抽水蓄能電站大壩碾壓智能監控系統研究

國網新源控股有限公司 江 帆 北京易用視點科技有限公司 劉生智 魏生平 孫 健 趙 城 彭 海 劉立聶

為實現大壩填筑碾壓施工過程的精細化管理，保證大壩施工質量，提高工程建設管理水平，通過建設一套綜合運用工程技術、網絡信息技術、物聯網技術、北斗/GPS定位技術、大數據技術、云技術等多方面技術的“大壩碾壓智能監控系統”。

結合現場實際的施工管理體系，通過大壩碾壓智能監控系統的建設和應用，實現壩體填筑施工過程中“采、運、卸、平、壓”等工序的安全控制、質量控制、進度控制，實時監控上壩料運料車輛的裝卸料點、運輸線路、運行速度、運行軌跡、加水情況，碾壓機械的碾壓軌跡、碾壓遍數、碾壓速度、攤鋪厚度、壓實厚度、振動狀態等關鍵指標，建立質量動態實時控制及預警機制，使大壩填筑施工過程始終處于系統的監控狀態，實現施工在線實時監測和反饋控制[1]，實現對面板堆石壩填筑施工進行遠程、移動、高效、及時、便捷的管理與控制，實時指導施工，有效控制工程建設過程，提高管理水平與效率，同時為大壩運行的安全與可靠提供重要的技術保證和數據支持。

1 研究內容

研究深度應用工程技術、網絡信息、數據傳感技術（物聯網）、北斗/GPS衛星定位技術、手持式數據采集技術、數據庫技術等多方面技術，開發大壩碾壓智能監控系統。大壩填筑碾壓質量控制是填筑碾壓施工質量控制的重要環節，直接關系到大壩的安全和質量。為實現大壩填筑碾壓施工過程的精細化管理，保證大壩施工質量，提高工程建設管理水平，同時為大壩運行的安全與可靠提供重要的技術保證和數據支持，進一步完善水利建設工程信息化模塊。而“大壩碾壓智能監控系統”就是專業為大壩填筑施工過程質量控制服務的，系統主要采用工程技術、網絡信息、數據傳感技術（物聯網）、北斗/GPS衛星定位技術、GIS技術、手持式數據采集技術、數據庫技術，實現對倉面碾壓設備的碾壓軌跡、遍數、速度、激振力和碾壓高程等相關質量要點的實時精準控制。

系統主要包含總控中心、現場分控站、碾壓移動站、北斗/GPS差分基準站四個部分。

碾壓移動站采集各種相關數據、北斗/GPS差分基準站輔助碾壓移動站進行位置糾偏，同時碾壓移動站通過4G網絡將采集到的數據回傳到總控中心進行分析處理，現場分控站保證與總控中心實時的通訊，實時從總控中心接收施工相關分析數據和下發的施工指示，反饋指導現場施工，為大壩填筑碾壓全過程實現智能化管控平臺。

2 整體設計原則

在系統建設實施過程中，將遵循以下幾個原則。

遵從性原則：系統概要設計遵從國家電網公司信息化SG-EA（國家電網公司信息化架構框架）架構設計，在其整體技術路線及技術架構的基礎上，結合科技管理業務需求進行細化和擴充。

規范性原則：按照新源公司信息化建設整體規劃，在能力視圖、功能視圖、數據視圖、組件視圖、集成視圖、部署視圖、安全視圖等各方面嚴格按照國家電網公司相關的設計規范進行設計。

易用性：將大壩碾壓智能監控系統功能向參建單位延伸，以便于參建各方能將建設期的各種管理業務數據便捷及時的接入系統，為保障系統順利應用，在功能設計上應充分保障功能操作的簡便和可用性。

安全性：系統總體技術路線和信息安全防護符合信息化“SG-ERP”和智能電網信息安全防護相關技術要求。

3 系統研究的意義

全面實現碾壓施工過程關鍵技術指標的自動化采集與分析計算，保證施工數據的完整性、及時性與真實性；建立現場質量管理循環，及時發現施工過程中不達標之處，促進快速調整與改進；屏蔽人為因素、天氣因素的干擾，夜間施工、不利天氣情況下的施工同樣可以保證施工質量；所有施工過程的關鍵記錄全部通過系統完成，節約竣工資料整理工作量，提供數據的快速查閱功能，保證施工過程的可回溯性；支持權限范圍內，數據的實時共享與分發，幫助工程參加各方快速獲取需要的資料，支持異地辦公與遠程辦公的需要；通過有效的過程質量控制，保證結構物的整體施工質量，保證結構物的安全性與耐久性。

4 整體技術路線

大壩碾壓智能監控系統技術架構采用分層設計，架構柔性的技術平臺，以便應對未來可能的多變的業務需求和功能需求。整個架構分為基礎支持運行環境層、數據層、邏輯控制層、界面控制層、客戶層五部分組成。

