長河壩上壩運輸車自動加水監控系統設計與分析

鄧韶輝，呂 菲，由廣昊，劉建坤，李元元

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072; 2.四川大唐國際甘孜水電開發有限公司，四川康定626001； 3.中國電建集團中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概況

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為一等大(1)型水電工程。樞紐建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統、引水發電系統等組成，最大壩高240.0 m。在大壩施工過程中，壩料含水率對壩體施工質量影響巨大，因此需要根據不同壩料的最優含水量進行合理定量加水，進而保證壩面的最大壓實度以及大壩施工質量。

傳統高礫石土心墻堆石壩壩料加水多采用人工控制、事后檢查的方式，不能準確控制加水量，難以保證大壩施工質量[1]。針對這一問題，科研人員以及技術人員進行了多方研究，在加水過程引入了無線射頻技術(RFID-Radio Frequency Identification)并實現了加水量的自動控制。RFID技術是一種基于電磁信號檢測的無線傳感器技術，近年來被廣泛應用于自動化施工領域[2-3]。Goodrun[4]將有源RFID技術應用于施工現場的工具追蹤；Soungho Chae等[5]利用RFID技術防止挖掘機、起重機等重型設備發生碰撞事故； L.C. Wang[6]提出了一個基于RFID的質量管理系統。后來，RFID技術被引入水利工程施工領域，鐘登華[7]等首次提出了一種土石壩施工壩料運輸車的加水量監控系統以及監控方法，以實現對加水過程的自動監控和管理。隨后，杜三林、鐘登華[8]等對該加水系統又加以改進，針對現有的根據加水時間確定加水量的間接控制方法，提出了新型加水技術，設置了加水流量計，并與FIRD以及報警器信號連接形成集成控制機。但是在200 m以上的高土石壩施工中還缺乏較為成熟的自動加水監控系統的理論分析與實際運用。本文針對長河壩施工特點，引入新型加水技術，研發了一套基于RFID、GPRS以及物聯網技術的土石方運輸車輛加水量全天候、遠程、自動監控系統(WAM-Watering Auto Monitor)，即上壩運輸車自動加水監控系統(以下簡稱“系統”)。

2 系統結構設計

系統共分為加水控制系統Web應用、加水控制系統客戶端、GPRS服務端、短信預警系統以及RFID系統5個子系統，集成了無線射頻技術(RFID-Radio Frequency Identification)、自動控制技術和GPRS技術。其中，RFID用于唯一標識灑水車并記錄卡車進出水站的時間從而計算出實際澆水時間，GPS和GIS用于對料場和運輸車輛進行定位，以確定每輛自卸汽車裝載的壩料類型，現場掌上電腦(Personal Digital Assistant， PDA)用來收集壩料含水量等實時監控數據并存儲于遠程數據庫服務器，GPRS服務端用來對遠程環境(數據庫、服務器、遠程辦公監控電腦)與現場環境(加水工作臺)進行無線數據交互。5個子系統相互配合，協作運行，有效保證了土石方運輸車輛加水量的準確性，避免了人工操作的誤差以及常規加水量監控的局限性，從而實現了按車按量精細監控，確保了加水量滿足設定的標準要求。

系統工作流程如圖1所示。在加水車到達加水站點之前先在加水車上安裝無線射頻卡用來存儲加水車輛信息，并連接加水控制系統Web應用程序配置加水車輛信息、加水站點信息；當車輛駛入加水區域后，LED屏顯示請駛入加水位置，讀卡器讀取車輛ID卡號，對有效卡號的車輛進行加水，控制系統打開電磁閥、流量計開始記流量，此時LED顯示加水中，同時顯示實時的加水流量；當車輛加水量達到額定加水量時，LED指示裝置顯示加水完成，同時關閉電磁閥門，車輛駛離加水區域；控制中心通過對實際加水量與應加水量進行對比判斷本次加水是否達標，若不達標則通過短信預警系統對不符合標準的加水車輛提供短信預警、信號燈預警，并且對未完成的加水車進行二次加水，二次加水的間隔時間為1 h；加水完成后通過GPRS模塊將加水數據發往中心機房數據庫服務器，整個加水過程完成。加水完成后，通過GPRS服務端完成對控制系統的數據交互，通過RFID系統對車輛進行身份設別、配發唯一識別號碼。然后，通過加水系統控制客戶端實現車輛自動加水完成預期的效果，集成GPRS收發器自動完成對車輛加水信息的更新。

圖1 上壩運輸車自動加水監控系統工作流程

3 系統的實現與分析

3.1 加水控制系統Web應用

加水控制系統Web應用子系統主要任務是提供車輛信息的管理情況、查詢加水信息和預警等。主要包括系統的登陸界面，車輛信息維護，加水信息預警，加水站點狀態，短信號碼維護，加水信息查詢，加水信息統計，站點DTU管理以及人員信息維護等。

