陳 豪，包騰飛，毛鶯池，張 鵬，吳光耀，王順波

(1.河海大學(xué)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(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

水工巡視檢查和儀器安全監(jiān)測是監(jiān)控和保障大壩等水工建筑物長期安全運(yùn)行的兩種主要手段，兩種手段互為補(bǔ)充，相互驗證。儀器安全監(jiān)測可以在微觀層面，動態(tài)定量監(jiān)測大壩的工況變化。但限于結(jié)構(gòu)和成本制約，布設(shè)于典型監(jiān)測斷面和關(guān)鍵重點部位的監(jiān)測儀器存在空間不連續(xù)性，監(jiān)測盲區(qū)無可避免，因此只有將水工巡視檢查與儀器安全監(jiān)測有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，才能實現(xiàn)從微觀到宏觀、從局部到整體的大壩工況全面監(jiān)控。

水工巡視檢查可以在宏觀層面直觀發(fā)現(xiàn)工程缺陷，然而受制于傳統(tǒng)作業(yè)模式和工程環(huán)境制約，現(xiàn)行水工巡視檢查存在如下主要問題：

(1)現(xiàn)場作業(yè)繁重，巡檢效率低下。根據(jù)SL601—2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》， 巡檢人員在及時發(fā)現(xiàn)各類工程缺陷的同時，還須運(yùn)用目測、手摸、尺量等直觀方法和相應(yīng)工具對缺陷進(jìn)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(yè)任務(wù)繁重，工作效率低下。

(2)巡檢規(guī)范程度低，成果質(zhì)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(guān)規(guī)范的通用巡檢條款和記錄表格，且不與電站水工運(yùn)行維護(hù)工作流程和管理機(jī)制相結(jié)合的現(xiàn)場巡檢作業(yè)，勢必?zé)o法控制因巡檢路線隨機(jī)，巡檢人員工作經(jīng)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(dāng)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(shù)字化管理手段，在無法實現(xiàn)多源巡檢數(shù)據(jù)有機(jī)融合的情況下，無法運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計、GIS空間相關(guān)性分析等諸多方法對大量積累的歷史巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，更難以實現(xiàn)離散缺陷信息與儀器安全監(jiān)測數(shù)據(jù)成果互為補(bǔ)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(xiàn)行水工巡視檢查作業(yè)過程中存在的問題，本文結(jié)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(tǒng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了基于移動終端的水工巡檢系統(tǒng)，以期提高大壩運(yùn)行維護(hù)能力。

1 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

1.1 巡檢業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)合相關(guān)規(guī)范的巡檢標(biāo)準(zhǔn)和電站水工關(guān)注要素、運(yùn)管制度，制定巡檢作業(yè)指導(dǎo)書推動整個巡檢業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化。①巡檢分區(qū)與部位標(biāo)準(zhǔn)化。以小灣電站為例，結(jié)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(tǒng)及尾水系統(tǒng)、水墊塘二道壩、抗力體及壩肩排水洞、地面生產(chǎn)建筑物以及其他(工區(qū)兩岸邊坡、道路、橋梁、監(jiān)測設(shè)施、排水設(shè)施、泄洪洞及導(dǎo)流洞專檢等)等各大分區(qū)，并將分區(qū)下的巡檢部位以具體高程和位置的形式，按照巡檢路線進(jìn)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(guī)范要求。②巡檢記錄表標(biāo)準(zhǔn)化。針對各部位工程特點定制標(biāo)準(zhǔn)化巡檢記錄，并將巡檢主要對象進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)提示，諸如滲漏、裂縫、供排水系統(tǒng)等，針對滲漏，還規(guī)定從潮濕到噴涌6個程度的描述選項，相關(guān)缺陷描述盡量采用判斷和選項方式記錄，在進(jìn)一步強(qiáng)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(xiàn)場工作量。