基礎支持運行環境層是保證系統穩定運行的硬件和軟件。數據層是內部系統數據的集合，為本系統提供數據支撐。邏輯控制層主要負責系統日常操作的算法和應用邏輯。界面控制層是用戶直接面對的可視化操作界面，是系統執行各種操作的來源和依據。客戶層是承載用戶界面、部分軟件和硬件的基礎。

大壩碾壓智能監控系統由硬件系統與軟件系統兩部分組成。硬件系統包含：北斗基準站、北斗高精度移動站、加速度傳感與采集器、工業平板、無線網絡等組成，軟件系統包含：監控（中心）服務、車載終端系統、監控工作站以及碾壓監控系統等。

北斗基準站安裝在大壩施工現場，要求附近開闊無電磁干擾，具有良好衛星觀察條件和無線電傳送條件，主要由北斗主機、北斗雙頻接收天線、無線電臺以及天線組成。采用差分北斗技術，將北斗差分數據實時傳遞給移動碾壓采集單元，對移動碾壓單元所采集的北斗觀察數據進行修正，將碾壓車空間位置信息的精確度提高到厘米級，確保監測的精準性。

北斗高精度移動站安裝在大壩碾壓車上，主要由北斗主機、北斗雙頻接收天線、北斗差分接收天線、GNSS模塊兒以及工業平板計算機組成，移動站主要通過實時采集碾壓車的位置、速度和時間等信息，負責實時指導碾壓工作人員的操作現場操作，同時將實時碾壓信息發送回云中心保存，監測人員通過PC、App、Pad等方式進行實時查看[2]。

軟件系統主要用于權限劃分、工藝管理、監測層級及區域添加、開關倉、實時監控、壓實回放及質量報告等功能，為現場碾壓工作區域質量檢查提供依據。

5 關鍵技術應用

5.1 基于TD-LTE/FDD-LTE的碾壓監控無線網絡自動切換結構設計

整個大壩碾壓施工監控平臺建構的通信基礎是無線網絡。現場碾壓施工通常是24h不間斷施工，施工碾壓信號的傳輸壓力較大（北斗的數據采集率為1s），為達到數據傳輸的穩定性，應用通信速度快、網絡頻譜寬、智能性高、兼容性好的全頻段自由切換網絡。北斗高精度定位主機適用于TDLTE/FDD-LTE網絡的自由切換，適用于施工現場因不同網絡信號強度的網絡環境。因此，TD-LTE/FDD-LTE無線網絡通訊肯定能夠滿足碾壓監控系統數據傳輸的實時性和連續性要求。

5.2 北斗/GIS集成模式的選擇

北斗/GIS集成模式的選擇是構建大壩碾壓智能監控系統的關鍵。對于大壩碾壓智能監控系統，車載端的北斗的硬件數據采集模塊，主要是對北斗接收機的控制和提取北斗數據等常用功能的串口操作函數以及應用程序接口的API的函數形式提供給系統高級開發平臺來調用。綜合分析功能則利用GIS工具軟件生產廠家提供的GIS控件，直接將其嵌入系統高級平臺。常用的高級軟件開發工具，尤其是可視化開發工具對二者進行集成，這種集成開發模式，既可以充分利用GIS工具軟件在空間數據庫管理和強大的空間分析功能，又可以借助具有高效方便等編程優點的可視化開發語言，有效地提高應用系統的開發頻率，所開發出來的應用程序具有可靠性好易于移植及便于維護等優點。

5.3 移動碾壓采集單元設計

移動碾壓采集單元主要是負責實施采集大壩碾壓全過程的位置信息，它的核心組成部分是北斗雙頻主板和工控電腦平板。北斗雙頻主板同外接電臺輸入端相連，用于接收接收北斗基準站發送的載波相位差分信號，實現電臺差分輸入，已達到厘米級（1-2cm）的位置精確定位，為碾壓位置的精準度提供保證。車載工控平板支持android8.1系統、標準USB接口、docking充電底座擴展、NFC（13.56M）、GPS導航、一維碼/二維碼掃描并滿足三防IP67防護等級，滿足因大壩施工振幅大、天氣異常等不確定因素造成設備穩定性，為碾壓車操作人員提供了清晰的碾壓完成情況展示及指引，避免了碾壓施工中的漏碾情況，為大壩碾壓質量提供了保證。

6 同類技術比較

6.1 傳統電臺及普通GSM通訊

傳統的電臺或者普通的GSM通訊方式在傳輸速率、誤碼率以及投入費用等方面具有較強的局限性，TD-LTE/FDD-LTE網絡適用于突發性、頻繁的、高速率的數據傳輸，并支持按數據流量來進行計費和并發語音通話，通過云服務器把數據傳送到系統監控端及數據庫中，進而通過數字化碾壓監測系統進行質量管理和數據分析。

