羅 熠，張劍飛，胡俊義

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院儀器及自動(dòng)化所，湖北 武漢 430010；2.四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100）

0 引言

水電工程灌漿過程中，灌漿壓力過大，會(huì)給巖層或者建筑物的結(jié)構(gòu)造成破壞性的影響；而壓力過小通常會(huì)使灌漿達(dá)不到想要的效果。同時(shí)為了對(duì)工程的工作量和資源進(jìn)行有效的控制，必須使用灌漿記錄儀來記錄、顯示和打印灌漿過程的壓力、流量、比重、抬動(dòng)等信息。

由于在灌漿施工過程中傳統(tǒng)灌漿記錄儀工作點(diǎn)相對(duì)孤立、分散，而且在一個(gè)施工面之中往往有多臺(tái)灌漿記錄儀同時(shí)運(yùn)行。因此當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，工作人員通常不易立即察覺，處理異常事件的效率不高，在一定程度上影響了工程的進(jìn)度。這就迫切需要可靠、集中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)灌漿過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高施工效率，方便管理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)在檢測(cè)準(zhǔn)確度和監(jiān)測(cè)靈活等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，它具有靈活、流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，省去了花在綜合布線上的費(fèi)用和精力。通過自適應(yīng)的組網(wǎng)和無線通信技術(shù)，使得所有灌漿記錄儀之間通過分布式協(xié)作實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)采樣、數(shù)據(jù)融合、查詢式監(jiān)控、短信預(yù)警和動(dòng)態(tài)功能升級(jí)等先進(jìn)的監(jiān)控功能。

1 無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)水電站灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)的一套完整的灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由3部分構(gòu)成：GJY-7型記錄儀作為數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端，主要負(fù)責(zé)控制命令傳送和數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和無線路由器作為現(xiàn)場(chǎng)控制中心主要負(fù)責(zé)從1個(gè)或者多個(gè)記錄儀上進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并緩存；中央服務(wù)器作為遠(yuǎn)程控制中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制中心建立通訊。

1.1 基本原理

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、全觸摸屏技術(shù)、遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)化技術(shù)等高新技術(shù)手段，以 《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》、 《灌漿記錄儀技術(shù)導(dǎo)則》為理論指導(dǎo)，對(duì)灌漿過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與反饋處理。以中央服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心，以無線路由器為骨干單元，以施工面內(nèi)每臺(tái)GJY-7型無線網(wǎng)絡(luò)灌漿自動(dòng)記錄儀為數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端，通過特定的通信模式自組織為無線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)施工面。

在帷幕灌漿廊道中，無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體設(shè)置如下：GJY-7型灌漿記錄儀內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)，它是數(shù)據(jù)的形成和發(fā)送者；無線路由節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)置為無線路由器，它的主要作用是從每個(gè)網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，繼而向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，增加無線路由器的個(gè)數(shù)，即可擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；無線通信協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)模塊被設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它是無線網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)者和維護(hù)者；GPRS模塊設(shè)置為信號(hào)發(fā)射器，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)（或3G網(wǎng)）上傳中央服務(wù)器上。用戶登陸中央服務(wù)器即可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）通信頻段高，抗通信干擾能力強(qiáng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線無障礙條件下的理想通信距離可達(dá)1 000 m。

（2）以多跳路由模式傳輸數(shù)據(jù)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面大大增加，將數(shù)據(jù)通信的可靠性提升到新量級(jí)。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)255個(gè)，通過無線網(wǎng)關(guān)可以擴(kuò)展到6 500多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（4）節(jié)點(diǎn)具備隨機(jī)自動(dòng)組網(wǎng)以及加入、退出網(wǎng)絡(luò)功能，完全滿足灌漿記錄儀應(yīng)用環(huán)境的需要。

（5）無需建立無線通信機(jī)站，沒有通信費(fèi)用，在任何施工廊道內(nèi)無通信死區(qū)。

（6）用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)上登陸在線管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)視灌漿過程數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

（7）對(duì)于不同層級(jí)的用戶，系統(tǒng)可以根據(jù)各方面不同的職責(zé)設(shè)置不同的用戶權(quán)限，對(duì)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)實(shí)施不同程度的管理。

（8）具有最新的手機(jī)短信異常預(yù)警功能。

2 實(shí)際應(yīng)用

四川省大渡河流域?yàn)o定水電站壩址區(qū)河谷覆蓋層深厚，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般為120～130 m，最大厚度148.6 m。土體多具中等強(qiáng)透水性，存在滲漏及抗?jié)B穩(wěn)定性問題。因?yàn)樵谳^開闊的河谷、高地震烈度區(qū)、深厚不均勻覆蓋層上建造高土石壩的復(fù)雜性，壩基防滲處理成為大壩工程設(shè)防的重點(diǎn)和難點(diǎn)，且大部分灌漿孔段深度超過百米級(jí)對(duì)灌漿壓力的控制要求較高。瀘定水電站在壩基河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿施工過程中，采用了長(zhǎng)江科學(xué)院儀器所自主研發(fā)的基于GJY-7型網(wǎng)絡(luò)灌漿自動(dòng)記錄儀的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)，具備最新的手機(jī)短信異常預(yù)警功能，為業(yè)主、監(jiān)理和施工方對(duì)灌漿過程的監(jiān)管提供了有效手段，是確保大壩帷幕灌漿質(zhì)量的可靠保證之一。

