（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

1 工程概述

夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）屬于Ⅰ等大（一）型工程，是一座以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程等組成［1］。工程于2013年10月正式動工建設，2017年9月順利實現(xiàn)截流，目前整個工程依據(jù)初設報告已完成了大部分主體建筑的施工建設。工程建設完成后如何通過現(xiàn)代化管理手段確保工程安全以及高效穩(wěn)定地運行是管理單位需要重點關注的問題。

巡視檢查是保障水工建筑物安全運行的一種常用手段，可在宏觀層面直觀發(fā)現(xiàn)工程缺陷［2］，傳統(tǒng)的方法為人工作業(yè)。然而受作業(yè)模式和工程環(huán)境的制約，這一方法存在工作效率低、主觀性強和成果零散等不足［3］?；诖?，本文結合夾巖工程巡檢工作的實際需求，在人工巡檢的基礎上構建了包含智能安全帽、無人機和無人船等設備在內(nèi)的主要結構物巡檢系統(tǒng)和應用客戶端，以期為工程安全運行提供智能化、高效化和安全化的巡檢作業(yè)方式。

2 主要結構物巡檢系統(tǒng)構建

2.1 巡檢系統(tǒng)需求分析

根據(jù)工程運行管理需要，主要結構物巡檢系統(tǒng)需要具備以下基本功能：

（1）規(guī)范統(tǒng)一、標準的巡檢方案，包括結構物、設備、設施的檢查內(nèi)容，檢查方法，正常參考標準，重點檢查項目，檢查頻次等。

（2）定人員、定時間、定任務、定標準的周期巡檢計劃。

（3）巡檢信息的手動輸入或選擇（設備運行狀態(tài)、參數(shù)、周圍環(huán)境變化等）；發(fā)現(xiàn)缺陷和隱患可采用圖像、視頻、文字等方式采集并上傳信息。

（4）對巡檢信息的匯總處理，可自動統(tǒng)計、分析、生成各種巡檢報告。

（5）巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的隱患進入缺陷管理流程進行處理，實現(xiàn)隱患的閉環(huán)管理。

（6）對巡檢人員的工作進行量化考核，全部由系統(tǒng)自動統(tǒng)計、分析、生成各種考核報表。

（7）可在應用平臺上直觀查看巡檢點完成情況、漏巡點位置等，并自動記錄巡檢軌跡，可實時抽查監(jiān)督巡檢人員的工作位置，對歷史巡檢軌跡進行動態(tài)回放，方便管理者隨時調(diào)閱查證。

（8）可為巡檢人員制定巡檢計劃、巡檢路徑規(guī)劃等。

2.2 巡檢系統(tǒng)構建思路

（1）為保障巡檢人員的人身安全，同時能讓前端現(xiàn)場巡檢更加智能化，讓后端管理監(jiān)控更加高效，給巡檢人員配備智能安全帽、智能手持移動終端等智能輔助設備；在重點巡檢區(qū)域、巡檢點安裝巡檢射頻標識，在各主要設備、主要區(qū)域安裝二維碼，用于同手持終端APP的交互通訊。

（2）在傳統(tǒng)的水庫周邊環(huán)境、渠道的動態(tài)監(jiān)測中，巡檢人員需攜帶相機在大壩圍欄上對水庫周邊環(huán)境拍照取證來獲得水庫的工程安全情況，針對山區(qū)渠道一般采用徒步的方式對上下游渠道工程情況進行巡檢。在巡檢過程中，若遇到大面積渠道水質(zhì)污染或工程損壞時，無法宏觀精確地得出巡檢結果，同時會因為作業(yè)面積廣闊，人工巡檢調(diào)查緩慢，進而擴大工程安全隱患的影響。針對這一問題，系統(tǒng)設計配備巡檢無人機和巡檢無人船，用于水庫邊緣區(qū)及部分偏僻渠道環(huán)境比較惡劣地段的巡檢。

（3）為實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合共享，分析挖掘巡檢過程中出現(xiàn)的問題，需要研發(fā)巡檢系統(tǒng)應用客戶端，實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理決策輔助功能。

2.3 巡檢系統(tǒng)硬件組成

2.3.1 智能安全帽

智能安全帽集定位、感知、預警和音視頻交互為一體，通過后臺的綜合業(yè)務平臺，實現(xiàn)前端現(xiàn)場巡檢和后端管理的實時連動、信息的同步傳輸與存儲以及數(shù)據(jù)的采集與分析。