1.2 巡檢數(shù)據(jù)快速同步

巡檢數(shù)據(jù)快速同步包括移動終端數(shù)據(jù)上傳和服務(wù)器端數(shù)據(jù)下載。移動終端數(shù)據(jù)上傳通過adb命令將數(shù)據(jù)以文件形式拷貝到服務(wù)器端后分類處理，將巡檢文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并封裝為json數(shù)據(jù)后解析入庫，同時將對巡檢圖像影像數(shù)據(jù)進(jìn)行無重復(fù)校驗后入庫；服務(wù)器端巡檢數(shù)據(jù)下載通過將需導(dǎo)出的巡檢數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)拷貝到移動終端。這項同步技術(shù)實現(xiàn)了巡檢數(shù)據(jù)在服務(wù)器端與移動端間的自動、及時、準(zhǔn)確傳輸，節(jié)省了巡檢數(shù)據(jù)處理時間，提高了作業(yè)效率和準(zhǔn)確性。

1.3 融合GIS和二維碼的巡檢定位技術(shù)

GIS(Geographic Information Systems)技術(shù)以地理空間為基礎(chǔ)，采用空間模型方法，實時提供多種動態(tài)空間信息，有效管理具有空間屬性的各種資源環(huán)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(guī)律圖形作為數(shù)字對象唯一識別符，類似信息數(shù)據(jù)的鑰匙。針對電站樞紐區(qū)戶外巡檢，在構(gòu)建基于GIS的樞紐區(qū)空間三維模型的基礎(chǔ)上，借助PDA自帶的GNSS導(dǎo)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(nèi)巡檢，在缺乏無線通信定位基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，通過構(gòu)建融合GIS空間屬性的三維建筑信息模型，并在室內(nèi)代表性特征部位和主要缺陷部位布置二維碼標(biāo)識，即可完成室內(nèi)空間定位，并可滿足定期巡檢路線現(xiàn)場復(fù)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(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，在采集圖像的基礎(chǔ)上，從大壩缺陷圖像的特征分析入手，根據(jù)檢測圖像的時間和空間分布特點，通過多指標(biāo)缺陷檢測、機(jī)器深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對缺陷圖像進(jìn)行缺陷檢測和分類識別，然后結(jié)合缺陷識別結(jié)果進(jìn)行缺陷特征參數(shù)化來構(gòu)建圖像的缺陷描述集，實現(xiàn)缺陷圖像的相對定量化評價。結(jié)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(nèi)的大壩安全測點的測值進(jìn)行聯(lián)動比對，為大壩運(yùn)行工況的綜合評判提供更加全面準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 工程概況

小灣水電站系瀾滄江中下規(guī)劃八個梯級中的第二級，以發(fā)電為主兼有防洪等綜合效益，裝機(jī)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(fā)電系統(tǒng)組成。水庫總庫容150億m3，具多年調(diào)節(jié)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(nèi)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(guī)模超大的地下引水發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)。鑒于小灣水電站樞紐區(qū)建筑規(guī)模巨大，巡視檢查工作繁重，項目組有針對性地研發(fā)了基于移動終端的小灣水工巡檢系統(tǒng)，并投入使用。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于移動終端的水工巡檢系統(tǒng)包括Web Service端和移動采集終端。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)劃分為5層，其中采集層位于移動終端，解析層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)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(yè)務(wù)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(fā)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)，實現(xiàn)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(xiàn)廣泛的互聯(lián)功能。

(3)數(shù)據(jù)層。通過構(gòu)建的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫分類存儲電站建筑空間數(shù)據(jù)、缺陷屬性與多媒體數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)、二維碼數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，為后續(xù)服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)服務(wù)層。使用SOA的思想，基于Web服務(wù)技術(shù)開發(fā)粒度適中、易于擴(kuò)展的業(yè)務(wù)功能接口，構(gòu)建適應(yīng)業(yè)務(wù)需要的Web系統(tǒng)。

(5)應(yīng)用層。將服務(wù)層發(fā)布的Web服務(wù)進(jìn)行整合處理，為系統(tǒng)用戶提供包括作業(yè)指導(dǎo)書、路徑、信息、缺陷、報表、權(quán)限與日志管理等多個應(yīng)用支持。

圖1 基于移動終端的水工巡檢系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能

水電站水工巡檢系統(tǒng)利用移動采集終端現(xiàn)場實時記錄巡檢現(xiàn)場情況，將巡檢數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)Web Service端，對巡檢信息、缺陷進(jìn)行統(tǒng)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(tǒng)移動采集終端功能實現(xiàn)

