李龍飛，李君軍，趙 杰，季 昀，李 倩，鄭曉紅

（1.國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都 610000；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310000；3.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310000）

0 引言

水庫(kù)大壩除涉及自身經(jīng)濟(jì)效益外，其安全與否還關(guān)系到影響范圍內(nèi)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，大壩安全監(jiān)控具有重要意義。目前，大壩安全監(jiān)控主要依托儀器監(jiān)測(cè)和巡視檢查兩種手段，兩者相輔相成，均為及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩潛在安全隱患、保障大壩運(yùn)行安全的重要手段。隨著近年來(lái)若干高壩大庫(kù)的建設(shè)和投運(yùn)，大壩安全監(jiān)測(cè)儀器不斷改進(jìn)，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)迅速發(fā)展，但受到儀器監(jiān)測(cè)在時(shí)空上不連續(xù)特性的限制，目前仍無(wú)法僅依靠?jī)x器監(jiān)測(cè)即實(shí)現(xiàn)大壩安全的全面監(jiān)控，因此，做好巡視檢查工作仍具有重要意義［1］。

近年來(lái)，水庫(kù)大壩安全巡檢技術(shù)的發(fā)展主要側(cè)重于研發(fā)基于掌上電腦（Personal Digital Assistant，PDA）、標(biāo) 簽（Radio Frequency Identification，RFID）、近場(chǎng)通信（Near Field Communi‐cation，NFC）、智能手機(jī)終端等技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，以有助于水工人員對(duì)巡檢信息進(jìn)行記錄和分析，但巡檢基礎(chǔ)信息的獲取仍為傳統(tǒng)模式，即主要通過(guò)水工人員現(xiàn)場(chǎng)查看、拍照、記錄獲得［2-4］。傳統(tǒng)人工巡查方式存在依靠肉眼觀察或無(wú)人機(jī)巡航觀察而使得巡查范圍和對(duì)象受限、在暴雨和地震等極端工況下水工人員難以到達(dá)重要巡視點(diǎn)、高壩大庫(kù)人工巡檢工作量過(guò)大等不足之處，因此，研發(fā)一套能夠遠(yuǎn)程控制的移動(dòng)巡檢系統(tǒng)獲取更為豐富的巡檢基礎(chǔ)信息具有重要的工程應(yīng)用意義［5-8］?；趫D像識(shí)別技術(shù)［9］和軌道機(jī)器人，研發(fā)了一套適用于水庫(kù)大壩安全監(jiān)控的遠(yuǎn)程移動(dòng)巡檢系統(tǒng)［10，11］，并以某水庫(kù)大壩為例進(jìn)行了場(chǎng)景應(yīng)用。

1 大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)和主要作用包括：實(shí)現(xiàn)巡視檢查成果的定量化、數(shù)字化、信息化，提高巡視檢查成果的可讀性、易用性；提高巡視檢查的工作效率，提高大壩全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化的信息感知，快速發(fā)現(xiàn)工程缺陷和安全隱患，保障大壩安全；高效應(yīng)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)反饋信息，輔助決策支持，與大壩安全相關(guān)的各項(xiàng)系統(tǒng)建立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制；契合大壩安全管理的行業(yè)特點(diǎn)，以及相關(guān)管理制度要求，助力水庫(kù)大壩管理單位及上級(jí)管理部門(mén)的日常管理需求。

為實(shí)現(xiàn)上述研發(fā)目標(biāo)和作用，本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、解析層、融合層、應(yīng)用層共四個(gè)層次，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of intelligent mobile inspection system for dam safety

數(shù)據(jù)層指數(shù)據(jù)的來(lái)源和獲取的方式。主要通過(guò)系統(tǒng)的“計(jì)劃巡檢”和“手動(dòng)巡檢”這兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)?！叭炊螔呙栌?jì)劃”可以通過(guò)軌道提供的實(shí)時(shí)位置定位、垂直升降桿的伸縮長(zhǎng)短和云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度、焦距值等參數(shù)的組合計(jì)算結(jié)果，對(duì)整個(gè)巡檢場(chǎng)景進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)景的全方位智能巡檢；“自定義計(jì)劃”可根據(jù)用戶的需要定義巡檢路線和巡檢部位（橫縫、有缺陷處、已安裝埋設(shè)的測(cè)壓管、量水堰等監(jiān)測(cè)設(shè)施處）；在巡檢過(guò)程中，機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置可以動(dòng)態(tài)展示在系統(tǒng)頁(yè)面上。某些特定場(chǎng)景下，若需要進(jìn)行手動(dòng)巡檢，可以通過(guò)拖動(dòng)圖標(biāo)讓機(jī)器人快速到達(dá)指定位置，在通過(guò)遙控桿手動(dòng)調(diào)節(jié)，使其位置和拍攝角度更精確，在進(jìn)行手動(dòng)巡檢時(shí)，還可以隨時(shí)添加預(yù)置點(diǎn)位。

