土石壩填筑碾壓施工質量實時監控系統研究與應用

倪仕文，彭衛平，王 蟬，史宏波，郝耘慶，田剛衛

(1.武漢大學流體機械與動力工程裝備技術湖北省重點實驗室，湖北武漢430072；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710000；3.中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西西安710000)

0 引 言

土石壩是世界大壩工程建設中應用最為廣泛和發展最快的一種壩型。土石壩填筑碾壓施工質量，直接影響大壩的運行安全。在土石壩施工過中，每個施工倉面的碾壓遍數、碾壓速度、壓實厚度、和激振力等是影響碾壓施工質量的重要因素。碾壓施工質量的監控就是對上述碾壓參數的監控。但是，傳統方法僅僅是單純的依靠監理和現場施工人員來實現對上述參數的控制，誤差大、效率低。因此，開發具有實時、高效、高精度等特點的土石壩碾壓施工質量自動遠程實時監控技術具有十分重要的意義。

圖1 碾壓質量實時監控系統總體方案

目前，國內外針對土石壩碾壓施工質量實時監控的研究還相對較少。在國外相關研究主要集中在道路碾壓質量實時監控方面[1]。Oloufa等[2，3]基于全球定位技術開發了針對瀝青路面材料的壓實質量自動監測系統；Hossain等[5]將智能壓實控制(Intelligent Compaction Control， ICC)技術應用于堪薩斯高速公路路基的施工項目中；Qinwu Xu等[6]對智能道路施工的自適應質量控制和對路面材料密度的接受度進行了研究。但是土石壩的施工質量參數以及施工工藝和道路施工有所差異，現有的技術不能完全適用于土石壩的碾壓質量實時監控。國內劉經南、黃聲享等[7，8]針對混凝土面板堆石壩施工特點， 開發的面板堆石壩填筑質量的 GPS實時監控系統；鐘登華、崔博等[9- 11]針對高心墻堆石壩固有施工特點研發出心墻堆石壩填筑碾壓施工質量實時監控系統；李洋洋等[12]對基于測量機器人的碾壓質量監控系統數據處理進行了研究。本文基于現有的研究成果和經驗，結合新技術深入研究土石壩填筑碾壓施工質量實時監控系統技術以及工程應用問題。

1 土石壩填筑碾壓施工質量實時監控系統設計

1.1 功能規劃

系統以壩面碾壓施工設備為監控對象，監控對大壩填筑碾壓質量有影響的碾壓質量過程參數，從而確保工程建設質量始終處于受控狀態。系統主要實現如下功能：

(1)實時動態監測和可視化顯示倉面碾壓機械運行軌跡、速度、振動狀態。

(2)實時自動計算和可視化顯示倉面任意位置處的碾壓遍數、壓實厚度、壓實后高程。

(3)當碾壓機械運行速度、振動狀態、碾壓遍數和壓實厚度等過程參數不達標時，系統自動彈出報警信息顯示不達標的原因和具體內容等，并在現場分控中心PC監控終端上實時顯示以及將報警信息采用屏幕顯示和語音播報的方式同時提醒和告知駕駛員，同時把該報警信息存入施工異常數據庫備查。

(4)在每倉施工結束后，輸出碾壓質量圖形報表，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數圖、壓實厚度圖和壓實后高程圖等，作為倉面質量驗收的參考材料。

1.2 系統總體方案

土石壩填筑碾壓質量實時監控系統由碾壓機移動站、定位基準站、3G無線通訊數據鏈路、總控中心及現場分控站等組成，系統總體方案如圖1所示。基準站和移動站實物如圖2所示，其中移動站由碾壓設備上的高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機、數據傳輸單元(DTU)、振動狀態監測設備、報警裝置等組成。

GPS基準站的主要設備包括GNSS 接收機、數據傳輸單元(DTU)和供電電源等，是整個監測定位系統的“位置標準”。總控中心由服務器系統、通信系統、安全備份系統等組成，是碾壓質量實時監控系統的核心。現場分控站設置在大壩施工現場或附近值班房，通常24 h常駐監理，應用系統對施工過程進行監控，并針對質量偏差情況向現場管理人員發出糾偏指令。其具體監控方法如下：

(1)碾壓機機載GNSS定位設備與激振力監測設備以1 Hz對碾壓機進行三維空間定位與振動狀態監測，并通過3 G網絡將監測數據無線發送至數據庫服務器中。

(2)根據預先設定的控制標準， 服務器端的應用程序實時分析判斷碾壓機的行車速度、激振力輸出是否超標， 并通過駕駛室報警器發出相應警報。

(3)根據定位數據實時動態繪制碾壓機的行進軌跡，根據碾壓軌跡自動計算碾壓遍數，并在位于監控中心客戶端壩面施工數字地圖上實時顯示倉面任意位置的碾壓遍數；根據上下兩碾壓層高程監測值，動態計算各碾壓層的壓實厚度，實時繪制碾壓高程與壓實厚度分布圖形。

(4)通過監控客戶端與監控成果圖形報告顯示漏碾、超厚區域，指導相關人員做出現場反饋與控制措施。

2 關鍵技術

2.1 碾壓數據實時采集和傳輸技術

實現碾壓過程信息的實時采集和傳輸是整個監控系統的基礎。在施工過程中需要對碾壓設備的動態三維位置坐標、定位時間以及激蕩力輸出狀態，進行精確穩定的采集和傳輸。采用自主設計研發的碾壓信息實時采集和傳輸裝置，具體采集和傳輸的方法如下：

