基于移動終端的水電站水工巡檢系統研發與構建

陳 豪，包騰飛，毛鶯池，張 鵬，吳光耀，王順波

(1.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京210098；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；3.河海大學計算機與信息學院，江蘇南京210098)

0 引 言

水工巡視檢查和儀器安全監測是監控和保障大壩等水工建筑物長期安全運行的兩種主要手段，兩種手段互為補充，相互驗證。儀器安全監測可以在微觀層面，動態定量監測大壩的工況變化。但限于結構和成本制約，布設于典型監測斷面和關鍵重點部位的監測儀器存在空間不連續性，監測盲區無可避免，因此只有將水工巡視檢查與儀器安全監測有機結合，發揮各自優勢，才能實現從微觀到宏觀、從局部到整體的大壩工況全面監控。

水工巡視檢查可以在宏觀層面直觀發現工程缺陷，然而受制于傳統作業模式和工程環境制約，現行水工巡視檢查存在如下主要問題：

(1)現場作業繁重，巡檢效率低下。根據SL601—2013《混凝土壩安全監測技術規范》， 巡檢人員在及時發現各類工程缺陷的同時，還須運用目測、手摸、尺量等直觀方法和相應工具對缺陷進行定性或定量描述，手工填寫巡檢記錄表，附以必要的簡圖、照片或影像記錄。作業任務繁重，工作效率低下。

(2)巡檢規范程度低，成果質量易受干擾。以大壩為核心的水工建筑物存在特異性，而照搬相關規范的通用巡檢條款和記錄表格，且不與電站水工運行維護工作流程和管理機制相結合的現場巡檢作業，勢必無法控制因巡檢路線隨機，巡檢人員工作經驗、技能水平差異對大壩專屬缺陷巡檢成果的影響。

(3)多源信息融合難度大，成果綜合評判困難。當前巡檢成果臺賬多為人工整編的缺陷文字描述和缺陷影像的電子表格，因缺乏數字化管理手段，在無法實現多源巡檢數據有機融合的情況下，無法運用數理統計、GIS空間相關性分析等諸多方法對大量積累的歷史巡檢數據進行綜合分析，更難以實現離散缺陷信息與儀器安全監測數據成果互為補充，相互校驗，大壩整體工況及變化趨勢綜合評判的需求。

針對上述現行水工巡視檢查作業過程中存在的問題，本文結合小灣水電站水工巡檢工作的實際需求，研究了水工巡檢系統涉及的主要關鍵技術，構建了基于移動終端的水工巡檢系統，以期提高大壩運行維護能力。

1 關鍵技術研發

1.1 巡檢業務流程標準化

結合相關規范的巡檢標準和電站水工關注要素、運管制度，制定巡檢作業指導書推動整個巡檢業務流程標準化。①巡檢分區與部位標準化。以小灣電站為例，結合部位重要性、巡檢工作量和交通便利性，分為壩基帷幕灌漿廊道、壩基排水廊道、檢查廊道及壩后馬道、大壩表觀、地下廠房主要洞室、主廠房排水系統及尾水系統、水墊塘二道壩、抗力體及壩肩排水洞、地面生產建筑物以及其他(工區兩岸邊坡、道路、橋梁、監測設施、排水設施、泄洪洞及導流洞專檢等)等各大分區，并將分區下的巡檢部位以具體高程和位置的形式，按照巡檢路線進行排序，并配合固定的巡檢小組人員，確保路線和人員相對固定的規范要求。②巡檢記錄表標準化。針對各部位工程特點定制標準化巡檢記錄，并將巡檢主要對象進行標準提示，諸如滲漏、裂縫、供排水系統等，針對滲漏，還規定從潮濕到噴涌6個程度的描述選項，相關缺陷描述盡量采用判斷和選項方式記錄，在進一步強化缺陷描述確定性，減少主觀因素對巡檢成果影響的同時，大幅降低現場工作量。

