楊 寧，盧正超，喬 雨，張振華，趙代鵬

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000；2.中國水利水電科學(xué)研究院水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100038；3.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的4個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩的最上游梯級，總庫容74.08億m3，電站裝機(jī)容量1 020萬kW。烏東德大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m，拱冠梁底厚45.45 m，壩頂上游面弧長325.67 m，共分15個壩段，壩體混凝土方量約273萬m3。壩身布置5個表孔、6個中孔。

“烏東德水電站大壩施工期安全監(jiān)測自動化與工作性態(tài)智能化監(jiān)控”(以下簡稱“烏東德施工期監(jiān)測自動化項目”)是烏東德大壩工程智能建造項目的重要組成部分之一，主要針對烏東德大壩施工控制3大要素中的安全維度，通過擴(kuò)大工程安全相關(guān)信息涉及的時空覆蓋范圍，提高信息的時間、空間分辨能力，全面感知烏東德大壩工程風(fēng)險的相關(guān)信息，真實分析評價工程風(fēng)險因素及其演變規(guī)律和后果，動態(tài)控制風(fēng)險事件及其發(fā)展過程，動態(tài)監(jiān)控和主動應(yīng)對相結(jié)合，實現(xiàn)烏東德大壩施工期安全管理上的智能化。

“烏東德施工期監(jiān)測自動化項目”主要工作內(nèi)容包括：①壩踵應(yīng)力、倒懸變形專項監(jiān)測；②施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測及其自動化；③施工期大壩安全監(jiān)測信息在線分析預(yù)警系統(tǒng)；④大壩安全監(jiān)測信息在線分析預(yù)警系統(tǒng)維護(hù)；⑤大壩安全監(jiān)測資料分析及安全評價。

隨著監(jiān)測自動化、網(wǎng)絡(luò)通信、計算等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，監(jiān)測自動化是未來的發(fā)展趨勢[1-2]，也是智慧水利建設(shè)和水電智能建造的必由之路[3]?；炷链髩问┕て诒O(jiān)測自動化在從倉面采集、倉面轉(zhuǎn)廊道采集和廊道觀測房內(nèi)采集等3個階段均面臨很大困難和挑戰(zhàn)。國內(nèi)的有關(guān)規(guī)程規(guī)范均未對混凝土大壩從施工、蓄水、運(yùn)行全過程的監(jiān)測提出明確的要求[4-7]。本文主要介紹烏東德高拱壩施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測及其自動化的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容[8]。

2 混凝土高拱壩施工期監(jiān)測自動化面臨的困難

在以往的混凝土大壩監(jiān)測中，由于施工條件的限制，通常是在大壩施工開始到后期甚至竣工都采用人工觀測，大壩澆筑到頂、廊道完全形成并具備有線通信工作條件才進(jìn)行監(jiān)測自動化。這就勢必帶來數(shù)據(jù)采集實時性差，有時還會有數(shù)據(jù)采集中斷，難以為大壩灌漿、澆筑等提供實時數(shù)據(jù)支撐等問題。這無疑是大壩智能建造中需要解決的一個重點和難點。

就施工期監(jiān)測自動化而言，施工條件的限制主要包括如下幾個方面：①在大壩內(nèi)部，壩內(nèi)各層廊道觀測房形成時間不一，觀測房之間或與外界不連通，僅在大壩施工后期甚至是大壩竣工后方才具備通信條件。②在大壩外部，施工期間大壩樞紐區(qū)不具備有線或無線通信條件。③施工過程中，倉面及廊道內(nèi)環(huán)境惡劣，且不時停電，往往超出電子設(shè)備的正常工作條件。

3 施工期大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)烏東德水電站大壩智能監(jiān)控的目標(biāo)，烏東德施工期監(jiān)測自動化項目招標(biāo)文件的對施工期自動化監(jiān)測系統(tǒng)的要求是：“為保證施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測，與運(yùn)行期觀測順利銜接，在大壩混凝土澆筑期間，電纜線未牽引至廊道觀測站前，對各混凝土倉面內(nèi)監(jiān)測儀器設(shè)施采用無線智能傳感采集儀自動采集數(shù)據(jù)，并通過無線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)。電纜線牽引至廊道觀測站后，采用數(shù)據(jù)采集單元采集數(shù)據(jù)，利用光纖將各層觀測站組網(wǎng)后牽引至地面，使用無線方式傳輸?！?/p>