3.2 加水控制系統客戶端

施工現場客戶端是整個自動加水控制系統的核心與基礎，整個加水系統的基礎數據是由現場客戶端系統根據施工設定標準對運料車輛進行加水并通過獲取實際加水量值得到的，并且整個加水系統的業務邏輯也是由該系統的正常運行來保證的，該系統還承擔了數據的發送任務、各硬件設備的運行監控及控制任務。該系統包含的功能較多，實現難度也較大。主要包括設備監控、參數設定、設備測試、車輛查詢、日志查看等功能。設備監控界面如圖2所示，通過該界面可以及時有效地了解各設備的運行情況，系統界面采用了儀表盤式結構，虛擬加水過程實際場景，并且儀表盤中各設備與實際設備一一對應，通過對各設備狀態的顏色變化，描述設備的運行情況。施工現場客戶端系統中設備包括電磁閥、RFID讀卡器、LED顯示屏、GPRS模塊，報警器、電磁流量計，另外涉及到加水操作相關的車輛信息包括車輛號、加水量。當設備處于工作狀態時指示燈顯示綠色，當設備處于非工作狀態時指示燈顯示紅色。同時在界面右側顯示系統運行日志，以文字方式顯示系統當前情況，另外系統日志以文件方式存儲于客戶端。該功能的實現依賴于實際加水過程，通過相應的邏輯分析與過程設置，動態顯示加水全過程。

圖2 設備監控界面

3.3 GPRS服務端

服務端的主要功能有客戶端加水數據的解析、加水報警信息的判斷生成、遠程站點的啟動、加水數據的導入、GPRS模塊測試、報警短信的發送。服務器端程序界面如圖3所示，包括站點運行狀態、遠程啟動、導入加水數據、數據接收區4個部分。站點運行狀態顯示當前時刻站點的工作狀態，其中，設備ID為GPRS模塊ID，手機號為GPRS模塊安裝的手機號，登陸時間為GRPS模塊連接上服務器的時間。

圖3 服務器端程序界面

3.4 短信預警系統

系統提供了專門用于發送短信的平臺，對加水車輛不滿足要求的信息進行短信預警。此系統為服務程序，需要打開相應的串口波特率并設定具備通信的條件，在與數據庫交互時需設定數據庫配置文件并測試數據庫連接情況。系統的輪詢時間即為多長時間發送一次短信，可以自行設定，通過手機號碼可以測試短信發送成功與否，接收短信號碼及短信發送成功與否可以通過Web系統查詢(瀏覽器客戶端功能)。

3.5 RFID發卡系統

RFID發卡系統采用有源RFID技術，主要功能是接收和解碼從ID卡傳來的信息。該子系統的數據處理程序主要包括以下兩方面內容：一是發放ID卡，記錄每輛車的ID號、裝載量、車牌號、加水量等信息；二是當某輛運輸車進入RFID有源區內時，系統從ID卡上不斷讀取相關信息，并將其發送到加水控制系統客戶端，當車輛駛出有源區時則停止記錄。實際操作過程中，當選擇好相應的車輛后，在讀卡器上放入ID片，系統即可自動獲取卡號，完成信息的自動讀取和傳遞。

4 系統應用結果分析

長河壩心墻堆石壩上壩料加水實時監控系統界面如圖4所示，系統于2012年10月11日開始運行，已完成施工單位上報的全部88輛上壩車輛射頻卡的安裝與調試工作，上游圍堰第1套加水站已正常運行770余天，下游圍堰第2套加水站系統正常運行300余天，9號1洞第3套加水站系統已正常運行110余天。2015年2月10日，經過調整改造，在上游16號洞安裝第4套加水系統，在9號洞處安裝第5套自動加水系統，統計監控時段內的加水情況。

圖4 上壩料加水實時監控系統界面

系統運行后保證了運輸車24 h連續自動監控，實現了水量自動控制，加水信息實時傳輸、實時查詢以及加水不達標自動報警，并且能夠按期統計匯總運輸車加水情況，形成報表上報相關部門。截至2016年8月31日，共監控上壩運輸車輛加水 123 179車次。

5 結 論

本文針對傳統壩料加水不能準確控制加水量等問題，設計研發了一套基于RFID、GPS、GPRS以及物聯網技術的上壩運輸車自動加水監控系統，提高了施工效率，保障了施工質量，從根本上解決了加水信息定性分析的不確定性、不合理性等問題。系統成功運用于長河壩礫石土心墻堆石壩，為壩料上壩運輸加水提供了很好的理論依據和技術指導。

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[7] 鐘登華, 劉東海, 崔博, 等. 土石壩施工壩料運輸車的加水量監控系統及其監控方法: 中國, CN102023600A[P]. 2010．

[8] 杜三林, 鐘登華, 劉軍, 等. 土石壩填筑料精確加水監控系統: 中國， CN203366139U[P]. 2013．