2.3.2 二維碼與射頻標簽

二維碼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)字對象唯一識別符的類似信息數(shù)據(jù)的鑰匙［4］。射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，其射頻標簽支持快速讀寫、定位、長期跟蹤和移動識別的特性［5］。根據(jù)運行管理需要，在工程的重點巡檢區(qū)域、巡檢點安裝巡檢射頻標識，在各主要設備、主要區(qū)域安裝二維碼，可以用于同手持終端APP的交互通訊。

2.2.3 智能手持移動終端

巡檢人員通過智能手持移動終端上的軟件應用平臺，可在權限范圍內(nèi)開展巡檢工作。手持終端軟件應用平臺包含巡檢方案制定、巡檢記錄上傳、巡檢報告生成、巡檢路徑規(guī)劃及巡檢人員實時軌跡監(jiān)控等功能。

2.2.4 無人機

在主要結構巡檢系統(tǒng)中設置巡查無人機與巡檢無人機，巡查無人機主要用于工程范圍內(nèi)定期影像、三維地形等數(shù)據(jù)獲取，巡檢無人機主要是采用圖傳系統(tǒng)輔助巡視檢查。

（1）巡查無人機。在調(diào)度中心配備一臺固定翼無人機，對庫區(qū)、灌區(qū)及水庫管理區(qū)等必要范圍進行定期影像、三維地形等的數(shù)據(jù)獲取，排查目標較為明顯的污染源、違法亂建等情況，并可對數(shù)字模型進行定期更新。

（2）巡檢無人機。主要用于解決特殊結構物（如大壩、溢洪道、取水口）、長距離輸水管線、高大建筑物等交通條件差、人員可及范圍以外等情況，常規(guī)巡檢手段存在操作難度大、檢查盲區(qū)、巡檢成本高、效率低等問題。巡檢無人機通過實時圖傳系統(tǒng)進行輔助巡檢，將在很大程度上解決上述難題，同時亦可應用于突發(fā)情況下的現(xiàn)場勘查和應急指揮等。

2.2.5 無人船

按照工程實際需求，巡檢無人船分為庫區(qū)巡檢無人船與灌區(qū)輸水長隧洞無人船。配備了1套庫區(qū)巡檢無人船，主要應用于水源區(qū)，需要時也可應用于反調(diào)節(jié)水庫、囤蓄水庫及管線末端水庫等的庫區(qū)；配備了2套灌區(qū)輸水長隧洞無人船，主要用于灌區(qū)輸水長隧洞巡視檢查。

（1）庫區(qū)巡檢無人船。該船體積較大，抗風浪能力強，續(xù)航能力強，可搭載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水下地形測量設備、三維激光掃描儀等設備進行智能化巡檢，主要用于庫區(qū)水域及庫岸邊坡等區(qū)域的巡視，并通過4G/5G網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，其具體功能要求包括：①可實現(xiàn)人工手動遙控操作，半自主導航航行，全自主導航航行、避障，操作過程實時視頻監(jiān)控航行，后臺控制中心遠程操作，遠程監(jiān)控等。②人工手動操作，通過遙控器在2 km距離范圍內(nèi)進行船的航行和任務操作，主要用于現(xiàn)場快速執(zhí)行任務及復雜水域、近岸航行和任務系統(tǒng)的執(zhí)行操作。③自主導航航行，通過后臺基站軟件發(fā)送航行任務，無人船利用GNSS定位系統(tǒng)進行自主航行，操作人員隨時介入進行任務系統(tǒng)的執(zhí)行及關鍵信息的處理。④自主導航、自主避障航行，無人船利用GNSS定位系統(tǒng)，接收基站發(fā)送的航行信息和任務信息，全自主地完成航行、執(zhí)行任務。具備通信中斷自主回航、自動規(guī)避障礙物功能。通過視頻監(jiān)控可實現(xiàn)工作現(xiàn)場視頻信息回傳。⑤4G/5G遠程操作，無人船船體具備4G/5G數(shù)據(jù)傳輸功能，可接入后臺監(jiān)測系統(tǒng)。通過控制中心的統(tǒng)一部署，可遠程操作現(xiàn)場無人船半自主工作，可發(fā)送航行/任務信息實現(xiàn)遠程自主航行。無人船可實時向后臺發(fā)送航行狀態(tài)信息、任務系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)和任務結果。支持多無人船的同時工作和同時回傳。

