灌漿施工監控系統在大藤峽水利樞紐工程中的應用

(廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 南寧 530000)

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程是國務院批準的《珠江流域綜合利用規劃》、《珠江流域防洪規劃》確定的珠江流域防洪控制性樞紐工程，是兩廣合作、桂澳合作的重大工程，是紅水河十大梯級規劃中的最后一級，也是國家172項重大水利節水供水項目中的標志性工程。

工程壩址位于珠江流域西江水系中游廣西桂平市大藤峽峽谷出口處，工程開發任務以防洪、航運、發電、水資源配置為主，結合灌溉、水生態治理等綜合利用。大藤峽工程樞紐建筑物主要包括泄水、發電、通航、擋水、灌溉取水、過魚建筑物等。

大藤峽工程灌漿施工主要以帷幕灌漿和固結灌漿為主，其主要灌漿部位包括：一期下游圍堰、一期基坑巖溶區防滲處理、左岸泄水壩段、左岸廠房、主廠房及安裝間、流道鋼襯接觸、船閘主體部位、船閘上游引航道部位、船閘下游引航道部位、船閘事故門庫壩段部位、黔江副壩、南木江副壩等。

2 監控系統建設背景及意義

2.1 建設背景

大藤峽工程灌漿施工已全面展開，在灌漿質量管控過程中，檢查發現存在管控不到位、資料造假等問題。為規范灌漿施工，有效控制灌漿施工質量，大藤峽公司根據施工單位合同承諾，要求施工單位統一采購可進行實時監控和數據傳輸的灌漿記錄儀，為實現通過項目管理系統對灌漿工程實施智能監控，更好地開展灌漿記錄儀及監控系統的運行、管理，確保灌漿質量可控，大藤峽公司開展灌漿監控系統的建設與運行。

2.2 灌漿施工管理的難點

?灌漿工程量的統計以及灌漿過程的控制都比較困難。其主要原因是灌漿施工效果難以用肉眼觀察，必須通過設備記錄的資料間接反映；灌漿施工過程中地層存在不確定性，灌漿作業面分散，也給有限的監理人員進行24小時旁站的工作方式提出極大的挑戰。

?為規范和加強項目管理，針對工程項目中存在的隱蔽性因素進行過程控制，施工資料管理工作就顯得非常重要。灌漿資料作為記錄灌漿工程施工活動整個過程的一項重要資料，即是基礎施工的重要組成部分，也是整個工程竣工交付使用的必備文件。然而有些資料管理分散，缺少備份和電子手段，存在一定的管理風險。

2.3 監控系統建設的意義

?灌漿施工監控系統將傳感器信號數據進行采集、整合、分析，并實時上傳到數據庫系統中，實現了分散施工部位的集中化監管，從監管方式上保證了數據真實有效和安全可靠，提升了大藤峽工程建設網絡信息化管理水平。

?通過網絡數據庫的建立，將施工過程數據集中化管理，形成海量數據庫，根據行業標準，施工規范，將海量數據庫標準化，為灌漿施工過程分析，施工質量評估，施工進程跟蹤，施工模型展現提供數據依據。

大藤峽工程灌漿施工監控系統是一套利用物聯網技術、數據庫系統技術、ASP.NET技術以及Internet技術且基于B/S架構的網絡管理信息系統，該系統集成灌漿監控網絡和灌漿數據管理，可作為大藤峽工程水電站辦公管理系統的一部分。

3 監控系統建設情況

目前，大藤峽工程累計投入使用27套GJY-VII型灌漿自動記錄儀，灌漿監控系統已覆蓋所有灌漿施工工作面，實現灌漿數據的全過程實時監控和傳輸。

3.1 總體架構

大藤峽工程灌漿施工監控系統按照施工監控對象的分層分布式監控系統進行設計，分層分布式系統是一種集散控制系統(DCS)，整個系統可分為現場控制級、過程管理級和經營管理級，提供從灌漿記錄儀到數據傳輸和信息化管理一攬子解決方案。其監控系統整體結構如下頁圖1所示。

灌漿信息管理子系統中，灌漿記錄儀的各種傳感器作為現場控制級，該級別直接面對灌漿現場，是所有數據信息的基礎。該級別的各種傳感器形成一個傳感器網絡，對灌漿過程中的流量、壓力、密度及抬動信號進行數據采集和預處理，并將各自傳感器采集到的信號以有線或無線的方式傳輸到灌漿記錄儀主機。

灌漿記錄儀主機作為過程管理級，該級別通過接受現場控制級傳來的信號，按照工藝要求進行控制規律運算后，將結果作為控制信號發給現場控制級的設備，是集散控制系統的核心單元。灌漿過程的各種工藝都需要它來設置、記錄和調節，比如灌漿參數的設置，數據的記錄和高壓閥的開合度調節等。