智能巡檢成果主要為圖像數(shù)據(jù)，解析的內(nèi)容包括缺陷（本次研究主要針對(duì)裂縫和析鈣滲水）識(shí)別、裂縫（或橫縫）開(kāi)合度計(jì)算、表盤(pán)自動(dòng)讀數(shù)。對(duì)于任意巡檢得到的待解析圖像，首先通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［12］處理進(jìn)行圖像特征提取以得到高維的特征圖，基于特征圖，進(jìn)一步開(kāi)展裂縫識(shí)別和滲水析鈣等缺陷的目標(biāo)檢測(cè)。再通過(guò)將多區(qū)域提取的裂縫進(jìn)行融合以形成最終的裂縫并通過(guò)像素統(tǒng)計(jì)，結(jié)合凸透鏡成像原理將像素長(zhǎng)度換算為實(shí)際裂縫長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)裂縫長(zhǎng)度的識(shí)別計(jì)算。對(duì)于滲水析鈣而言，除了識(shí)別有∕無(wú)，還可以通過(guò)bounding-box 統(tǒng)計(jì)矩形標(biāo)注框的長(zhǎng)度和和寬度，結(jié)合凸透鏡成像原理可直接換算得到區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和面積。對(duì)于壓力表盤(pán)讀數(shù)而言，首先通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)模型確定圖像中是否存在表盤(pán)，再通過(guò)直線擬合得到指針角度進(jìn)而換算為表盤(pán)讀數(shù)。量水堰堰上水頭采用特定裝置將其讀數(shù)轉(zhuǎn)化成表盤(pán)指針（見(jiàn)圖2），讀數(shù)原理同壓力表盤(pán)讀數(shù)。

圖2 表盤(pán)式堰上水頭讀數(shù)裝置Fig.2 Dial type weir head reading device

融合層將解析層獲取的有效信息、軌道機(jī)信息與本工程儀器監(jiān)測(cè)信息（包括環(huán)境量、大壩變形、滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等）以及專家經(jīng)驗(yàn)等信息進(jìn)行融合，為大壩安全的綜合研判提供支撐。解析層識(shí)別的缺陷結(jié)果（包括位置信息、大小、走向等）可實(shí)時(shí)展示在三維模型上，并根據(jù)巡檢過(guò)程實(shí)時(shí)標(biāo)記；在“自動(dòng)生成報(bào)告”功能模塊中，將缺陷信息、儀表讀數(shù)信息和對(duì)應(yīng)部位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合呈現(xiàn)。在特殊情況下，還可以請(qǐng)專家通過(guò)手動(dòng)巡檢查看現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行專家遠(yuǎn)程評(píng)判和支持。

應(yīng)用層可對(duì)整個(gè)巡檢結(jié)果進(jìn)行可視化展示、詳情查看和時(shí)間序列的缺陷發(fā)展趨勢(shì)追蹤、測(cè)值發(fā)展規(guī)律呈現(xiàn)等。同時(shí)提供巡檢報(bào)告的預(yù)覽和下載。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

采用智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)開(kāi)展遠(yuǎn)程巡檢業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖3。使用該系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)不同情況觸發(fā)機(jī)器人進(jìn)行巡檢。一是通過(guò)設(shè)置定時(shí)任務(wù)讓機(jī)器人定時(shí)自動(dòng)巡檢，二是設(shè)置預(yù)警規(guī)則，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警時(shí)及時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)巡檢，并自動(dòng)關(guān)聯(lián)重點(diǎn)部位，重點(diǎn)查看預(yù)警部位；三是在地震、洪水等特殊工況時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)巡檢。任何情況下均可進(jìn)行人工手動(dòng)巡檢。

圖3 大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程Fig.3 Process chart of dam safety intelligent mobile inspection system

在巡檢過(guò)程中，通過(guò)搭載的各類設(shè)備可采集到巡檢部位的聲、光、氣等綜合信息，并對(duì)綜合信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析。

基于圖像識(shí)別技術(shù)，將巡檢圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析［12-14］，內(nèi)容包括缺陷（主要針對(duì)裂縫和析鈣滲水）識(shí)別、裂縫（或橫縫）開(kāi)合度計(jì)算、表盤(pán)自動(dòng)讀數(shù)。

智能分析的結(jié)果均永久存儲(chǔ)在服務(wù)器中，并將分析結(jié)果標(biāo)記在原始圖片上，形成缺陷管理庫(kù)，記錄缺陷參數(shù)信息。

