，在各主要設備、主要區域安裝二維碼，用于同手持終端APP的交互通訊。

（2）在傳統的水庫周邊環境、渠道的動態監測中，巡檢人員需攜帶相機在大壩圍欄上對水庫周邊環境拍照取證來獲得水庫的工程安全情況，針對山區渠道一般采用徒步的方式對上下游渠道工程情況進行巡檢。在巡檢過程中，若遇到大面積渠道水質污染或工程損壞時，無法宏觀精確地得出巡檢結果，同時會因為作業面積廣闊，人工巡檢調查緩慢，進而擴大工程安全隱患的影響。針對這一問題，系統設計配備巡檢無人機和巡檢無人船，用于水庫邊緣區及部分偏僻渠道環境比較惡劣地段的巡檢。

（3）為實現數據整合共享，分析挖掘巡檢過程中出現的問題，需要研發巡檢系統應用客戶端，實現安全生產管理決策輔助功能。

2.3 巡檢系統硬件組成

2.3.1 智能安全帽

智能安全帽集定位、感知、預警和音視頻交互為一體，通過后臺的綜合業務平臺，實現前端現場巡檢和后端管理的實時連動、信息的同步傳輸與存儲以及數據的采集與分析。

2.3.2 二維碼與射頻標簽

二維碼是用特定的在平面二維方向上分布的幾何圖形按一定規律圖形作為數字對象唯一識別符的類似信息數據的鑰匙［4］。射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，其射頻標簽支持快速讀寫、定位、長期跟蹤和移動識別的特性［5］。根據運行管理需要，在工程的重點巡檢區域、巡檢點安裝巡檢射頻標識，在各主要設備、主要區域安裝二維碼，可以用于同手持終端APP的交互通訊。

2.2.3 智能手持移動終端

巡檢人員通過智能手持移動終端上的軟件應用平臺，可在權限范圍內開展巡檢工作。手持終端軟件應用平臺包含巡檢方案制定、巡檢記錄上傳、巡檢報告生成、巡檢路徑規劃及巡檢人員實時軌跡監控等功能。

2.2.4 無人機

在主要結構巡檢系統中設置巡查無人機與巡檢無人機，巡查無人機主要用于工程范圍內定期影像、三維地形等數據獲取，巡檢無人機主要是采用圖傳系統輔助巡視檢查。

（1）巡查無人機。在調度中心配備一臺固定翼無人機，對庫區、灌區及水庫管理區等必要范圍進行定期影像、三維地形等的數據獲取，排查目標較為明顯的污染源、違法亂建等情況，并可對數字模型進行定期更新。

（2）巡檢無人機。主要用于解決特殊結構物（如大壩、溢洪道、取水口）、長距離輸水管線、高大建筑物等交通條件差、人員可及范圍以外等情況，常規巡檢手段存在操作難度大、檢查盲區、巡檢成本高、效率低等問題。巡檢無人機通過實時圖傳系統進行輔助巡檢，將在很大程度上解決上述難題，同時亦可應用于突發情況下的現場勘查和應急指揮等。

2.2.5 無人船

按照工程實際需求，巡檢無人船分為庫區巡檢無人船與灌區輸水長隧洞無人船。配備了1套庫區巡檢無人船，主要應用于水源區，需要時也可應用于反調節水庫、囤蓄水庫及管線末端水庫等的庫區；配備了2套灌區輸水長隧洞無人船，主要用于灌區輸水長隧洞巡視檢查。

（1）庫區巡檢無人船。該船體積較大，抗風浪能力強，續航能力強，可搭載高清視頻監控系統、水下地形測量設備、三維激光掃描儀等設備進行智能化巡檢，主要用于庫區水域及庫岸邊坡等區域的巡視，并通過4G/5G網絡實現數據實時傳輸，其具體功能要求包括：①可實現人工手動遙控操作，半自主導航航行，全自主導航航行、避障，操作過程實時視頻監控航行，后臺控制中心遠程操作，遠程監控等。②人工手動操作，通過遙控器在2 km距離范圍內進行船的航行和任務操作，主要用于現場快速執行任務及復雜水域、近岸航行和任務系統的執行操作。③自主導航航行，通過后臺基站軟件發送航行任務，無人船利用GNSS定位系統進行自主航行，操作人員隨時介入進行任務系統的執行及關鍵信息的處理。④自主導航、自主避障航行，無人船利用GNSS定位系統，接收基站發送的航行信息和任務信息，全自主地完成航行、執行任務。具備通信中斷自主回航、自動規避障礙物功能。通過視頻監控可實現工作現場視頻信息回傳。⑤4G/5G遠程操作，無人船船體具備4G/5G數據傳輸功能，可接入后臺監測系統。通過控制中心的統一部署，可遠程操作現場無人船半自主工作，可發送航行/任務信息實現遠程自主航行。無人船可實時向后臺發送航行狀態信息、任務系統執行狀態和任務結果。支持多無人船的同時工作和同時回傳。

