程 井,左世杰,鄒科輝

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

泵閘結(jié)構(gòu)是城鎮(zhèn)防洪排澇系統(tǒng)及地區(qū)水網(wǎng)系統(tǒng)的核心建筑物[1],隨著國家“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時期水利工作的推進,多地已建或擬建一大批泵閘工程。這些工程在創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益的同時,也面臨著諸多問題,如混凝土溫度裂縫等[2-4]?；炷翜乜胤懒汛胧┑暮侠硇灾苯佑绊懝こ痰氖┕べ|(zhì)量及運行期耐久性。

目前國內(nèi)多數(shù)大體積混凝土工程可做到自動讀取溫度數(shù)據(jù),但需要通過人工分析調(diào)整溫控方案[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、計算機和自動化控制技術(shù)的迅速發(fā)展,許多專家學(xué)者將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)水利工程相結(jié)合[6-8],探索更加高效的智能化施工及運行管理模式[9-13]。對于一些大型重點水利工程如小灣、錦屏一級和一些水閘工程[14-15]等,已應(yīng)用大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)自動采集溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合溫控指標進行分析判斷,然后通過人工進行溫度場和應(yīng)力場仿真計算,實現(xiàn)混凝土開裂預(yù)警及自動報警[16]。在混凝土施工期,采用智能溫控技術(shù),高效采集混凝土溫度數(shù)據(jù),智能識別溫控模型信息參數(shù),自動開展實時溫度場反饋及預(yù)測分析,并利用預(yù)測結(jié)果自動調(diào)整冷卻水的流量及溫度,或發(fā)出相關(guān)溫控建議指令協(xié)助現(xiàn)場施工人員及時調(diào)整溫控措施,可以提升數(shù)據(jù)采集的效率及現(xiàn)場溫控措施調(diào)整的時效性,避免以往單純依靠人工進行混凝土溫控工作的弊端。

模型辨識和參數(shù)估計是智能控制系統(tǒng)的核心理論問題[17]。對于大體積混凝土智能溫控系統(tǒng),其預(yù)測反饋模塊的有效性取決于各類施工期溫控參數(shù)識別的準確性和傳輸?shù)臅r效性。溫控參數(shù)主要基于布設(shè)在結(jié)構(gòu)及環(huán)境中的各類溫度及流量傳感器采集到原始數(shù)據(jù)得到。原始測值易受現(xiàn)場監(jiān)測方式、施工條件、設(shè)備狀況以及其他因素的干擾[9],需要進行預(yù)處理;另一方面,高采集頻率帶來的海量數(shù)據(jù),需要進行篩分才能得到準確值和有效值,進而轉(zhuǎn)化成溫控反饋分析模型的性態(tài)特征及各參數(shù)的合理值[4,8]。而目前尚未見關(guān)于智能溫控反饋模型自動識別方面的相關(guān)成果報道。

本文針對澆筑溫度、澆筑時間、最高溫度、內(nèi)外溫差、通水起止時間與表面保溫覆蓋等施工期溫控參數(shù),結(jié)合工程經(jīng)驗及相關(guān)溫控理論,分別研究相應(yīng)的判定邏輯,并編制對應(yīng)程序,利用溫控數(shù)據(jù)庫中若干實際工程的溫控數(shù)據(jù),對各識別程序模塊的準確性進行驗證和完善。

1 識別邏輯與程序

本文選取的張涇河、四滧港和南新涇3座泵閘工程均位于上海市,為平原地區(qū)泵閘工程,工程主體主要由底板、墩墻、進出水流道和上部結(jié)構(gòu)組成。識別程序使用python 3.6.0和mySQL 8.0語言編寫,監(jiān)測設(shè)備按照預(yù)設(shè)的時間間隔自動讀取數(shù)據(jù),通過無線通信系統(tǒng)(由無線中繼配器和DTU組成)進行數(shù)據(jù)傳輸并儲存至云端數(shù)據(jù)庫。SQL語句從云端數(shù)據(jù)庫提取相應(yīng)工程部位的溫度數(shù)據(jù),最后依照相應(yīng)的識別邏輯和任務(wù)進行關(guān)鍵信息識別,并給出施工期混凝土溫控關(guān)鍵信息和參數(shù)。圖1為張涇河工程進水流道第二節(jié)的溫控系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖1 進水流道第二節(jié)測區(qū)測點示意圖

1.1 澆筑溫度及澆筑時間識別

一般泵閘工程混凝土多為泵送混凝土,在其澆筑后的1～2d內(nèi)會達到最高溫度[4]。澆筑前的各溫度傳感器測值均為空氣溫度,混凝土在運輸過程中因為太陽輻射、攪拌摩擦等因素其溫度會高于當(dāng)前氣溫。開始澆筑時,混凝土?xí)采w溫度傳感器并采集到混凝土溫度,該溫度即為澆筑溫度。溫度傳感器測值由氣溫轉(zhuǎn)向澆筑溫度,溫度過程線會產(chǎn)生明顯的梯度,因此可通過相鄰時刻間斜率的大小識別澆筑溫度。針對溫度過程線溫升斜率不明顯的測點,可引入平均溫度機制提高識別率。另外,通過引入測點高程限制信息確保識別準確率,避免出現(xiàn)識別出的上部混凝土澆筑時間早于下部的邏輯錯誤。程序識別流程如圖2所示,其中T、Tp、tp、Nmax、Ni、a分別為開始澆筑2d內(nèi)所有溫度數(shù)據(jù)序列、溫度變化率最大處的溫度值、溫度變化率最大處的時刻值、相鄰時刻溫度變化率最大值、i時刻的溫度變化率、溫度變化率最大值與其他溫度變化率差值(0.1℃/min)。

