大渡河流域電站大壩數字化巡檢系統開發與應用

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有限公司，四川 成都 610041；2.國電金沙江旭龍水電開發有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

水庫大壩的安全關系著下游人民群眾的生命財產安全和社會的穩定，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，發現水工建筑物及發電設備的缺陷并及時采取防范措施。目前，水力發電企業的電站檢查項目類型多、數量大、分布范圍廣。傳統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境干擾、人員素養等因素的影響，缺乏巡檢過程的管控與約束，且工作量大，巡檢效率較低，紙質的巡檢記錄不易于保存。

隨著無線通信技術及移動通訊設備的快速發展，移動智能設備(如智能手機、平板等)越來越多地應用于各行各業中[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，允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸的形式交換數據。手機作為一個讀取NFC芯片的設備，對寫有不同信息及ID的標簽卡內容讀取ID并實現識別上傳功能。利用NFC手機讀取NFC芯片的功能，來實現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定巡檢NFC芯片內容識別、GPS位置信息上傳、現場缺陷隱患照片上傳、消息推送等相關功能。NFC芯片具有成本低、體積小、抗干擾能力高等特點，可適合于不同的環境。

大渡河公司自主研發的數字化巡視檢查系統，已在龔嘴、銅街子、瀑布溝、深溪溝四座電站成功應用。

1 系統總體設計

1.1 軟件架構

巡檢系統軟件由WEB應用端(水電站巡檢信息系統管理系統網站)和手機APP移動端(水電站巡檢信息管理系統移動版)組成(圖1)，同時系統支持外部系統調用接口。信息管理采用Web網站方式實現。在實際檢查過程中采用移動設備作為巡檢設備，采用NFC近場通信技術實現實時記錄巡檢信息，并最終同步到系統中，經審核后發布。

圖1 巡檢系統軟件結構圖

整個系統分為數據層、數據訪問控制層和數據服務接口，通過對軟件層次結構的抽象和組合(圖2)，能夠將數據訪問、業務邏輯處理和用戶界面展示部分進行分割和組裝，使得軟件系統具備很好的伸縮性和靈活性，更好地適應復雜的網絡環境、數據庫類型和不同層次用戶的特殊需求。

圖2 軟件層次結構圖

1.2 系統功能構成

巡檢系統按功能可分為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，通過智能移動終端從標簽讀取信息或將信息寫入標簽，NFC標簽支持一定字數的文字、字母和數字的寫入及儲存。實時巡查App則作為本系統的主要應用部分，采集信息并實時上傳。Web后臺管理及審核系統用于對巡查路線的編制、調整和管理，以及對巡查內容的查看和審核。

“實時查詢App”基于Android平臺開發，智能移動設備適應室外、潮濕、高溫、長時間等不同的工作環境要求。以瀑布溝電站為例，分為庫壩中心的監測、電廠的壩工兩個專業共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設和靈活的編輯、組合，審核主要用來對巡檢結果進行審查和統計查詢。

1.3 巡檢標牌設計

考慮到大壩廊道、野外邊坡等惡劣環境以及企業管理需要，巡檢標牌應兼顧美觀、防水、穩固、易于維護等特點，因此，在選擇防潮NFC芯片的同時，自主設計了巡檢標牌。

巡檢標牌由正面和背面兩部分組成，正面內容包括企業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。背面根據購買的NFC芯片的大小，設置專門的芯片粘貼位置。考慮到防水功能，在粘貼標牌的兩部分時，做全包圍粘貼。

2 巡檢系統創新點

2.1 巡視檢查數字化

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

2.2 線路調整靈活化

傳統人工巡檢是通過事先編制的巡查記錄表進行巡查，一旦路線發生變動，需將原記錄表作廢，重新規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。

在數字化巡檢系統中，可以對巡檢路線、巡檢區段、巡檢對象及其檢查內容進行靈活編輯和組合，使巡查路線的規劃和巡查內容可以靈活地根據工作內容和管轄業務的調整及時進行調整，更適應管理的需要。

2.3 影像采集便捷化

在傳統的巡檢方式下，巡檢人員通常利用照相機、錄像機等設備進行影像資料搜集，完成巡查后再進行資料的導出與歸檔，一方面增加了在高邊坡等危險區域的安全風險，另一方面拍攝與導出工作效率不高，也容易出現疏漏。利用智能手機配套的高清攝像頭，能夠快速、實時地采集現場影像資料，尤其是在電站建設期的施工環境中更便于使用。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，為后續管理提供依據。

2.4 接口設計開放化

數字化巡檢系統在設計階段考慮到系統的可擴展性，將業務邏輯層和數據訪問層封裝為統一的服務層，發布在應用服務器上，并提供數據接口供外部系統調用。這種方式提高了系統的穩定性和運行維護的靈活性，同時有助于企業數據的集成和集中管理。

3 系統應用

大渡河流域作為國家規劃的十三大水電基地之一，其干流水電梯級開發共規劃22個梯級電站。其中，由大渡河公司負責開發建設的電站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，所轄電站的日常安全管理工作量大。對此，大渡河公司研發了基于NFC技術的數字化巡檢系統，實現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。其主要優點如下：

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

(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量。

(3)在巡檢線路及內容發生變動的情況下，通過系統后臺快速調整對應信息，完成新巡檢線路制定，避免了傳統紙質記錄表的制作與打印，極大地提高了修改效率，節省了辦公費用。

(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域，減少巡檢設備負重即減少了安全風險。

(5)開放式接口設計使系統集成沒有阻礙，巡檢系統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)數字化巡檢系統已在大渡河流域6座投運電站應用，避免了人為因素的不利影響，巡視檢查工作質量顯著提高，巡查成果管理更加規范化，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、雙江口等電站應用，形成施工期至運行期水工建筑物及其附屬設施的過程記錄檔案。

4 結 語

水庫大壩的安全意義重大，其安全不僅需要監測儀器實時監控，巡視檢查更是不可替代。物聯網的出現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研發的基礎上，采用NFC標簽技術實現了巡檢設備的智能化識別、定位、跟蹤、監控和信息管理；采用智能手機終端采集、記錄并上傳巡檢信息；通過4G/5G網絡與企業內部無線網絡傳輸方式與庫壩安全信息綜合管理系統相結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字化巡檢系統，對提高水庫安全管理具有重要的推廣意義。