（2）灌區輸水長隧洞巡檢無人船。因灌區隧洞空間相對狹窄，船體相對較小，為了滿足長隧洞巡檢要求，應具備續航能力強，輸水長隧洞內定位及自主導航功能，可搭載高清視頻監控系統。具體功能要求包括：①在有網絡通訊情況下，可實現與庫區巡檢無人船相同的人工手動遙控操作，人工手動操作，自主導航航行、自主導航、自主避障航行等功能。②在輸水隧洞內部，結合陀螺儀、慣導、里程計等設備，在無GPS信號與通訊網絡情況下，可根據預設路線自主航行，并進行概略定位，定位精度不低于5 m。③配合照明設備，無人船搭載的高清視頻監控系統可對輸水隧洞內部情況進行視頻監控，因無通訊網絡無法實現實時視頻傳輸，暫時將視頻監控成果儲存在設備中，待駛離隧洞并能接收到網絡信號后再將視頻數據傳輸至服務器。

2.4 巡檢系統應用平臺功能設計

主要結構物巡檢系統基于WebGIS平臺，用以實現夾巖工程主要結構物的巡視檢查管理工作，提供巡檢方案的制定，現場巡檢數據及影像資料、維護保養實時記錄上傳及報告生成，巡檢路線軌跡實時監控等功能。

2.4.1 巡檢方案制定

系統需結合水庫巡檢的實際需要，按照巡檢類型（日常巡檢、汛期巡檢、訊后巡檢、特別巡視等）制定巡檢方案，包括巡檢的區域、路線及重點安全隱患等。

2.4.2 巡檢數據上傳及分析

系統具有巡檢數據上傳分析功能，包括智能安全帽、智能手持終端、無人機及無人船采集的巡檢數據、記錄和影像資料。系統內置多種模板，具備巡檢報告、報表自動生成及打印輸出等功能。

2.4.3 巡檢問題上報及推送

在巡查過程中發現問題或安全隱患需要整改處理時，在系統中以視頻、圖片、文字等方式推送給指定的相關責任人并要求其在指定的時間內處理問題。

2.4.4 巡檢路線軌跡實時監控

系統可對巡視檢查人員及設備進行實時地圖定位監控，能夠按時間序列在地圖上生成巡檢軌跡，并能實時將問題發生位置在地圖上標記出來。

2.4.5 巡檢數據可視化查詢

系統可根據防洪安全隱患、結構安全隱患、滲流安全隱患等各類型隱患，有針對性地查詢各種信息，如隱患、圖片、視頻、對策建議、相關案例等，便于管理人員對隱患部位進行實時跟蹤，掌握工程運行狀態。

系統可查找任意時間的巡檢記錄，包括巡檢視頻、巡檢人員、巡檢軌跡、問題區域及維護保養記錄等。

2.4.6 巡檢數據管理

系統具有巡檢數據管理功能，包括隱患部位管理、維護保養記錄管理、巡檢設備檔案管理及巡檢人員管理等。

2.4.7 系統用戶角色管理

根據不同的用戶和角色進行權限劃分。

3 結語

夾巖工程涉及點多面廣，巡視檢查工作任務繁重且傳統巡查方式效率低下。隨著移動通訊、空間定位技術的發展以及測量手段的不斷創新，結合智能安全帽、無人機和無人船等設備進行結構物巡檢，符合工程實際需求，在此基礎上構建巡檢應用平臺，實現全部數據的匯集和深度分析，不僅能夠提高現場作業效率，還能輔助安全生產管理決策，提高工程運行管理水平。