基于智能物聯的數字化灌漿監測系統在河北豐寧抽水蓄能電站的應用

李 斌，陳玉榮，孟憲磊，詹程遠，王 路，何 剛

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350；2.長江科學院，湖北省武漢市 430010）

0 引言

水泥灌漿是建筑物地基加固和防滲處理的重要手段，抽水蓄能電站為保證水庫的防滲效果，減少水資源損失，提高水能利用率，灌漿施工尤為重要[1]。

對抽水蓄能電站灌漿施工管理而言，目前主要存在如下問題：

（1）灌漿施工作業面多且分散，難以及時掌握和控制所有作業點的灌漿過程和進度，無法集中統一管理，施工過程控制難度大。

（2）灌漿工程是隱蔽工程，其工程產品質量難以進行直觀地檢查[2]。傳統灌漿管理模式為事后評價，即借助于分析檢查孔資料、施工過程數據和局部影像資料來進行評價，施工過程中只能靠監理人員旁站，對過程數據進行跟蹤，但難以實現數據的綜合分析。

（3）誤操作或違規操作對灌漿施工效果、工程量影響較大，典型的如硬件違規、軟件違規、管路連接及現場操作違規，過程中無法通過灌漿數據進行鑒別。

（4）灌漿數據缺乏有效的分析手段，海量的現場原始數據未得到充分挖掘與應用。

基于以上因素，豐寧抽水蓄能電站采用多種手段，研發了基于智能物聯的數字化灌漿監測系統，并在工程中得到廣泛應用。

1 系統基本架構

數字化灌漿監測系統是數字化信號加密傳輸、無線物聯網和灌漿數據智能分析三個方面的有機整合，具有現場數據收集，數據遠程傳輸，數據融合分析一體化功能[3]。系統整體包括灌漿數據信息傳輸系統及灌漿數據采集與分析系統。

1.1 灌漿數據信息傳輸系統

灌漿數據信息傳輸系統按照施工監測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），整個系統可以分為現場控制級、過程管理級和經營管理級[4]，提供從灌漿記錄儀原始數據采集到數據傳輸和信息化管理一體式解決方案[5]，其結構如圖1所示。

現場管理級主要是現場的傳感器，包括流量計、壓力計、比重計、抬動儀，主要作用是檢測灌漿施工參數；過程管理級主要是灌漿自動記錄儀，主要是對過程參數進行記錄；經營管理級主要指的灌漿信息系統，它將所有的灌漿資料進行收集，然后對灌漿工程量進行統計、分析、預警與決策。

圖1 系統整體結構Figure 1 The overall structure of the system

1.2 灌漿數據采集與分析系統

灌漿數據采集與分析系統基于.NET技術，結合ASP.NET、關系數據庫技術、圖形圖像技術、多線程技術以及Direct 3D三維可視化技術，同時考慮到系統的開放性和擴展性，系統采用分層架構的形式，總體結構框架見圖2[6]。

圖2 系統總體結構框架圖Figure 2 The overall structure of the system

本系統集成數據采集系統、數據處理系統、施工監控系統于一體，并結合現場無線傳感器網絡，封裝底層采集數據，將采集的數據第一時間傳輸至本系統，實現灌漿過程的實時監控；同時數據經過預處理，得到與現場一致的灌漿成果資料（如灌漿施工記錄表、灌漿成果一覽表）；除此之外，系統在灌漿數據以及設計文件的支持下能實時生成各類統計分析圖表、報表以及灌漿信息形象示意圖（如灌漿分序統計表、灌漿綜合統計表、帷幕灌漿綜合剖面圖），把握現場施工進度及質量。

2 主要技術

2.1 數字化信號采集及傳輸

傳統的灌漿記錄儀信號采用模擬信號傳輸，易受干擾，從而導致灌漿數據可人工干預。考慮以上因素，應用數字化總線技術與數字化加密技術，由數字或編碼信號的傳輸方式，對灌漿記錄儀信號采集及傳輸模式進行改造。通過驗證，數字化設備數據傳輸更穩定，能完全杜絕采用隱蔽的模擬設備干擾灌漿參數的現象，從而有效保障了基礎過程數據的安全性。