灌漿信息管理系統作為經營管理級，是集散控制系統的最高一層，可以監視灌漿信息管理子系統中的所有數據，并且對數據進行統計分析和處理。從全局出發，有助于參建單位進行灌漿過程的監控和管理。

圖1 灌漿施工監控系統整體結構

3.2 數據處理

灌漿實時數據的發送伴隨著整個灌漿施工全過程，并且數據在網絡中以封裝的數據幀的形式發送，因此需要開發服務器段接收處理程序對編碼幀進行效驗、解碼并存儲，同時為了保證數據處理的及時有效，需建立多線程機制對數據進行處理，同時又能夠接收數據，從而保證數據的循環往復處理。如圖2所示。

圖2 TCP/IP協議開發流程

3.3 數據庫的建立

灌漿管理信息系統是在整個灌漿數據庫的基礎上建立的。系統數據庫服務器采用磁盤陣列技術(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)，通過在多個磁盤上同時存儲和讀取數據來大幅提高存儲系統的數據吞吐量(Throughput)，同時該技術具有較為完備的相互校驗/恢復的措施，甚至是直接相互的鏡像備份，從而大大會提高RAID系統的容錯度和穩定冗余性。

本系統采用Microsoft SQL Server企業級數據庫引擎，數據庫建立的數據表包括：灌漿實時數據、灌漿記錄數據、參數設置數據、結束信息數據、用戶信息數據、用戶登陸數據、報表生成臨時數據、灌漿結果數據、灌漿施工設計數據、灌漿成果數據等；各數據字典的建立都是相互依賴、相互關聯的。

3.4 ZigBee網絡組網施工

?廊道ZigBee網絡組網施工主要完成廊道區域內部的無線數據傳輸，保證該灌漿區域能夠實現灌漿數據的無線傳輸和采集。其安裝方式為采用ZigBee路由模塊安裝在廊道內部，100～150m安裝一套無線路由設備，將在區域內的多臺GJY-VII型灌漿記錄儀通過ZigBee無線網絡連接起來，并整合該區域無線網絡中灌漿記錄儀的灌漿數據到無線主機中。如圖3所示。

圖3 廊道無線自組網示意

?露天GPRS/WIFI通信模塊施工，尋找廊道口、廠房周圍及露天通信信號良好的地方，用無線專用發送器網關模塊連接ZigBee和GPRS/WIFI網絡，把接收到的ZigBee信號通過GPRS/WIFI網絡傳至遠程數據監控中心。GPRS/WIFI與遠程監控中心的連接不受距離限制。

4 監控系統的主要技術功能

4.1 主要技術

本系統運用ZigBee技術將各施工點記錄儀的數據上傳到中央服務器，進行數據匯總、信息管理。該系統支持灌漿資料的遠程上傳、搜索、整理、本地保存及打印等功能。用戶在任何有網絡的地方通過電腦或者手機便可以查看灌漿實時數據和各種統計報表及曲線。與普通軟件公司不同，該信息管理系統是專門針對灌漿自動記錄儀數據管理而開發的，能實現信息管理系統與灌漿記錄儀的無縫連接，灌漿記錄儀的數據自動上傳，無需手工錄入。并且該系統具有隨時隨地監控灌漿信息、不同用戶不同權限管理、電腦手機均可作監控終端等特點。

本系統采用SQL SERVER數據庫及.Net應用服務平臺。系統采用C/S的三層應用模式，數據服務與應用服務運行在不同的服務器上，在進行服務器選型時，必須要考慮系統的運行性能及后期較長時間的應用需要。采用基于Intel架構的中高檔IBM X系列或HP企業級應用服務器。系統配置2個Intel Xeon雙核CPU,2G以上的內存。

數據庫服務器處理的數據量較大，對系統的容錯功能要求較高，因此采用具有容錯功能的RAID磁盤陣列技術，由于業務數據較多，同時考慮到日常數據備份的需要，數據存儲的有效總容量要求在1000G以上。對于數據庫服務器，同時需要考慮數據訪問的性能量，從保證有效數據空間及系統運行效率的雙方面綜合考慮，采用5塊300G SAS熱插拔硬盤組成RAID5磁盤陣列。

數據庫服務器具有較強的存貯與處理能力，采用高檔專用服務器為主服務器，并具有提供備份的功能；平均故障間隔時間大于1萬小時。

4.2 主要功能

4.2.1 系統登陸

大藤峽灌漿施工監控系統于2017年9月建設并投入運行，在配合現場各種開發需求的情況下對系統進行了多次需求分析，并進行及時的修改和完善，整體架構也進行了升級，服務器按照要求也轉移到了現場局域網絡，保障了數據安全和運行效率，目前運行狀況良好。

用戶可以通過系統管理員所分配的帳號，在任何能夠連接互聯網或者局域網的設備上登錄灌漿施工監控系統進行操作。系統根據用戶的身份類型，自動賦予其對應的的功能菜單和相符的操作權限，保證了數據的保密性。