1.2 巡檢數據快速同步

巡檢數據快速同步包括移動終端數據上傳和服務器端數據下載。移動終端數據上傳通過adb命令將數據以文件形式拷貝到服務器端后分類處理，將巡檢文本數據轉化并封裝為json數據后解析入庫，同時將對巡檢圖像影像數據進行無重復校驗后入庫；服務器端巡檢數據下載通過將需導出的巡檢數據庫表信息放入json文件中，生成巡檢記錄json文件；解析巡檢時間，將對應時間文件夾下的文件下載到指定目錄；通過adb命令將巡檢數據拷貝到移動終端。這項同步技術實現了巡檢數據在服務器端與移動端間的自動、及時、準確傳輸，節省了巡檢數據處理時間，提高了作業效率和準確性。

1.3 融合GIS和二維碼的巡檢定位技術

GIS(Geographic Information Systems)技術以地理空間為基礎，采用空間模型方法，實時提供多種動態空間信息，有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息。二維碼(Two-dimensional code)是用特定的在平面二維方向上分布的幾何圖形按一定規律圖形作為數字對象唯一識別符，類似信息數據的鑰匙。針對電站樞紐區戶外巡檢，在構建基于GIS的樞紐區空間三維模型的基礎上，借助PDA自帶的GNSS導航軟件，即可完成空間定位。但是針對水工和地下建筑物的室內巡檢，在缺乏無線通信定位基礎設施的情況下，通過構建融合GIS空間屬性的三維建筑信息模型，并在室內代表性特征部位和主要缺陷部位布置二維碼標識，即可完成室內空間定位，并可滿足定期巡檢路線現場復核、主要缺陷重點巡檢路線推薦等各類衍生功能的定位需要。

1.4 缺陷圖像定量評價

隨著圖像采集技術和數字圖像處理技術的發展，在采集圖像的基礎上，從大壩缺陷圖像的特征分析入手，根據檢測圖像的時間和空間分布特點，通過多指標缺陷檢測、機器深度學習神經網絡方法對缺陷圖像進行缺陷檢測和分類識別，然后結合缺陷識別結果進行缺陷特征參數化來構建圖像的缺陷描述集，實現缺陷圖像的相對定量化評價。結合GIS與二維碼空間定位，將缺陷的定量描述信息與其一定范圍內的大壩安全測點的測值進行聯動比對，為大壩運行工況的綜合評判提供更加全面準確的技術支持。

2 系統實現

2.1 工程概況

小灣水電站系瀾滄江中下規劃八個梯級中的第二級，以發電為主兼有防洪等綜合效益，裝機容量4 200 MW。工程屬一等大(1)型工程，主要水工建筑物由最大壩高294.5 m的混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞和右岸地下引水發電系統組成。水庫總庫容150億m3，具多年調節能力，2012年10月首次蓄至正常蓄水位。

小灣水電站的建成有世界首座300 m級混凝土雙曲拱壩，在目前世界最高的700 m級抗力體工程邊坡內部分布了7層總長超過15 km的排水洞；建成了平面跨度和高度均居世界前列、規模超大的地下引水發電系統洞室群；建有泄洪功率巨大的大壩壩身和泄洪洞泄洪消能系統。鑒于小灣水電站樞紐區建筑規模巨大，巡視檢查工作繁重，項目組有針對性地研發了基于移動終端的小灣水工巡檢系統，并投入使用。

2.2 系統架構

基于移動終端的水工巡檢系統包括Web Service端和移動采集終端。系統邏輯架構劃分為5層，其中采集層位于移動終端，解析層、數據層、服務層和應用層位于Web Service端，如圖1所示。

(1)采集層。主要通過部署于PDA上的巡檢采集端APP，采集水電站巡檢業務與水工建筑物缺陷信息，綜合GPS(戶外)和二維碼識別采集巡檢事件和缺陷空間信息。

(2)解析層。主要利用研發的數據同步技術，實現巡檢屬性和多媒體信息的可靠、高效解析和傳送，采用多元化通信模式，滿足信息共享，實現廣泛的互聯功能。

(3)數據層。通過構建的業務數據庫分類存儲電站建筑空間數據、缺陷屬性與多媒體數據、環境量數據、二維碼數據等數據，為后續服務提供數據支撐。

(4)服務層。使用SOA的思想，基于Web服務技術開發粒度適中、易于擴展的業務功能接口，構建適應業務需要的Web系統。

(5)應用層。將服務層發布的Web服務進行整合處理，為系統用戶提供包括作業指導書、路徑、信息、缺陷、報表、權限與日志管理等多個應用支持。

圖1 基于移動終端的水工巡檢系統系統架構

2.3 系統功能

水電站水工巡檢系統利用移動采集終端現場實時記錄巡檢現場情況，將巡檢數據上傳到系統Web Service端，對巡檢信息、缺陷進行統一的管理，并分類歸整為水工缺陷臺賬和各類巡檢報表。