2.2 灌漿監測網絡信息系統開發

基于B/S架構，采用網絡技術、數據庫技術和可視化編程技術，建立灌漿數字化管理系統[7]，實現對現場灌漿施工的實時監控、數據整編、數據查詢、統計分析、異常預警等功能，實現灌漿施工數據的集中整合管理與共享，實時把握現場施工進度，自動統計分析現場數據并為后續決策提供技術支持。

系統主要功能包括數據采集、數據預處理、實時監控、數據查詢、統計分析、異常預警、施工報表、形象展示、運行維護等。系統可對現場各個部位的灌漿施工進行實時數據采集和監控，監測各灌漿參數變化情況，統計生成灌漿結果資料報表，實時生成現場施工進度圖、灌漿信息形象展示圖、預警異常參數和硬件故障。

2.3 自組網多種網絡數據傳輸技術

考慮灌漿施工的分散性、流動性以及露天灌漿作業和洞室灌漿作業的特殊性，分別采用了短距離無線網絡和移動通信網絡相結合的傳輸技術，如圖3所示。兩種拓撲結構無線網絡共同實現灌漿施工過程中的數據集中管理的目的，另一種為短距離自組網絡技術，一種為移動通信網絡技術（GPRS、EDGE、WCDMA、EVDO等）。

短距離無線網絡將在局部的多臺灌漿記錄儀通過短距離無線網絡組成局域網，局域網中的灌漿記錄儀的灌漿數據和抬動數據傳輸到短距離無線網絡協調器中，然后將數據傳遞到施工管理計算機中。該網絡具有覆蓋面積大、自組網絡的優點，即局域網中的灌漿記錄儀可以隨時加入、退出網絡。

圖3 網絡拓撲結構圖Figure 3 Network topology structure diagram

移動通信網絡將單個或者多個短距離無線網絡中收集到的灌漿記錄儀的數據，通過移動通信網絡長距離發送到中心服務器中，經應用軟件接收并解析各個短距離無線網絡的數據后存儲到數據庫中，供業主和其他用戶通過互聯網訪問數據頁面來達到查詢和統計灌漿數據的目的。

由于抽水蓄能電站灌漿部位分散且偏遠、網絡信號不穩定、短期施工密集、數據量大的特點，根據實際的情況，對網絡傳輸協議進行了重構，增加了網絡節點的數據容量，開發ZIGBEE無線網絡協議，局域網信號通過無線多跳接力方式傳輸到施工洞室外(有手機信號覆蓋區域)，傳入數據中轉發射設 備 DTU(Data Transfer U-nit)［8］，很 好 地 解 決 了數據傳輸中存在的各種問題，使得數據準確率達到100%，數據完備率達到95%以上。

2.4 海量數據存儲技術

采用磁盤陣列技術，通過多個磁盤同時存儲和讀取數據來大幅提高存儲系統的數據吞吐量和穩定冗余性[9]。系統根據灌漿數據采集和管理的特點，采用分布式數據庫技術實現分布式管理模式，即每個遠端分部的數據信息存放在本地數據庫內，平時可獨立操作使用，同時定期將本地所有數據信息或匯總數據信息通過遠程通信線路發送到遠程總部，總部接收各個分部發送的數據信息，將其存儲到總部的數據庫服務器中，以滿足總部對數據的分析決策和長期安全保存的需要。

2.5 異常預警安全平臺建設

灌漿施工條件復雜、干擾性大，施工過程中難免出現設備以及灌漿參數異常等狀況。針對現場灌漿過程中出現的各類異常，系統設定預警參數、預警閾值、預警人員名單，通過無線網絡將各類異常信息以短信的形式實時地發送至監理方、施工方，以方便第一時間內做出處理，通知施工方及時排除異常，保證施工，同時也方便建設方實時把握現場灌漿施工情況。這里主要采用了SPC技術，即統計過程控制（Statistical Process Control），是一種借助數理統計方法的過程控制工具[10]，它對生產過程進行分析評價，根據反饋信息及時發現系統性因素出現的征兆，并采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態，以達到控制質量的目的。該技術的使用能夠有效提高報警得有效性，并可對施工參數受控狀態進行評估預測。