4.2.2 實時監控

進入系統后首先顯示的是實時監控頁面，平面圖上的圓點代表灌漿記錄儀。通過平面圖上的圓點顏色可以清楚知道灌漿記錄儀的使用狀態，而圓點分布的位置則代表灌漿大致的施工部位，目的是生動形象地展現灌漿記錄儀的使用情況。單擊圓點，左下角將顯示該灌漿記錄儀兩個通道的實時灌漿工作情況，該頁面是動態刷新，可看到該灌漿記錄儀所在部位，設備編號，當前所灌孔段信息及實時流量、壓力、密度等參數，數據傳輸過程中五秒更新一次。實時監控頁面如圖4所示。

圖4 實時監控頁面

4.2.3 數據查詢

通過頁面的“過程數據報表”和“過程數據”菜單，可對數據庫中的原始灌漿數據進行模糊搜索和準確查詢，點擊某條查詢數據則會展現與現場一致的灌漿記錄報表。

在“過程數據報表”菜單下，通過輸入部位、孔號、段號、工作方式及時間其中任意一項或多項信息，根據該信息數據庫會進行模糊查詢，適用于對灌漿孔段信息了解不全，或僅需查詢某個部位或某個時間段灌漿情況的查詢方式。過程數據報表頁面如下頁圖5所示。

在“過程數據”菜單下，通過輸入部位、孔號、儀器編號、段號及工作方式詳細信息，則可以直接查詢到某孔段的原始灌漿數據。目的是為了管理者能夠直觀、便捷的查詢相關孔段信息并且找到其所需要的灌漿數據。

4.2.4 設備查詢

該菜單下通過輸入灌漿記錄儀編號、起始時間及終止時間，即可查詢到該設備在該時間段所記錄的所有灌漿資料。

4.2.5 成果報表

該菜單下，用戶通過輸入工程部位及單元號，即可查詢相應的灌漿成果。該成果包含累計灌漿量，累計注灰量，單位注灰量等信息。

該菜單目的是通過工程量統計，方便管理者根據統計數據及圖表對灌漿量進行統計，對灌漿質量進行分析，對灌漿成果進行評估，可以有效地了解灌漿施工情況。

4.2.6 異常匯總

該菜單下顯示的是灌漿孔段的灌前壓水呂榮值和累計注灰量異常匯總。報警機制采用遞進報警模式，即超過設計值的25%使用橙色字體顯示，超過設計值的50%使用紅色字體顯示。如圖6所示。

圖5 過程數據報表頁面

圖6 異常匯總頁面

5 應用效果

灌漿施工項目是大藤峽大壩施工中的隱蔽性工程，施工進度和質量難以直觀衡量，為方便對大壩灌漿進行管理和監控，大藤峽工程灌漿施工監控系統融合數據庫技術、無線通信技術對廊道等信號盲區及露天施工部位進行局部組建網絡，將灌漿過程采集的重要參數實時收集，通過無線網絡傳輸至現場局域網，形成一套無線灌漿網絡管理系統，能實時監控大壩灌漿施工參數，成果統計分析，進行質量管理和過程管理，并為后期施工決策提供基礎數據支持。該系統的應用提高了工程管理人員在灌漿管理過程中的實效性和工作效率，可及時發現灌漿過程中出現的異常情況，提高灌漿工程信息化管理水平。

以前的灌漿數據都是通過紙質報表打印出來，再經工作人員呈遞監理后上報給業主。整個流程耗時長，且資料的整理與管理相當不便，較難滿足現場的施工要求及客戶的實際需求。利用計算機軟件、網絡、無線通信等技術開發的灌漿施工監控管理信息系統是當前灌漿管理信息化的主流趨勢，能夠實現灌漿施工的遠程數據監控、數據存儲、數據查看、數據整理等功能，從而真正達到灌漿施工作業的自動化、智能化，加強業主監理對灌漿施工作業的綜合管理，有效提高灌漿施工的質量、生產效率及設備利用率，節約生產成本。

6 結 語

水利信息化的首要任務是在水利業務中廣泛應用現代信息技術，建設水利信息基礎設施，解決水利信息資源不足和有限資源共享困難等突出問題，提高防汛減災、水資源優化配置、水利工程建設管理、水土保持、水質監控等水利業務中信息技術應用的整體水平，帶動水利現代化。大藤峽無線灌漿管理信息系統作為水利信息化的終端產品，能夠實現灌漿實時監控、數據查詢、數據統計、圖形報表生成等功能，通過實時上傳灌漿成果數據，保證了數據的有效性和真實性，并對灌漿相關各類數據進行共享和管理，完成了灌漿過程異常處理、質量巡查以及工程計量統計等工作，該系統將促進現場灌漿施工自動化管理水平，實現大藤峽灌漿數據的無縫對接。系統的開發和運行提高了大藤峽灌漿信息化的管理水平，促進了水電站水利信息化的建設。