(1)固定的GPS基準站和安裝在碾壓設備上的移動站按照一定的時間間隔同時接收來自GPS衛星發射的無線電信號，然后基站將接收到的定位信息利用無線傳輸單元(Data Transfer unit， DTU)和NtripCaster將差分數據傳輸到GPS移動站，并通過提前設置好的差分程序利用載波相位差技術(Real-time kinematic， RTK)對定位信息進行計算和修正，從而使定位精度達到厘米級。同時， 碾壓設備上的激振力監測單元實時獲取碾壓機械的激振力輸出狀態，通過單片機把高低電平的模擬信號識別為數字信號。最后通過移動站上的DTU采用TCP/IP網絡傳輸協議將定位信息和振動狀態傳輸到數據庫，服務器上的應用程序實時獲取數據之后，即可對數據進行運算和處理，繪制碾壓軌跡線， 計算行車速度、碾壓遍數、壓實厚度、壓實高程等壓實參數， 用于碾壓質量的實時控制。

(2)DTU采用的是一種應用層協議Ntrip協議來代替傳統的電臺傳輸或者“直接的”GSM/CDMA 通訊。Ntrip是在互聯網上進行RTK數據傳輸的協議，所有的 RTK數據格式(NCT、RTCM、CMR、CMR+等)都能被傳輸。Ntrip系統組成如圖3所示，其主要由 NtripServer(RTK參考站)、NtripCaster(處理數據流)和NtripClient(RTK流動站)3個部分組成，且具有無范圍限制、數據安全、容易共享參考站等優點。

圖3 Ntrip系統組成

2.2 碾壓軌跡、遍數實時顯示算法

將GNSS天線安裝在碾壓機的車頂中心位置，然后將GPS的經緯度以及高程轉化為相應的工程坐標，碾壓軌跡和區域是由每間隔1 s碾壓機的位置以及碾壓機的滾輪寬形成的多邊形組成，以像素為單位基于GDI+(Graphics Device Interface plus)在顯示器上繪制出代表碾壓區域的多邊形，為了計算碾壓遍數，將倉面劃分網格(網格大小決定計算的精度，本文以單個像素點為一個網格)，碾壓遍數計算示意如圖4所示。

圖4 碾壓遍數計算

圖4中A、B2個區域分別為2個時間間隔內的碾壓區域；多邊形abcdefg為2個時間間隔內的碾壓區域。創建一個代表不同碾壓遍數的顏色庫，然后對碾壓區域內的每一個網格的中心點(即每一個像素點)進行實時判別是否處于該區域。若在該區域，則該網格Rij(i=1， 2， …，m；j=1， 2， …，n)增加碾壓遍數1次。

2.3 碾壓速度計算

通過轉化后的坐標和相應的時間信息，可計算出碾壓機某個時刻的行走速度。設某碾壓機相鄰時刻ti與ti+1的定位坐標分別為Pi(xi，yi，zi)和Pi+1(xi+1，yi+1，zi+1)，則兩點間碾壓機行走速度v為

(1)

式中，Δt=ti+1-ti。考慮到時間間隔過短可能出現瞬間的速度劇烈變化，本文對其進行平滑處理，取某時刻前5 s內的平均速度為其瞬時速度。

2.4 碾壓厚度計算與顯示

碾壓厚度的計算首先根據施工倉面的大小將倉面劃分為m×n個矩形區域，然后選取5個采樣點，這5個點為該矩形區域內最后時刻的5個碾壓坐標點。用當前5個采樣點的平均高程減去起始高程從而得到該區域的平均碾壓厚度，再將平均厚度顯示在每個矩形區域上，并且對每個矩形塊內的像素點根據平均碾壓厚度的大小進行灰度賦值，倉面碾壓厚度顯示如圖5所示。

圖5 倉面碾壓厚度計算

3 工程應用

甘泉縣府村川水庫均質土壩壩高35 m，壩頂寬7 m，最大底寬201.3 m，壩體最長433 m。使用Visual Studio開發工具和MySQL數據庫，基于.net框架，并采用C/S結構，利用上文提出的方法和技術，研究開發了土石壩填筑碾壓施工質量實時監控系統。如圖6所示為該監控系統客戶端軟件的實時監控界面，實現了對碾壓機碾壓速度、碾壓高程、碾壓狀態、碾壓軌跡和碾壓遍數等的遠程實時監控。通過該系統的應用大大提高了府村川水庫碾壓質量監控的精準性和實時性。

圖6 土石壩填筑碾壓質量實時監控界面

4 結 語

本文針對土石壩填筑碾壓的施工特點，研發出了一套具有實時、高效、高精度等特點的土石壩碾壓施工質量自動遠程實時監控系統。本系統實現了對土石壩壩體碾壓施工質量全天候、自動、實時、遠程監控，確保了土石壩的施工質量；數據信息采用基于NTRIP協議和TCP/IP協議無線傳輸技術，數據穩定不易丟包，延遲低，不受移動站數量和距離的限制；駕駛員可以實時準確的得知倉面的具體碾壓情況，取代傳統的人工控制，節約人力成本，降低人為誤差，提高施工效率。隨著現代施工技術信息化和智能化的高速發展，本系統和技術在未來的水利水電工程建設中將會具有十分廣闊的應用前景。