大渡河流域電站大壩數(shù)字化巡檢系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

彭 秀 華， 吳 雙 利， 胡 瀚 尹， 趙 杰， 羅 正 英

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.國電金沙江旭龍水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

水庫大壩的安全關(guān)系著下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全和社會的穩(wěn)定，巡視檢查作為水庫大壩安全管理的重要手段[1]，能夠及時掌握水庫大壩的運行狀況，發(fā)現(xiàn)水工建筑物及發(fā)電設(shè)備的缺陷并及時采取防范措施。目前，水力發(fā)電企業(yè)的電站檢查項目類型多、數(shù)量大、分布范圍廣。傳統(tǒng)的巡檢工作多采用手工記錄的方式進行，致使巡檢工作受到環(huán)境干擾、人員素養(yǎng)等因素的影響，缺乏巡檢過程的管控與約束，且工作量大，巡檢效率較低，紙質(zhì)的巡檢記錄不易于保存。

隨著無線通信技術(shù)及移動通訊設(shè)備的快速發(fā)展，移動智能設(shè)備(如智能手機、平板等)越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)中[2]。近年來，NFC功能也逐漸運用于手機端[3]。NFC又稱近距離無線通信，是一種短距離的高頻無線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進行非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问浇粨Q數(shù)據(jù)。手機作為一個讀取NFC芯片的設(shè)備，對寫有不同信息及ID的標簽卡內(nèi)容讀取ID并實現(xiàn)識別上傳功能。利用NFC手機讀取NFC芯片的功能，來實現(xiàn)精確定點的巡視檢查功能，同時利用手機的GPS定位[4]、圖像采集、信息上傳等功能實現(xiàn)定巡檢NFC芯片內(nèi)容識別、GPS位置信息上傳、現(xiàn)場缺陷隱患照片上傳、消息推送等相關(guān)功能。NFC芯片具有成本低、體積小、抗干擾能力高等特點，可適合于不同的環(huán)境。

大渡河公司自主研發(fā)的數(shù)字化巡視檢查系統(tǒng)，已在龔嘴、銅街子、瀑布溝、深溪溝四座電站成功應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件架構(gòu)

巡檢系統(tǒng)軟件由WEB應(yīng)用端(水電站巡檢信息系統(tǒng)管理系統(tǒng)網(wǎng)站)和手機APP移動端(水電站巡檢信息管理系統(tǒng)移動版)組成(圖1)，同時系統(tǒng)支持外部系統(tǒng)調(diào)用接口。信息管理采用Web網(wǎng)站方式實現(xiàn)。在實際檢查過程中采用移動設(shè)備作為巡檢設(shè)備，采用NFC近場通信技術(shù)實現(xiàn)實時記錄巡檢信息，并最終同步到系統(tǒng)中，經(jīng)審核后發(fā)布。

圖1 巡檢系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問控制層和數(shù)據(jù)服務(wù)接口，通過對軟件層次結(jié)構(gòu)的抽象和組合(圖2)，能夠?qū)?shù)據(jù)訪問、業(yè)務(wù)邏輯處理和用戶界面展示部分進行分割和組裝，使得軟件系統(tǒng)具備很好的伸縮性和靈活性，更好地適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫類型和不同層次用戶的特殊需求。

圖2 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能構(gòu)成

巡檢系統(tǒng)按功能可分為NFC智能移動終端App、NFC標簽、Web后臺管理及審核系統(tǒng)三部分。智能移動終端App包括實時巡查和標簽讀寫兩個App。標簽讀寫App利用NFC技術(shù)，通過智能移動終端從標簽讀取信息或?qū)⑿畔懭霕撕?，NFC標簽支持一定字數(shù)的文字、字母和數(shù)字的寫入及儲存。實時巡查App則作為本系統(tǒng)的主要應(yīng)用部分，采集信息并實時上傳。Web后臺管理及審核系統(tǒng)用于對巡查路線的編制、調(diào)整和管理，以及對巡查內(nèi)容的查看和審核。

“實時查詢App”基于Android平臺開發(fā)，智能移動設(shè)備適應(yīng)室外、潮濕、高溫、長時間等不同的工作環(huán)境要求。以瀑布溝電站為例，分為庫壩中心的監(jiān)測、電廠的壩工兩個專業(yè)共16條路線。在開始巡查界面，選擇需要進行的巡查路線。開始巡查后，進入等待標簽掃描界面，掃描開始標簽后，自動進入巡查內(nèi)容。對一個對象完成巡查后，進入下一個對象，如有需要可查看上一個。一次完成一條路線各個區(qū)段所有對象的巡查后，需要在最后填入巡查人員、總體評價和詳細描述。

“標簽讀寫App”采用NFC標簽的不能更改的唯一ID作為區(qū)段約束標識，通過讀取NFC標簽唯一ID保證了標簽無法篡改。

“Web管理和審核”主要用來對巡檢路線進行預(yù)設(shè)和靈活的編輯、組合，審核主要用來對巡檢結(jié)果進行審查和統(tǒng)計查詢。

1.3 巡檢標牌設(shè)計

考慮到大壩廊道、野外邊坡等惡劣環(huán)境以及企業(yè)管理需要，巡檢標牌應(yīng)兼顧美觀、防水、穩(wěn)固、易于維護等特點，因此，在選擇防潮NFC芯片的同時，自主設(shè)計了巡檢標牌。

巡檢標牌由正面和背面兩部分組成，正面內(nèi)容包括企業(yè)VI與巡檢點名稱。為保證標牌名稱的靈活可換，在正面一塊開寬為12 mm的標準透明窗格，用于粘貼標簽機打印的標準寬度為12 mm的標牌名稱。背面根據(jù)購買的NFC芯片的大小，設(shè)置專門的芯片粘貼位置?？紤]到防水功能，在粘貼標牌的兩部分時，做全包圍粘貼。