最終形成巡檢報(bào)告，包含上述所有巡檢信息。該系統(tǒng)和提供可視化巡檢結(jié)果展示，將缺陷信息實(shí)時(shí)標(biāo)記在巡檢結(jié)構(gòu)的三維模型上。并通過(guò)設(shè)置預(yù)警指標(biāo)（包括新增缺陷數(shù)量、缺陷發(fā)展趨勢(shì)等）和預(yù)警值（裂縫長(zhǎng)度日增漲量、量水堰讀數(shù)日增長(zhǎng)量、壓力表盤(pán)日增長(zhǎng)量等）。

3 示范應(yīng)用

3.1 工程背景

某水庫(kù)擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高210 m，壩頂高程1 135.00 m，壩身設(shè)有4個(gè)泄洪深孔。壩下設(shè)水墊塘和二道壩，水墊塘全長(zhǎng)220 m，二道壩為混凝土重力式，最大壩高37 m。

該大壩地處偏遠(yuǎn)，廊道環(huán)境潮濕，空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水電站工作人員日常巡視檢查工作量和難度均較大，且在極端工況下難以及時(shí)掌握廊道內(nèi)運(yùn)行情況。高程940 m廊道為拱壩基礎(chǔ)廊道，廊道內(nèi)的變形、滲流情況可直觀反映拱壩壩基和壩體運(yùn)行性態(tài)，其頂拱及上游邊墻存在少量裂縫、滲水析鈣等缺陷，廊道內(nèi)設(shè)有測(cè)壓管、量水堰等監(jiān)測(cè)設(shè)施。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

作為示范應(yīng)用，在本工程廊道頂拱布置一套智能軌道行走式掛載系統(tǒng)（軌道機(jī)器人），軌道沿廊道頂拱軸線敷設(shè)，巡檢范圍對(duì)廊道斷面進(jìn)行了全覆蓋，巡檢重點(diǎn)為廊道頂拱和邊墻的主要缺陷及重要監(jiān)測(cè)設(shè)施?；趫D1所示架構(gòu)構(gòu)建了一套大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，其功能模塊包括設(shè)置智能巡檢項(xiàng)目、頻次及要求，設(shè)置智能軌道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略、智能軌道機(jī)器人的路徑規(guī)劃策略，存儲(chǔ)和查詢巡檢基礎(chǔ)信息（含視頻和圖片）以及基于圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別缺陷類型、特征和監(jiān)測(cè)設(shè)施讀數(shù)等，實(shí)現(xiàn)大壩安全巡檢的智能化應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)安裝情況見(jiàn)圖4。系統(tǒng)功能典型頁(yè)面見(jiàn)圖5、圖6。

圖4 大壩廊道軌道機(jī)器人照片F(xiàn)ig.4 Photo of orbital robot installed in the dam gallery

圖5 缺陷追蹤頁(yè)面展示Fig.5 Web page of defect tracking

圖6 巡檢計(jì)劃頁(yè)面展示Fig.6 Web page of management of patrol inspection plan

3.3 成果展示

利用該套系統(tǒng)進(jìn)行智能巡檢，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的裂縫缺陷和滲水析鈣缺陷進(jìn)行標(biāo)記和參數(shù)計(jì)算同時(shí)（圖5），將計(jì)算出的缺陷大小、位置等參數(shù)標(biāo)記在廊道整體模型上，可根據(jù)巡檢結(jié)果，實(shí)時(shí)展示，如圖7所示。

圖7 典型缺陷展示Fig.7 Display of typical defects

對(duì)巡檢范圍內(nèi)的儀表進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別，成果如圖8 所示。識(shí)別成果可同步錄入自動(dòng)生成的巡視檢查報(bào)告，實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)、遠(yuǎn)程讀數(shù)。

圖8 儀表讀數(shù)識(shí)別Fig.8 Recognition of instrument measured value

4 結(jié)論與展望

在大壩運(yùn)行安全移動(dòng)巡檢方面進(jìn)行了有益的探索，研究了一套基于圖像識(shí)別技術(shù)和軌道機(jī)器人的大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，即基于軌道機(jī)器人及其搭載設(shè)備實(shí)現(xiàn)巡檢現(xiàn)場(chǎng)的信息采集，在此基礎(chǔ)上，基于圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)解析和融合分析。結(jié)合某水庫(kù)大壩進(jìn)行了初步應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，能有效解決傳統(tǒng)人工巡檢范圍有限、極端自然條件下水工人員難以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巡檢等問(wèn)題，且可有效實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)行安全遠(yuǎn)程控制移動(dòng)巡檢、缺陷特征自動(dòng)識(shí)別、重要監(jiān)測(cè)設(shè)施人工讀數(shù)裝置自動(dòng)測(cè)讀等功能。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展和拓展，水庫(kù)大壩運(yùn)行管理智能化將得到進(jìn)一步發(fā)展，大壩安全智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)也將得到進(jìn)一步完善，如進(jìn)一步細(xì)化缺陷特征識(shí)別（毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)裂縫寬度識(shí)別）等。