（2）灌區(qū)輸水長隧洞巡檢無人船。因灌區(qū)隧洞空間相對狹窄，船體相對較小，為了滿足長隧洞巡檢要求，應具備續(xù)航能力強，輸水長隧洞內(nèi)定位及自主導航功能，可搭載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。具體功能要求包括：①在有網(wǎng)絡通訊情況下，可實現(xiàn)與庫區(qū)巡檢無人船相同的人工手動遙控操作，人工手動操作，自主導航航行、自主導航、自主避障航行等功能。②在輸水隧洞內(nèi)部，結合陀螺儀、慣導、里程計等設備，在無GPS信號與通訊網(wǎng)絡情況下，可根據(jù)預設路線自主航行，并進行概略定位，定位精度不低于5 m。③配合照明設備，無人船搭載的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)可對輸水隧洞內(nèi)部情況進行視頻監(jiān)控，因無通訊網(wǎng)絡無法實現(xiàn)實時視頻傳輸，暫時將視頻監(jiān)控成果儲存在設備中，待駛離隧洞并能接收到網(wǎng)絡信號后再將視頻數(shù)據(jù)傳輸至服務器。

2.4 巡檢系統(tǒng)應用平臺功能設計

主要結構物巡檢系統(tǒng)基于WebGIS平臺，用以實現(xiàn)夾巖工程主要結構物的巡視檢查管理工作，提供巡檢方案的制定，現(xiàn)場巡檢數(shù)據(jù)及影像資料、維護保養(yǎng)實時記錄上傳及報告生成，巡檢路線軌跡實時監(jiān)控等功能。

2.4.1 巡檢方案制定

系統(tǒng)需結合水庫巡檢的實際需要，按照巡檢類型（日常巡檢、汛期巡檢、訊后巡檢、特別巡視等）制定巡檢方案，包括巡檢的區(qū)域、路線及重點安全隱患等。

2.4.2 巡檢數(shù)據(jù)上傳及分析

系統(tǒng)具有巡檢數(shù)據(jù)上傳分析功能，包括智能安全帽、智能手持終端、無人機及無人船采集的巡檢數(shù)據(jù)、記錄和影像資料。系統(tǒng)內(nèi)置多種模板，具備巡檢報告、報表自動生成及打印輸出等功能。

2.4.3 巡檢問題上報及推送

在巡查過程中發(fā)現(xiàn)問題或安全隱患需要整改處理時，在系統(tǒng)中以視頻、圖片、文字等方式推送給指定的相關責任人并要求其在指定的時間內(nèi)處理問題。

2.4.4 巡檢路線軌跡實時監(jiān)控

系統(tǒng)可對巡視檢查人員及設備進行實時地圖定位監(jiān)控，能夠按時間序列在地圖上生成巡檢軌跡，并能實時將問題發(fā)生位置在地圖上標記出來。

2.4.5 巡檢數(shù)據(jù)可視化查詢

系統(tǒng)可根據(jù)防洪安全隱患、結構安全隱患、滲流安全隱患等各類型隱患，有針對性地查詢各種信息，如隱患、圖片、視頻、對策建議、相關案例等，便于管理人員對隱患部位進行實時跟蹤，掌握工程運行狀態(tài)。

系統(tǒng)可查找任意時間的巡檢記錄，包括巡檢視頻、巡檢人員、巡檢軌跡、問題區(qū)域及維護保養(yǎng)記錄等。

2.4.6 巡檢數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)具有巡檢數(shù)據(jù)管理功能，包括隱患部位管理、維護保養(yǎng)記錄管理、巡檢設備檔案管理及巡檢人員管理等。

2.4.7 系統(tǒng)用戶角色管理

根據(jù)不同的用戶和角色進行權限劃分。

3 結語

夾巖工程涉及點多面廣，巡視檢查工作任務繁重且傳統(tǒng)巡查方式效率低下。隨著移動通訊、空間定位技術的發(fā)展以及測量手段的不斷創(chuàng)新，結合智能安全帽、無人機和無人船等設備進行結構物巡檢，符合工程實際需求，在此基礎上構建巡檢應用平臺，實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的匯集和深度分析，不僅能夠提高現(xiàn)場作業(yè)效率，還能輔助安全生產(chǎn)管理決策，提高工程運行管理水平。