為實施烏東德大壩智能建造的目標(biāo)，在烏東德樞紐區(qū)建立了聯(lián)通專網(wǎng)，施工期間在施工區(qū)和辦公區(qū)有可靠的無線通信，辦公區(qū)和三峽成都數(shù)字中心有可靠的網(wǎng)絡(luò)通信。因此，烏東德施工期監(jiān)測自動化主要需要解決傳感器埋設(shè)后的數(shù)據(jù)采集和傳輸問題。

通過對混凝土大壩施工特點的分析，并考慮到施工期監(jiān)測系統(tǒng)與運(yùn)行期監(jiān)測系統(tǒng)的無縫對接，采用基于LORA協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)，本工程智能數(shù)據(jù)采集按照二級規(guī)劃，第一級即監(jiān)測中心站，第二級為現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站和無線智能采集站。

(1)監(jiān)控中心站。包含采集計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)等外設(shè)組成，其主要功能是通過平臺軟件對監(jiān)測站自動和半自動采集的數(shù)據(jù)、人工測讀的數(shù)據(jù)、工程所有與安全監(jiān)測相關(guān)的文檔資料進(jìn)行集中統(tǒng)一管理并發(fā)布給相應(yīng)權(quán)限的管理人員，同時，可向現(xiàn)場自動化監(jiān)測站發(fā)送相關(guān)控制指令。

(2)無線智能采集站。采用自帶電源、功耗低、體積小、質(zhì)量輕、便于組網(wǎng)、配置簡單靈活的無線數(shù)據(jù)采集裝置，建于大壩澆筑倉面，可隨混凝土澆筑移動。本工程選用由北京基康生產(chǎn)的基于低功耗無線廣域網(wǎng)技術(shù)的GL2型無線智能采集采集系統(tǒng)。GL2型無線廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由支持3/4G/FE網(wǎng)絡(luò)GL2型無線網(wǎng)與多個GL2系列無線終端組成，具有組網(wǎng)簡單，配置靈活、終端無需額外供電、自動化程度高的特點。對于本工程而言，只需在壩體兩側(cè)壩肩處各設(shè)置1臺無線網(wǎng)關(guān)，即可對整個大壩施工區(qū)域的監(jiān)測儀器實施自動化數(shù)據(jù)采集。實際上，它也可應(yīng)用于大壩基坑、邊坡等部位的監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)采集。

(3)現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站。建于廊道內(nèi)觀測房，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備供電及防雷等功能，可用于施工期和運(yùn)行期監(jiān)測?，F(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站由1臺或多臺BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元組成。相關(guān)倉面儀器電纜牽引至廊道觀測站后，將儀器電纜與無線數(shù)據(jù)直接接入BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元。BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元除具有RS232/RS485等常規(guī)通訊接口外，還具有RJ45以太網(wǎng)絡(luò)端口。每個現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站內(nèi)設(shè)置有多端口以太網(wǎng)交換機(jī)，將測站內(nèi)的各自動化數(shù)據(jù)采集單元實施通訊匯聚，并通過網(wǎng)線與鄰近廊道監(jiān)測站組成更大的網(wǎng)絡(luò)，同時還通過網(wǎng)線連接到廊道口的光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、利用光纜與4G路由器等實現(xiàn)與監(jiān)控中心站之間的無線或有限通訊通訊。通過本測站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與串口服務(wù)器連接本測站內(nèi)的CCD設(shè)備，由監(jiān)控中心站直接對CCD設(shè)備實施通訊采集?，F(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站的供電采用施工用電，BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)置有后備電池，即使短暫停電也能保證數(shù)據(jù)采集不會中斷。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 烏東德水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 施工期大壩安全監(jiān)測自動化實施方案

4.1 監(jiān)測自動化階段劃分

考慮混凝土大壩施工特點，施工期大壩安全監(jiān)測可以分為以下3個階段：

(1)倉面采集。近基礎(chǔ)部位埋設(shè)的傳感器，下方?jīng)]有廊道，儀器電纜只能上引。其他部位引線規(guī)劃為自傳感器埋設(shè)高程起上引至上部高程廊道或牽引至其他具備采集條件的位置進(jìn)行采集，但未進(jìn)行電纜預(yù)埋。對于上述兩種情形，在大壩混凝土澆筑倉面進(jìn)行采集是不可缺少的階段。

(2)倉面采集轉(zhuǎn)廊道采集，為進(jìn)入廊道觀測房內(nèi)采集的過渡階段。對于上述不可缺少的倉面采集階段，儀器電纜最終需由倉面進(jìn)入廊道。受廊道立模、拆模、混凝土澆筑等施工影響，有兩個月左右的時間難以進(jìn)入廊道內(nèi)進(jìn)行人工采集。因此，人工采集數(shù)據(jù)通常要中斷兩個月左右。