圖2 澆筑溫度及澆筑時刻識別流程

1.2 最高溫度識別

最高溫度識別的邏輯是找尋溫度數(shù)據(jù)系列最大值,然后通過對混凝土溫度實測值的一階差分序列值的大小進行判斷。由于數(shù)據(jù)采集的頻率為30s/次,所以會出現(xiàn)多個相鄰數(shù)據(jù)點的溫度值相同。如果混凝土溫度的一階差分序列ΔT中有10個差分值連續(xù)為0或者5個小于0,則可以認為達到最高溫度。一般工程中對最高溫度值的誤差接受值要求在1～2℃,本節(jié)設(shè)置為2℃,程序識別流程如圖3所示。

圖3 最高溫度識別流程

1.3 內(nèi)外溫差識別

在混凝土表面50mm處布置1個溫度傳感器監(jiān)測表面溫度,在混凝土內(nèi)部中間位置布置溫度傳感器監(jiān)測內(nèi)部溫度,2個溫度傳感器測值之差即為內(nèi)外溫差。根據(jù)NB/T35092—2017《混凝土壩溫度控制設(shè)計規(guī)范》、GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》,施工期混凝土內(nèi)外溫差不得超過20℃,混凝土表面溫度與大氣溫度之差不得超過20℃。以此為標準,進行內(nèi)外溫差識別。因此,僅需對同時刻的內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)相減得到溫差序列,并找出大于20℃的數(shù)據(jù)即可。

1.4 通水起止時間識別

通水起止時間識別的關(guān)鍵在于識別流量為0的時刻,并根據(jù)前后相鄰時刻的流量值是否為0來判斷是開始通水還是停止通水。零流量時刻之前的流量值為0,是通水起始時刻;零流量時刻之前的流量值不為0,是停止通水時刻,具體流程如圖4所示。

圖4 通水起止時間識別流程

1.5 混凝土保溫識別

本節(jié)僅針對混凝土頂部是否覆蓋保溫材料的情況進行識別。識別邏輯是通過對混凝土頂面的溫度傳感器采集的原始值進行一階差分處理,并和實時氣溫數(shù)據(jù)進行比對,綜合判定混凝土表面保溫狀態(tài)。一階差分可以消除數(shù)據(jù)之間的趨勢性,降低數(shù)據(jù)之間的不規(guī)律波動,使曲線更加平穩(wěn),也能更容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之中的較大波動和反映頂面溫度測值的變化。頂面溫度傳感器在混凝土終凝成型和覆蓋保溫材料之前監(jiān)測的是空氣溫度,進入保溫狀態(tài)后其溫度會有突升。當(dāng)保溫材料由于意外情況無法繼續(xù)工作時,頂面溫度傳感器的測值會有明顯變化,與氣溫溫差逐漸減小并與氣溫變化趨于一致,從而獲知當(dāng)前混凝土表面是否處于保溫狀態(tài)。程序識別流程如圖5所示。

圖5 混凝土表面保溫識別流程

2 實例驗證

根據(jù)第一節(jié)中提出的識別邏輯和程序,對張涇河、南新涇和四滧港3座工程的澆筑溫度及時間、最高溫度、內(nèi)外溫差、通水起止時間和混凝土保溫進行識別,并對比實際情況分析各識別程序的準確率和實用性。

2.1 澆筑溫度和澆筑時間

張涇河工程混凝土澆筑量大,主體工程的不同部位于不同季節(jié)澆筑,因此溫度數(shù)據(jù)豐富且澆筑溫度明確,可用于澆筑溫度和時間識別。依據(jù)第1.1節(jié)識別原理,使用SQL語句從溫控數(shù)據(jù)庫中提取各泵閘工程中各澆筑部位的混凝土溫度數(shù)據(jù),截取工程開始澆筑時間至整體結(jié)束澆筑這一時間段的溫度數(shù)據(jù),尋找其中兩相鄰時刻斜率最大且是溫升段的溫度數(shù)據(jù)。以2℃作為程序識別澆筑溫度值與實際澆筑溫度值的誤差接受值,15min作為澆筑時間識別誤差接受值。選取整個張涇河泵閘主體工程各澆筑部位的溫度數(shù)據(jù)進行識別,識別情況如圖6、表1所示。

表1 澆筑時間識別

圖6 澆筑溫度及澆筑時間識別

張涇河主體工程各個部位中泵站底板識別率為87.5%,出水流道第一節(jié)和泵站5.2m平臺識別率為91.67%,水閘底板、進出水流道第二節(jié)達到了95.83%的識別率,在泵站6.7m平臺和10.2m平臺上的識別率達到了100%。該程序在張涇河主體工程中識別表現(xiàn)很好。

