那 巍孫一清

（1.山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心 山西太原 030002；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院 江蘇南京 210098）

0 引言

巡視檢查是發(fā)現(xiàn)水利水電工程安全隱患最有力的方式，是彌補(bǔ)儀器點(diǎn)監(jiān)測的重要手段。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)樞紐工程各個(gè)部位的巡邏查看，可以發(fā)現(xiàn)工程安全中70%以上的隱患，因此加強(qiáng)巡視檢查力度并提高巡視檢查工作效率是巡視檢驗(yàn)研究的重中之重。目前水利水電工程安全巡檢工作，由于傳統(tǒng)巡檢的繁雜性、高強(qiáng)度、管理難度大等多種原因，導(dǎo)致巡檢存在諸多不足，主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面[1]。首先，傳統(tǒng)巡檢過程中的人工巡檢受人為因素影響較為突出，落后的巡查記錄方式導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)一性差和錯(cuò)誤率高，不利于計(jì)算機(jī)處理[2]。其次，管理人員無法有效掌握巡檢人員的工作狀況和安全狀況，巡視質(zhì)量無法保障。文獻(xiàn)［3］基于 Android智能手持終端、Web Service技術(shù)、GPS技術(shù)和GIS技術(shù)，利用巡檢系統(tǒng)移動(dòng)手機(jī)APP實(shí)時(shí)記錄巡檢工作人員的工作狀態(tài)、工作軌跡，解決工程安全隱患的上報(bào)、解決和結(jié)果追蹤等問題，為水利工程樞紐智能巡檢研究提供可靠依據(jù)。目前，將智能巡檢系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，研究并且探索性的應(yīng)用于變電工區(qū)設(shè)備、鐵路信號(hào)設(shè)備、橋梁、建筑和煤礦等領(lǐng)域[4][5][6][7]。其中，在水利水電工程樞紐中，已經(jīng)有應(yīng)用移動(dòng)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)巡視檢查的報(bào)道，但缺少針對(duì)樞紐工程中通訊信號(hào)和定位信號(hào)不足的綜合解決方案與實(shí)際應(yīng)用，為此，本文將結(jié)合山西重點(diǎn)科研項(xiàng)目成果對(duì)此進(jìn)行說明。

1 系統(tǒng)需求

巡視檢查是確保水利工程樞紐安全必不可少的方式方法，同時(shí)也是維持儀器性能不可或缺的手段途徑。但由于大壩工作條件復(fù)雜等各種原因，工程中總會(huì)存在一些工程部位和儀器測點(diǎn)巡視檢查的盲點(diǎn)，特別是壩內(nèi)廊道等惡劣環(huán)境。事實(shí)上，我們不僅要保證巡視檢查到位，同時(shí)也需要保證巡視檢查人員安全。因此實(shí)現(xiàn)巡視檢查人員工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤和信息的實(shí)時(shí)同步，有必要形成巡查人工高效、數(shù)據(jù)跟蹤匯總、定位準(zhǔn)確清晰的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1。整個(gè)智能巡檢系統(tǒng)是通過標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器配合管理軟件實(shí)現(xiàn)，前端的移動(dòng)應(yīng)用終端和后臺(tái)的服務(wù)器，構(gòu)成了一套完整的無線網(wǎng)絡(luò)安全訪問控制平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

LoRa無線傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本、長距離的特點(diǎn)[8]，是由數(shù)據(jù)采集單元/智能傳感器（MCU）和網(wǎng)關(guān)基站組成的星形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，MCU和網(wǎng)關(guān)基站之間采用無線傳輸，MCU負(fù)責(zé)采集各類常規(guī)傳感器，安裝在傳感器相對(duì)集中的地方，而網(wǎng)關(guān)基站安裝在壩頂和廊道出口以及廊道內(nèi)部拐彎處，實(shí)現(xiàn)水電站樞紐LoRa信號(hào)全覆蓋。MCU數(shù)據(jù)通過LoRa終端傳到網(wǎng)關(guān)基站，基站再通過現(xiàn)有的一系列網(wǎng)絡(luò)傳輸回傳到LoRa服務(wù)器或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。廊道內(nèi)部或無GPS信號(hào)條件下定位技術(shù)包括UWB（超寬帶）脈沖信號(hào)、RFID、ZigBee[9,12]、Wi-Fi、超聲波、LED、地磁和計(jì)算機(jī)視覺、ibeacon等。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇藍(lán)牙定位技術(shù)，其本質(zhì)原因是由于其與智能手機(jī)兼容。在定位精度和響應(yīng)時(shí)間以及成本方面滿足用戶需求。