(3)廊道觀測房內(nèi)采集。廊道拆模具備交通條件后。

4.2 倉面采集的監(jiān)測自動化

對于傳感器的倉面采集階段，主要采用如下方式進(jìn)行自動化監(jiān)測：

(1)在大壩混凝土澆筑倉面，根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行儀器電纜集中和牽引，在電纜集中處，采用北京基康公司的無線智能采集儀進(jìn)行匯聚。烏東德現(xiàn)場應(yīng)用的無線智能采集儀主要有GL2-VW-6(每臺可接入鋼弦式傳感器6支)、GL2-DR-6(每臺可接入差阻式傳感器6支)以及GL2-VW-MM(每臺可接入雙軸電解液質(zhì)高精度傾斜計1套)3種規(guī)格。

(2)各壩段倉面上分散布設(shè)的GL2無線智能采集儀，通過北京基康公司的GL2-G無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯聚，形成一個結(jié)構(gòu)簡單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1臺GL2無線網(wǎng)關(guān)等同于1個“基站”，網(wǎng)關(guān)下允許6萬余個無線智能采集儀。由于烏東德現(xiàn)場壩肩邊坡高陡，施工過程各壩段澆筑高程上升不同步，倉面高低錯落，為保證無線傳輸質(zhì)量，在大壩兩側(cè)壩肩布置了2臺GL2無線網(wǎng)關(guān)。

(3)GL2-G無線網(wǎng)關(guān)通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)與烏東德監(jiān)測中心站相連。GL2無線網(wǎng)關(guān)一般是通過公網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至商用云平臺(如中興、阿里等)，再通過專用軟件下傳數(shù)據(jù)。為保障數(shù)據(jù)安全，烏東德建立了私有云平臺。除了私有云平臺(中興)，烏東德監(jiān)測中心站還布置了1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和1臺4G無線路由器。無線路由器和GL2-G無線網(wǎng)關(guān)均配置了聯(lián)通網(wǎng)卡，通過烏東德現(xiàn)場開通的4G無線聯(lián)通專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(DELL T330)配置了SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)采集管理軟件BGK-Logger。

(4)烏東德監(jiān)測中心站通過有線網(wǎng)絡(luò)與烏東德智能建造平臺iDam2.0連接。

無智能采集儀功能特點有：①自動聯(lián)網(wǎng)功能。在GL2無線網(wǎng)關(guān)下自動聯(lián)網(wǎng)，異地使用無需任何設(shè)置。②多網(wǎng)關(guān)支持。同一區(qū)域支持多個網(wǎng)關(guān)并自動選擇上報數(shù)據(jù)。③自動偵測。自動偵測網(wǎng)關(guān)、信道占用并自動調(diào)頻切換。④內(nèi)建藍(lán)牙4.0接口和磁性鑰匙喚醒開關(guān)，可通過安裝APP的藍(lán)牙手機(jī)讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)或進(jìn)行配置。磁性鑰匙還可激活即時測報功能，利用手機(jī)掃描二維碼通過平臺直接查看當(dāng)前數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場安裝調(diào)試。⑤可更換電池。⑥全密封殼體，防護(hù)等級IP67，適應(yīng)全天候工作。

GL2無線網(wǎng)關(guān)功能特點有：①完全免配置，即裝即用。②支持3G/4G全網(wǎng)通或有線LAN等數(shù)據(jù)傳輸方式。③覆蓋能力強(qiáng)，視距最遠(yuǎn)可達(dá)15km里與6萬個測點的覆蓋。④支持藍(lán)牙路測終端查看網(wǎng)關(guān)及終端信息，GPS用于網(wǎng)關(guān)定位及授時。⑤防水性能良好，防水等級IP67。⑥支持市電220 V交流供電和太陽能供電。⑦功耗低，正常工作情況下功耗小于5 W。

無線智能采集儀內(nèi)置有可更換的獨立供電的電池，采用超低功耗和遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，同時具備無線數(shù)據(jù)傳輸及有線數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了傳感器的采集、信號處理、通訊、供電一體化，具有自動聯(lián)網(wǎng)、自動偵測、支持多網(wǎng)關(guān)、免調(diào)試等功能，即裝即用。