6.2 傳統主機及工業平板的應用

傳統的碾壓監控設備主機只作為定位及數據采集，需要將數據發送到工業平板進行計算后再發送至服務器，并且主機不支持本地儲存導致異常數據丟失。該系統現場采用的北斗高精度定位主機可支持數據采集、計算、發送、接收及儲存，解決了因工業平板故障時數據無法計算及發送的問題，保證了數據的完整性。同時工業平板與高精度主機相互獨立，在保證網絡異常情況下的數據儲存，網絡恢復后的自動上傳，為現場的質量控制提供保證。

7 系統架構

系統架構從邏輯上劃分為三層：表示層、應用層和數據層，其中數據層又包括數據采集層與數據傳輸層。

第一層，表示層：包括客戶端（瀏覽器）、監控終端（總控中心、現場分控站）、移動終端、碾壓機上的監控終端。為用戶提供交互式操作的可視化界面，實現多層次管理部門的功能操作。

第二層，業務邏輯層：業務邏輯實現層接收來自表現層的功能請求，完成信息數據加工、處理、控制及發布，是系統的核心部分。由5大功能模塊有機構成，建立起以中心數據庫為基礎，以碾壓質量實時監控為核心的功能模塊體系。同時與其他系統通過數據接口保持數據交換與共享。

第三層，數據層：通過各種信息采集設備、信息傳輸設備完成信息的采集、傳輸及管理，實現對施工現場信息的實時獲取。

8 系統綜合應用

通過大壩碾壓智能監控系統應用對大壩碾壓施工機械進行實時監控，包括運行軌跡、速度、遍數、動碾/靜碾狀態等關鍵指標數據，系統支持全過程實時查看現場碾壓設備數據且對歷史數據回放查看，通過在駕駛室安裝實時展示平板，指引司機規范碾壓，解決漏碾、超速等問題，提高工作效率和質量。同時系統支持自動生成單元成果分析報告，一方面可以輔助試驗檢測人員針對薄弱區進行抽樣檢測，另一方面可以輔助質量驗評人員進行單元質量評定。針對施工中不同人員使用歸類如下。

碾壓車駕駛員：駕駛室安裝碾壓過程監控終端，使駕駛員形象直觀的掌握自身駕駛作業情況，駕駛員可根據終端指示調整碾壓作業，如未按設定標準碾壓施工時，觸發聲光報警器并發送報警信息至分控中心由監理、施工現場管理人員處理。

施工單位人員：施工現場建設現場分控中心，質檢人員通過系統創建施工單元監測區域，經與監理確認后開倉進行碾壓監測，實時掌握施工單元碾壓進度，最終以施工單元碾壓監測報告為輔助依據，協調監理、實驗室做單元驗收。

現場監理人員：在現場分控中心，旁站監理人員在分控中心通過監控大屏實時掌握現場施工情況，通過系統對旁站指標統計分析，解決一人監控多車并無需現場實時旁站工作，當現場違規操作或出現報警時，旁站人員可通過手機（平板）終端查看推送信息進行現場處理，最終通過單元工程質量報告直觀展示各項指標情況。

業主單位人員：在業主營地建設總控中心，業主相關人員可對上下庫大壩碾壓過程、進度、報警及處理情況、施工單元質量統計分析情況進行查看。

9 系統應用前景

針對抽水蓄能電站填筑壩碾壓監控區域種類多的特點，應用大壩碾壓智能監控系統全面實現碾壓施工過程關鍵技術指標的自動化采集與分析計算，保證施工數據的完整性、及時性與真實性，建立現場質量管理的PDCA循環，及時發現施工過程中不達標之處，促進快速調整與改進。屏蔽人為因素、天氣因素的干擾，夜間施工、不利天氣情況下的施工同樣可以保證施工質量，所有施工過程的關鍵記錄全部通過系統完成，節約竣工資料整理工作量，提供數據的快速查閱功能，保證施工過程的可回溯性，系統支持權限范圍內，數據的實時共享與分發，幫助工程參加各方快速獲取需要的資料，支持異地辦公與遠程辦公的需要，通過有效的過程質量控制，保證大壩的整體施工質量，以及大壩的安全性與耐久性。

通過大壩碾壓智能監控系統在抽水蓄能電站面板堆石壩填筑施工中的應用，有效掌控了填筑施工進度，實現對大壩建設質量的快速反應，有效提升電站工程建設管理水平，實現工程建設的創新化管理，為打造優質精品工程提供強有力的技術保障，同時提高了施工效率節約了面板堆石壩填筑工期，為早日發電緩解用電高峰電力緊張作出貢獻，具有良好的社會效益[2]。

綜上，通過于大壩碾壓智能監控系統可持續、動態、高精度地追蹤測讀碾壓機械的運行軌跡、遍數、速度、激振力和碾壓高程等數據信息，監控機械的運行狀態，能夠有效分析壓實合格率及壓實薄弱區域，并在大壩施工二維數字地圖上可視化顯示，二維數字地圖中會標識出施工作業面中各部分碾壓遍數、欠碾漏碾區域、速度、激振力等關鍵指標信息，為施工質量的過程控制和驗收評定提供依據[3]。