巡視檢查人員可通過移動(dòng)端將巡檢中發(fā)現(xiàn)的問題和工程安全隱患以文字、圖片、視頻等方式上報(bào)到巡檢管理平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)傳感器上的防水射頻標(biāo)簽的讀碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的檢查維護(hù)。在工作期間，人員廊道外的移動(dòng)信息通過智能收集的GPS實(shí)現(xiàn)定位，在廊道內(nèi)或無GPS信號(hào)部位，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)故障記錄在專用智能手機(jī)內(nèi)，并通過經(jīng)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳回系統(tǒng)管理平臺(tái)。

為每一個(gè)垂線坐標(biāo)儀器或靜力水準(zhǔn)儀配置RFID電子標(biāo)簽[11]，手持移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器通過讀取RFID標(biāo)簽紀(jì)錄采集點(diǎn)位置和時(shí)間信息，并將采集到的信息上報(bào)服務(wù)器。管理者在計(jì)算機(jī)房即可通過巡檢管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)分析和生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

利用Arc GIS for Android API提供的接口，進(jìn)行移動(dòng)端地圖功能開發(fā)。數(shù)據(jù)和圖形處理、分析以及展現(xiàn)通過后臺(tái)Arc GIS Server來完成，數(shù)據(jù)支持由終端數(shù)據(jù)庫提供。在Arc GIS Server開發(fā)接口之上，統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)Arc GIS Server的底層訪問[1]。

4 Web端軟件平臺(tái)

在終端的智能巡檢系統(tǒng)管理平臺(tái)里[10]，管理人員可對(duì)巡檢部位、巡檢人員、巡檢線路以及巡檢軌跡進(jìn)行管理（圖2）；可以根據(jù)水庫巡檢的切實(shí)需要，針對(duì)不同需要制定不同的巡檢任務(wù)；可以按巡檢類型（日常巡檢、汛期巡檢、超正常蓄水位期巡視、汛后巡視、特別巡視等類型）、巡檢任務(wù)狀態(tài)、巡檢期間查詢?nèi)魏窝矙z記錄；可以根據(jù)防洪安全隱患、結(jié)構(gòu)安全隱患、滲流安全隱患等各類型隱患，有針對(duì)地去對(duì)各種信息（隱患、圖片、對(duì)策建議、相關(guān)案例等）進(jìn)行查詢；可以通過對(duì)可能發(fā)生隱患的部位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以便管理巡檢發(fā)現(xiàn)的隱患等；通過巡檢軌跡查詢查找任意期間的每次巡檢任務(wù)的巡檢軌跡記錄。

圖2 巡檢軌跡查詢

5 移動(dòng)端軟件平臺(tái)

智能手機(jī)端安裝的水庫巡檢系統(tǒng)軟件客戶端界面如圖3所示，功能框圖如圖4所示。

圖3 巡檢系統(tǒng)操作界面

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

巡視檢查中，通過與上次巡視檢查相關(guān)信息對(duì)比，巡視終端可以通過聲光實(shí)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和工程病害報(bào)警，提醒巡視檢查人員重點(diǎn)檢查并及時(shí)匯報(bào)。

對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題自動(dòng)報(bào)警界面見圖5。

圖5 對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題自動(dòng)報(bào)警界面

6 工程應(yīng)用

汾河水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的大（Ⅱ）型水利樞紐。大壩壩高61.4 m，壩頂寬6 m，長1 002 m，溢洪道位于右岸，總長345 m，凈寬24 m，堰型為開敞式實(shí)用斷面堰，設(shè)兩扇7 m×12 m弧形鋼閘門。整個(gè)壩區(qū)，包括地下廠房和檢查通道內(nèi)安裝LoRa基站，在傳感器和隱患部位安裝防水型RFID，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)壩外LoRa/GPRS雙信道備份覆蓋，壩內(nèi)外廊道全程定位。

汾河二庫控制流域面積2 348 km2，總庫容1.33億m3，由攔河大壩、供水發(fā)電隧洞、水電站等主要建筑物組成。大壩中部為3孔溢流壩段，最大泄量為1578m3/s，溢流壩段下方兩側(cè)各布置兩孔泄洪排沙底孔，最大泄量3 590 m3/s。為此壩面及廊道內(nèi)共設(shè)置4個(gè)LoRa基站，同時(shí)在傳感器和隱患部位安裝防水型RFID，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)壩外LoRa/GPRS雙信道備份覆蓋，壩內(nèi)外廊道全程定位。

7 小結(jié)

智能巡檢系統(tǒng)把Android智能手持終端、Web Service技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和LoRa技術(shù)有機(jī)結(jié)合，綜合無線通訊和定位技術(shù)等，解決了水電工程人工巡視檢查人工錄入效率低，錯(cuò)誤率高、巡檢人員巡視質(zhì)量差和人員狀況無法監(jiān)控等問題。多年運(yùn)行情況看來，系統(tǒng)安全穩(wěn)定，值得大力推廣使用。