4.3 倉面轉(zhuǎn)廊道采集的監(jiān)測自動化

烏東德水電站倉面轉(zhuǎn)廊道采集監(jiān)測自動化采用如下方式：以850 m高程廊道4號和12號壩段觀測房為例加以說明。2018年9月，3、4、5號和10、12、13號壩段在倉面進(jìn)行人工讀數(shù)的儀器將分別引入850 m高程廊道4號觀測房(接入差阻式84支、鋼弦式47支、雙軸傾斜計1套)和12號壩段觀測房(接入差阻式42支、鋼弦式20支、雙軸傾斜計1套)。在廊道施工期間，850 m高程廊道左右岸未貫通，4、12號壩段觀測房內(nèi)部無電源、無聯(lián)通無線網(wǎng)絡(luò)。通過從觀測房經(jīng)倉面預(yù)埋信號線(485和網(wǎng)線)和電源線進(jìn)行信號傳輸和供電，牽引到大壩下游面853棧橋，長度約60 m。在850 m高程廊道4、12號壩段觀測房內(nèi)，傳感器接入北京基康BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元。網(wǎng)線一端接入觀測房內(nèi)的以太網(wǎng)交換機(jī)，一端接入固定在大壩下游面853棧橋上方的4G路由器，路由器上配置聯(lián)通專網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)通過無線直接傳入烏東德監(jiān)測中心站安全監(jiān)測服務(wù)器。無線傳輸發(fā)生問題時，利用485線將存儲在采集單元的數(shù)據(jù)讀出，人工導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。4號壩段和12號壩段下游面853棧橋各安裝配聯(lián)通專網(wǎng)卡的4G路由器1臺。

通過上述方式，可以保障倉面轉(zhuǎn)廊道采集過程中的數(shù)據(jù)連續(xù)不中斷。

4.4 廊道觀測房內(nèi)采集的監(jiān)測自動化

引入廊道觀測房內(nèi)的儀器電纜接入BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元，采集單元接入以太網(wǎng)交換機(jī)或光纖交換機(jī)。當(dāng)廊道內(nèi)具備無線或有線通信條件時，通過觀測房內(nèi)配置聯(lián)通專網(wǎng)網(wǎng)卡的路由器連接到烏東德監(jiān)測中心站。對于不具備通信條件的其他觀測房，如廊道左右或上下貫通時，可以通過光纖或網(wǎng)線連接至具備通信條件的其他觀測房。這種監(jiān)測自動化方式與以往運(yùn)行期自動化監(jiān)測基本一致。

5 監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施中需考慮的情況

在混凝土拱壩施工期開展監(jiān)測自動化，需要克服施工條件惡劣等問題。在大壩澆筑倉面，需要對無線智能采集儀GL2加設(shè)保護(hù)盒，提高防水、防水泥漿能力。廊道內(nèi)，因為混凝土施工加濕養(yǎng)護(hù)防裂要求，相對濕度在95%以上，需要對BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元機(jī)箱提高防護(hù)等級、加熱或加干燥劑除濕。在設(shè)備故障時，需及時進(jìn)行更換。對于施工停電導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不通時，要及時進(jìn)行處置，必要時手工導(dǎo)出數(shù)據(jù)，人工導(dǎo)入系統(tǒng)。

此外，為便于監(jiān)測儀器埋設(shè)單位進(jìn)行人工觀測，在無線智能采集儀GL2和BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元均設(shè)置了人工觀測接口。

6 結(jié) 語

截至2020年12月，烏東德大壩已全面實現(xiàn)倉面和廊道內(nèi)的監(jiān)測自動化，目前已接入傳感器1 343支[8]。自2018年10月以來，高頻次的自動化采集為大壩橫縫灌漿以及2020年以來的初期蓄水大壩智能化監(jiān)控提供了及時充分的數(shù)據(jù)支持。人工比測表明，自動化系統(tǒng)運(yùn)行可靠?？傮w而言，采用功耗無線廣域網(wǎng)技術(shù)實施混凝土施工期全過程自動化是可行的，可以實現(xiàn)儀器埋設(shè)后遂行自動化監(jiān)測全過程無間斷，且組網(wǎng)靈活、施工方便。

烏東德的經(jīng)驗表明，可以考慮取消大壩監(jiān)測中的人工觀測階段，直接進(jìn)入全過程的大壩監(jiān)測自動化。在今后的混凝土壩監(jiān)測設(shè)計中，建議進(jìn)行如下優(yōu)化：

(1)對于上部高程埋設(shè)的儀器，采用預(yù)埋儀器電纜和必要的通訊光纜，牽引至下部廊道或其他具備觀測條件的位置，可以減少倉面采集范圍。

(2)盡早完成壩內(nèi)廊道及觀測房的總體規(guī)劃，觀測房預(yù)留自動化設(shè)備位置，并注意避免與垂線鉆孔、安裝施工的干擾。

此外，還宜加強(qiáng)混凝土施工中的精細(xì)化管理，避免施工水浸泡壩內(nèi)廊道電子設(shè)備。