2 巡檢系統(tǒng)創(chuàng)新點

2.1 巡視檢查數(shù)字化

相對于傳統(tǒng)的人工巡檢模式，數(shù)字化巡檢技術(shù)依托NFC與智能手機結(jié)合的方式，利用手機通訊和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)實時上傳巡查結(jié)果和時間信息，實現(xiàn)了巡檢工作的無紙化管理，同時保證了巡檢結(jié)果的時效性、真實性。通過系統(tǒng)的統(tǒng)計查詢功能，實現(xiàn)單個對象的歷史縱向統(tǒng)計查詢，為決策提供更加精確的信息支撐。

2.2 線路調(diào)整靈活化

傳統(tǒng)人工巡檢是通過事先編制的巡查記錄表進行巡查，一旦路線發(fā)生變動，需將原記錄表作廢，重新規(guī)劃巡查路線并制作新的巡查記錄表，編制工作繁瑣、耗時長、效率低。

在數(shù)字化巡檢系統(tǒng)中，可以對巡檢路線、巡檢區(qū)段、巡檢對象及其檢查內(nèi)容進行靈活編輯和組合，使巡查路線的規(guī)劃和巡查內(nèi)容可以靈活地根據(jù)工作內(nèi)容和管轄業(yè)務(wù)的調(diào)整及時進行調(diào)整，更適應(yīng)管理的需要。

2.3 影像采集便捷化

在傳統(tǒng)的巡檢方式下，巡檢人員通常利用照相機、錄像機等設(shè)備進行影像資料搜集，完成巡查后再進行資料的導(dǎo)出與歸檔，一方面增加了在高邊坡等危險區(qū)域的安全風險，另一方面拍攝與導(dǎo)出工作效率不高，也容易出現(xiàn)疏漏。利用智能手機配套的高清攝像頭，能夠快速、實時地采集現(xiàn)場影像資料，尤其是在電站建設(shè)期的施工環(huán)境中更便于使用。通過搜集施工期影像資料，形成完整的工程全生命周期檔案，為后續(xù)管理提供依據(jù)。

2.4 接口設(shè)計開放化

數(shù)字化巡檢系統(tǒng)在設(shè)計階段考慮到系統(tǒng)的可擴展性，將業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層封裝為統(tǒng)一的服務(wù)層，發(fā)布在應(yīng)用服務(wù)器上，并提供數(shù)據(jù)接口供外部系統(tǒng)調(diào)用。這種方式提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行維護的靈活性，同時有助于企業(yè)數(shù)據(jù)的集成和集中管理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

大渡河流域作為國家規(guī)劃的十三大水電基地之一，其干流水電梯級開發(fā)共規(guī)劃22個梯級電站。其中，由大渡河公司負責開發(fā)建設(shè)的電站17級，目前，龔嘴、銅街子、瀑布溝、深溪溝、枕頭壩一級、大崗山6座電站已建成投產(chǎn)，所轄電站的日常安全管理工作量大。對此，大渡河公司研發(fā)了基于NFC技術(shù)的數(shù)字化巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了水庫巡視信息的及時、有效、準確的反饋，極大地提高了水庫大壩信息化管理水平。其主要優(yōu)點如下：

(1)大渡河公司已在廠房區(qū)域使用智能巡檢機器人對發(fā)電機組設(shè)備進行日常巡檢，但對于廊道、大壩、庫岸邊坡等區(qū)域仍采用人工巡查，數(shù)字化巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上彌補了巡檢機器人的檢查盲區(qū)，使水庫大壩智能巡檢的區(qū)域更加完整。

(2)“點對點”的巡檢模式具備較高的約束力，避免了傳統(tǒng)巡檢方式人為因素的影響，巡檢人員必須抵達約定地點完成檢查，提高了巡檢工作的質(zhì)量。

(3)在巡檢線路及內(nèi)容發(fā)生變動的情況下，通過系統(tǒng)后臺快速調(diào)整對應(yīng)信息，完成新巡檢線路制定，避免了傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄表的制作與打印，極大地提高了修改效率，節(jié)省了辦公費用。

(4)智能手機終端具備便于攜帶的特性，使巡檢影像資料采集更加便捷，尤其是在高庫岸邊坡等危險區(qū)域，減少巡檢設(shè)備負重即減少了安全風險。

(5)開放式接口設(shè)計使系統(tǒng)集成沒有阻礙，巡檢系統(tǒng)已成功接入大渡河公司安全風險管控平臺，目前運行狀況良好。

(6)數(shù)字化巡檢系統(tǒng)已在大渡河流域6座投運電站應(yīng)用，避免了人為因素的不利影響，巡視檢查工作質(zhì)量顯著提高，巡查成果管理更加規(guī)范化，為水電站大壩備案、注冊、定檢等管理工作提供了完整的材料支撐。下一步，計劃在猴子巖、雙江口等電站應(yīng)用，形成施工期至運行期水工建筑物及其附屬設(shè)施的過程記錄檔案。

4 結(jié) 語

水庫大壩的安全意義重大，其安全不僅需要監(jiān)測儀器實時監(jiān)控，巡視檢查更是不可替代。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給大壩安全智能化管理帶來契機[5]，大渡河公司在智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，采用NFC標簽技術(shù)實現(xiàn)了巡檢設(shè)備的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和信息管理；采用智能手機終端采集、記錄并上傳巡檢信息；通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與庫壩安全信息綜合管理系統(tǒng)相結(jié)合制定全面的巡檢方案。大渡河公司建立的流域電站大壩數(shù)字化巡檢系統(tǒng)，對提高水庫安全管理具有重要的推廣意義。