張涇河主體工程澆筑時間分布于不同季節(jié),澆筑部位和澆筑時間不同,帶來的澆筑方式和環(huán)境影響就不同,溫升模式也有所差異。從圖6、表1的識別效果看,程序能針對不同澆筑部位和溫升斜率、澆筑時間在允許誤差內(nèi)進行有效識別,適應(yīng)性較強。

2.2 最高溫度

選取張涇河工程進水流道第二節(jié)4個測區(qū)的溫度數(shù)據(jù)進行識別,識別情況如圖7所示。進一步擴大所選數(shù)據(jù)范圍,選取整個張涇河泵閘主體工程各澆筑部位的溫度過程線數(shù)據(jù)進行識別。

圖7 最高溫度識別

從圖7可以看出,程序首先尋找出符合最高溫度判定條件的首個差分序列區(qū)間(圖中橙色散點標注),然后尋找該序列區(qū)間對應(yīng)的實測溫度過程線區(qū)間(紅色散點標注),此區(qū)間的最高溫度就是該測區(qū)混凝土的最高溫度。該程序能夠精確識別最高溫度區(qū)間,與真實最高溫度值誤差很小,可滿足工程精度需要。該程序在張涇河泵閘主體工程各部位最高溫度識別任務(wù)中均取得100%的識別率,識別功能模塊效果良好,具有較強的適用性,可用于實際泵閘工程混凝土最高溫度識別任務(wù)。

2.3 內(nèi)外溫差

根據(jù)1.3節(jié)內(nèi)外溫差識別原理,對南新涇水閘底板進行內(nèi)外溫差預(yù)警識別,結(jié)果如圖8所示。可以看出,該預(yù)警程序?qū)?nèi)外溫差預(yù)警良好,能夠有效識別超出規(guī)范限制的溫差值并進行標注。

圖8 南新涇水閘底板內(nèi)外溫差預(yù)警情況

2.4 通水起止時間

采用張涇河進水流道第二節(jié)A1測區(qū)的通水流量數(shù)據(jù)進行通水識別,用以模擬實際場景。程序的執(zhí)行結(jié)果如圖9所示。可以看出,程序能對溫控通水流量數(shù)據(jù)庫中通水起止點進行高效識別,可以取得很高的識別率。

圖9 通水起止識別

2.5 混凝土保溫

四滧港工程的澆筑時間位于冬季,且保溫覆蓋操作規(guī)范記錄完整,采集到的混凝土溫度數(shù)據(jù)適合用于混凝土保溫識別。使用該識別程序?qū)λ臏鬯l底板進行表面保溫情況識別的結(jié)果如圖10所示。

圖10 表面保溫情況識別

從圖10可以看出:①保溫開始時刻與一階差分曲線的極大突升時刻相對應(yīng),溫度傳感器從監(jiān)測空氣溫度轉(zhuǎn)為監(jiān)測保溫材料覆蓋下的頂面混凝土溫度,開始進入保溫狀態(tài);②一階差分能夠顯著反映頂面溫度傳感器相鄰時刻間的溫度變化,過大的溫度變化及在上下限制線間波動變大表明其當(dāng)前表面保溫狀態(tài)遭到破壞,與實測溫度過程線的變化趨勢一致;③處于保溫狀態(tài)下的一階差分波動很小,一般在1℃以內(nèi)。以一階差分突破下限制線為標志進入波動狀態(tài),波動狀態(tài)下差分曲線可能多次突破下限制線,或圍繞y=0波動,波動幅度明顯大于保溫狀態(tài)。

本文方法綜合考慮頂面溫度與現(xiàn)場氣溫對混凝土表面保溫狀態(tài)的影響,能夠快速有效識別混凝土表面所處狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。但該方法目前僅能針對布設(shè)表面溫度傳感器的混凝土測區(qū)進行保溫覆蓋識別,后續(xù)可結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控及機器視覺技術(shù),提供更豐富而可靠的表面保溫情況識別。

3 結(jié) 論

a.通過識別各部位澆筑時間段內(nèi)溫升段的斜率最大值,并引入高程限制信息及平均溫度機制對澆筑溫度及其時間進行識別。將該識別程序應(yīng)用于張涇河泵閘主體工程澆筑溫度識別中,各部位的識別率為87.5%～100%,可以適應(yīng)多種澆筑環(huán)境。

b.通水起止識別及內(nèi)外溫差預(yù)警的識別標準單一,可以取得很高的識別率。該程序在張涇河泵閘主體工程各澆筑部位的測區(qū)最高溫度識別任務(wù)中均能完全識別最高溫度所在區(qū)域,無需根據(jù)不同部位修改識別邏輯,具有較高的識別率和較強的適用性。

c.采用混凝土頂面溫度的一階差分及頂面溫度與氣溫之差兩項指標,對四滧港水閘底板混凝土進行表面保溫識別。該程序能夠有效識別保溫開始時刻、保溫狀態(tài)、波動狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,識別效果良好。