移動終端功能分為巡檢人員管理、數(shù)據(jù)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(tài)管理6個功能模塊。

(1)實現(xiàn)巡檢分區(qū)部位與項目定制化。結(jié)合電站水工巡檢任務(wù)分工和業(yè)務(wù)流程，分別定制了大壩、泄洪設(shè)施、地下引水發(fā)電系統(tǒng)、抗力體及其排水洞、地面生產(chǎn)建筑物等工程分區(qū)及巡檢部位結(jié)構(gòu)特性和缺陷描述的標(biāo)準(zhǔn)化記錄信息格式，如圖2所示。

(2)實現(xiàn)巡檢基本信息與缺陷信息的快速記錄。數(shù)據(jù)錄入以選項選擇錄入為主。在錄入巡檢時間、人員、環(huán)境量等基本信息后，記錄包括標(biāo)準(zhǔn)化缺陷描述屬性信息和多媒體數(shù)據(jù)信息的巡檢缺陷信息。錄入界面如圖3所示。

(3)實現(xiàn)缺陷定位和巡檢路線管理。采用融合GIS與二維碼技術(shù)對巡檢部位和缺陷點進(jìn)行定位，并可將缺陷點的歷史巡檢數(shù)據(jù)給予關(guān)聯(lián)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(tǒng)將對用戶進(jìn)行提示；選取重點巡檢模式可根據(jù)近3次發(fā)現(xiàn)的重大缺陷部位推薦巡檢路線，滿足特種巡查或?qū)＜覚z查需要。

(4)實現(xiàn)了巡檢數(shù)據(jù)的便捷傳輸。巡檢前后，均可通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)下載巡檢信息至系統(tǒng)移動終端或上傳巡檢信息至系統(tǒng)Web端數(shù)據(jù)庫。

2.3.2系統(tǒng)Web Service端功能實現(xiàn)

水工巡檢系統(tǒng)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(quán)限管理、日志管理等五個部分。

(1)實現(xiàn)巡檢信息高效整編與閉環(huán)管理。將巡檢數(shù)據(jù)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(xiàn)當(dāng)前巡檢信息與歷次缺陷數(shù)據(jù)的對比，并可自動創(chuàng)建巡檢缺陷臺賬，實現(xiàn)巡檢與消缺的閉環(huán)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(xiàn)巡檢成果便捷報送?？芍苯訉⒀矙z成果根據(jù)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(yùn)維管理和技術(shù)監(jiān)督要求。

(3)實現(xiàn)重大缺陷信息的可視化發(fā)布。將經(jīng)評判定性為重大水工缺陷的部位推送至電站大壩安全監(jiān)測可視化及預(yù)警系統(tǒng)，并在水工建筑物三維BIM模型上標(biāo)準(zhǔn)，便于巡檢信息發(fā)布與上級推送。

(4)系統(tǒng)安全管理。對系統(tǒng)用戶進(jìn)行對應(yīng)的權(quán)限管理，記錄系統(tǒng)內(nèi)所有涉及用戶信息、作業(yè)與數(shù)據(jù)操作。

3 應(yīng)用效果及結(jié)語

結(jié)合小灣水電站水工巡檢業(yè)務(wù)實際需求，研發(fā)的基于移動終端的水工巡檢系統(tǒng)從根本上解決了水工巡檢作業(yè)的自動化程度和成果發(fā)布全過程時效低下，現(xiàn)場工作任務(wù)繁重，歷史缺陷數(shù)據(jù)無法實時查詢，無法與儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析等問題。通過將巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)化和流程化，極大消除了作業(yè)過程中因人員經(jīng)驗、技能水平等主觀因素引起的缺陷判識差異和成果不穩(wěn)定。

目前，經(jīng)過測試與完善后的水工巡檢系統(tǒng)已在小灣電廠投入使用，該系統(tǒng)全面升級了水工巡檢作業(yè)方式，大幅提高了現(xiàn)場巡檢作業(yè)、后期數(shù)據(jù)整編、水工缺陷判識與巡檢成果發(fā)布的作業(yè)效率和準(zhǔn)確性，具有實用價值，可供其他工程參考使用。