2.3.1系統移動采集終端功能實現

移動終端功能分為巡檢人員管理、數據同步管理、巡檢項目管理、巡檢缺陷管理、安全事項管理和巡檢狀態管理6個功能模塊。

(1)實現巡檢分區部位與項目定制化。結合電站水工巡檢任務分工和業務流程，分別定制了大壩、泄洪設施、地下引水發電系統、抗力體及其排水洞、地面生產建筑物等工程分區及巡檢部位結構特性和缺陷描述的標準化記錄信息格式，如圖2所示。

(2)實現巡檢基本信息與缺陷信息的快速記錄。數據錄入以選項選擇錄入為主。在錄入巡檢時間、人員、環境量等基本信息后，記錄包括標準化缺陷描述屬性信息和多媒體數據信息的巡檢缺陷信息。錄入界面如圖3所示。

(3)實現缺陷定位和巡檢路線管理。采用融合GIS與二維碼技術對巡檢部位和缺陷點進行定位，并可將缺陷點的歷史巡檢數據給予關聯提取。選取定期巡檢模式可提示巡檢人員按照路線順序巡檢，若偏離路線或按順序巡檢，系統將對用戶進行提示；選取重點巡檢模式可根據近3次發現的重大缺陷部位推薦巡檢路線，滿足特種巡查或專家檢查需要。

(4)實現了巡檢數據的便捷傳輸。巡檢前后，均可通過無線或有線網絡下載巡檢信息至系統移動終端或上傳巡檢信息至系統Web端數據庫。

2.3.2系統Web Service端功能實現

水工巡檢系統Web Service端具體功能為巡檢信息管理、缺陷管理、報表管理、用戶權限管理、日志管理等五個部分。

(1)實現巡檢信息高效整編與閉環管理。將巡檢數據上傳至Web Service端后，即可完成信息的全自動自動整編入庫。入庫后可實現當前巡檢信息與歷次缺陷數據的對比，并可自動創建巡檢缺陷臺賬，實現巡檢與消缺的閉環管理。

圖2 移動終端定制化的巡檢部位與缺陷描述界面

圖3 移動終端各類型巡檢信息錄入界面

(2)實現巡檢成果便捷報送。可直接將巡檢成果根據選擇的時段，自動生成巡檢記錄表和簡、周、月、年報等定制報表，滿足電站安全與運維管理和技術監督要求。

(3)實現重大缺陷信息的可視化發布。將經評判定性為重大水工缺陷的部位推送至電站大壩安全監測可視化及預警系統，并在水工建筑物三維BIM模型上標準，便于巡檢信息發布與上級推送。

(4)系統安全管理。對系統用戶進行對應的權限管理，記錄系統內所有涉及用戶信息、作業與數據操作。

3 應用效果及結語

結合小灣水電站水工巡檢業務實際需求，研發的基于移動終端的水工巡檢系統從根本上解決了水工巡檢作業的自動化程度和成果發布全過程時效低下，現場工作任務繁重，歷史缺陷數據無法實時查詢，無法與儀器監測數據對比分析等問題。通過將巡檢工作標準化和流程化，極大消除了作業過程中因人員經驗、技能水平等主觀因素引起的缺陷判識差異和成果不穩定。

目前，經過測試與完善后的水工巡檢系統已在小灣電廠投入使用，該系統全面升級了水工巡檢作業方式，大幅提高了現場巡檢作業、后期數據整編、水工缺陷判識與巡檢成果發布的作業效率和準確性，具有實用價值，可供其他工程參考使用。