圖4 某灌漿廊道自組網圖Figure 4 Self-organizing network map of a grouting corridor

3 系統實現功能及應用情況

3.1 搭建數字化灌漿監控平臺

對豐寧電站水庫大壩固結、帷幕、輸水系統隧道等全部灌漿部位進行了無線組網和網絡傳輸，實現了網絡信號全覆蓋。在地下廊道、洞室等無手機信號覆蓋的條件下，考慮灌漿施工地點是頻繁移動的，將該部位的n臺灌漿記錄儀組成無線局域網，灌漿記錄儀可以隨時加入、脫離局域網，數據集中傳輸到露天發送裝置，圖4為某灌漿廊道典型自組網圖。組網完成后，無論是否存在第三方信號，都使得灌漿作業面的數據能夠直接上傳到業主指定的服務器，網絡能夠根據施工情況及時調整部署，根據網絡信號強弱調整制式，實現了所有灌漿作業面的灌漿過程集中上傳。

3.2 實現灌漿數據實時監控

實時監控反映現場所有灌漿部位施工情況，實時動態傳輸各類灌漿參數以及報警信息，如圖5所示，可通過任意一臺聯網設備瀏覽器，查詢到設備號，在線時間，灌漿實時參數，灌漿監測曲線，實現不同工作面同平臺展現，大大縮短了現場工程管理鏈條，提高了工程監管效率。

通過以上功能，參建各方可實時監測各個工程部位的灌漿施工情況，對記錄數據進行分析，全程監測灌漿施工過程，過程監測率取得了大幅提升，目前達到了99%以上。且應用此系統后，僅需對灌漿過程前孔位布設、管路鋪設、記錄儀連接等進行監督檢查，灌漿過程中不需進行現場旁站，大大降低了參建各方監管強度，以監理單位為例，此前豐寧電站灌漿監理人員約需20人左右，采用此系統后灌漿監理人員減少至9人。表1反映了應用灌漿信息系統后灌漿監管效率的對比。

圖5 實時數據動態傳輸表Figure 5 Real-time dynamic data transfer table

另外，本系統通過自動化手段統計水泥灌入量，客觀真實，迅速便捷地反應水泥耗損的實際情況，當水泥耗損明顯偏離不符合設計時，督促施工單位改進施工工藝，或加強現場檢測防止施工偷工減料，準確的統計數據有助于控制生產成本和進度。

3.3 實現過程數據查詢功能

通過過程數據查詢，可以了解具體施工記錄過程，并和紙質報表進行對照，快速對施工過程中的異常情況進行查詢和處理。可按各種索引查詢、孔號查詢、排序查詢、段次查詢等，可查詢各種任何施工點在施工過程中的任何時間的各種信息，如灌漿壓力、注入率、注入量、累計灌入量、累計灌入水泥量、單米灌入量、透水率，以及各種報警信息、設備運行狀況等[11]，如圖6所示。

表1 應用灌漿信息系統后灌漿監管效率的對比Table 1 Contrast of grouting supervision efficiency after application of grouting information system

3.4 實現成果報表自動統計分析

通過對已收集數據的統計分析，自動生成各項成果報表，如灌漿孔成果一覽表、壓水頻次表、綜合剖面圖、水泥消耗表等，如圖7所示。

圖6 過程數據查詢界面Figure 6 Process data query interface

圖7 某灌漿部位部分灌漿成果一覽表Figure 7 List of partial grouting results at a grouting site

3.5 實現異常信息實時報警

報警系統所有報警來源于現場真實數據。當報警發生時，首先現場的施工作業人員就會收到儀器設備發出的聲光報警，同時系統會向相關的監理，業主推送報警短信，報警內容包括施工部位，報警類型，報警值，報警時間，便于各個參建方聯動解決應急情況，同時信息系統后臺數據庫中，便于工程管理單位備查追蹤，如圖8所示。

圖8 短信報警后臺數據一覽表Figure 8 Short message alarm background data list

4 結束語

（1）本系統依托現代智能物聯網技術實現灌漿系統中終端設備的數據靈活實時接入，實現數據互聯互通，對物聯網數據進行實時的大數據分析，通過本系統，確保了灌漿數據的真實性，實現了灌漿過程實時監控及數據自動統計分析，提高了監管質效，為其他同類電站灌漿管理提供了寶貴經驗。

（2）本系統還可與“智能化”相結合，如智能化灌漿配漿、智能化調壓、智能化施工[12]，從而徹底推動灌漿施工科技手段提升。國家電網公司提出的“三型兩網”建設、國網新源控股有限公司提出的“電站群”管理理念給上述探索指明了方向，提供了條件，有利于抽水蓄能電站灌漿管理水平的整體提升。