2.1 帷幕灌漿廊道無線組網(wǎng)

河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿廊道水平段長(zhǎng)約500 m，斜坡段長(zhǎng)約200 m，交通洞長(zhǎng)約300 m。設(shè)置GJY-7型一拖二無線網(wǎng)絡(luò)灌漿記錄儀主設(shè)備工作點(diǎn)12個(gè)，流量傳感器48套、比重傳感器和壓力傳感器各24套。在距襯砌廊道口70 m處裝設(shè)了1個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊，之后每間隔200 m裝置1個(gè)無線路由節(jié)點(diǎn)模塊 （共2個(gè)），在交通洞洞口裝設(shè)1個(gè)GPRS無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)模塊。自2010年12月底組網(wǎng)成功之后，一直運(yùn)行正常。所有無線模塊的電源均來自廊道內(nèi)部的220 V交流照明電路，模塊具備超低功耗的特點(diǎn)，且散熱功能強(qiáng)大，還含有備用電源線路，可保持至少1年內(nèi)不間斷使用。

2.2 針對(duì)瀘定水電站特殊情況的功能升級(jí)

在壩基帷幕灌漿孔中，多數(shù)孔深達(dá)100 m以上。業(yè)主、監(jiān)理、施工對(duì)灌漿壓力控制高度重視，要求在灌漿過程中記錄儀能夠顯示全壓力便于控制，并且反應(yīng)在打印報(bào)表中；要求打印報(bào)表表頭具備與瀘定水電站特點(diǎn)匹配的項(xiàng)目信息。在短時(shí)間內(nèi)，研發(fā)人員針對(duì)這兩點(diǎn)要求進(jìn)行了軟件升級(jí)，取得了良好的效果。

由于瀘定縣電網(wǎng)穩(wěn)定性不理想，非計(jì)劃停電次數(shù)頻繁，電壓波動(dòng)范圍較大，對(duì)此研發(fā)人員設(shè)置了掉電數(shù)據(jù)保護(hù)措施，來電后依然可以承接停電時(shí)數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行，傳統(tǒng)記錄儀由于停電時(shí)間很短導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失后掃孔重灌的情況被徹底避免；對(duì)于電源部分，專門設(shè)計(jì)了寬幅穩(wěn)壓電路。

2.3 灌漿網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)介

灌漿網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)編程技術(shù)，將灌漿施工過程中采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)收集、傳輸和入庫，進(jìn)行統(tǒng)一、有效的管理， 建立b/s結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系，方便用戶可以隨時(shí)、隨地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程灌漿施工的進(jìn)度及質(zhì)量，為后方的決策支持提供數(shù)據(jù)和圖表支持。

主要功能介紹：①能夠?qū)崟r(shí)瀏覽、查詢現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用情況；②能夠查詢?nèi)我馐┕挝弧⒐こ滩课?、設(shè)備號(hào)、灌漿孔號(hào)、段號(hào)，任意時(shí)間段的各類灌漿參數(shù)；③能夠生成灌漿施工記錄表、灌漿成果表、施工示意圖等灌漿規(guī)范要求的圖表；④提供短信預(yù)警功能，對(duì)灌漿施工過程中出現(xiàn)的參數(shù)異常將進(jìn)行短信預(yù)警，第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)各類異常情況。

2.4 應(yīng)用效果

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使業(yè)主和監(jiān)理實(shí)現(xiàn)了一站式管理，大大節(jié)約了施工成本。用戶只需通過登陸互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心網(wǎng)頁即可對(duì)施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)某臺(tái)記錄儀出現(xiàn)異常時(shí)，中央服務(wù)器會(huì)即刻發(fā)送預(yù)警簡(jiǎn)訊到預(yù)先設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼，這時(shí)監(jiān)管人員和專門技術(shù)人員立即進(jìn)入施工廊道內(nèi)就能準(zhǔn)確找到出現(xiàn)異常原因，并及時(shí)處理事故，使灌漿施工順利進(jìn)行。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)效果來看，本系統(tǒng)故障率較低，異?，F(xiàn)象較少，售后服務(wù)人員對(duì)異常的處理迅速，總體效果較好。

3 結(jié)語

本無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)憑借先進(jìn)的綜合高新技術(shù)手段，結(jié)合灌漿過程監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出能夠代表國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的，具有信息化、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化的無線網(wǎng)絡(luò)智能灌漿監(jiān)測(cè)平臺(tái)。系統(tǒng)在瀘定水電站大壩帷幕灌漿工程中的成功應(yīng)用，預(yù)示著灌漿施工的管理將從分散的監(jiān)管模式，向互聯(lián)網(wǎng)在線同步集中管控模式邁進(jìn)。

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的成熟與實(shí)施，可以考慮將數(shù)據(jù)通信從GPRS上轉(zhuǎn)換成3G通信，從而得到更高的傳輸速率和帶寬，使系統(tǒng)的監(jiān)控能力得到進(jìn)一步提高。

［1］ 羅熠，于軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌漿參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2010（12）:87-90.

［2］ 杜小文.面向大壩安全監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［3］ 周宇.基于ARM的灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［D］.湘潭：湖南科技大學(xué),2007.