基于B／S結構的灌漿數(shù)字化系統(tǒng)在水利工程中的應用

饒小康，王 暉

（長江科學院儀器自動化研究所，武漢 430010）

基于B／S結構的灌漿數(shù)字化系統(tǒng)在水利工程中的應用

饒小康，王 暉

（長江科學院儀器自動化研究所，武漢 430010）

針對水電工程灌漿施工過程中質量和進度難以用傳統(tǒng)方法進行監(jiān)控和統(tǒng)計分析的難題，基于B／S架構，采用網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術和可視化編程技術，建立灌漿數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場灌漿施工的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析、異常預警等功能，實現(xiàn)灌漿施工數(shù)據(jù)的集中整合管理與共享，實時把握現(xiàn)場施工進度，及時統(tǒng)計整理現(xiàn)場資料，提高灌漿工程質量，為建設方的決策提供技術支持。

灌漿數(shù)字化；數(shù)據(jù)庫；報表圖表；異常預警；大崗山水電站；溪洛渡水電站

1 研究背景

灌漿技術作為基礎處理工程的一項重要施工措施，廣泛應用于水利水電工程等建設領域。但由于地質狀況的不確定性，灌漿工程往往成為施工成本超支的高風險區(qū)，加之灌漿結果的不可見性，施工人員很難直觀地跟蹤和檢查其進度與質量狀況，因此在灌漿施工中，對施工的過程控制與工程質量和進度的管理一直成為工程管理中的重點與難點［1］。

基于B／S結構的灌漿管理信息系統(tǒng)結合網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術和可視化編程技術，通過建立重點工程部位灌漿的工藝流程模型，將工藝流程顯性化、規(guī)范化；實現(xiàn)現(xiàn)場生產工藝數(shù)據(jù)的可回溯性，并能及時對工藝流程設計和運行的有效性進行分析，為工程技術人員提供監(jiān)測流程、不斷調整優(yōu)化流程的有效手段；幫助工程管理者逐步提高灌漿管理效益、降低生產成本、提高灌漿工程質量，達到科學決策管理目的。

2 基于B／S的管理信息系統(tǒng)基本理論與方法

2．1 基本理論

2．1．1 數(shù)據(jù)整編與預處理

基礎灌漿是一項極其重要的隱蔽性工程，其設計和施工質量一直受到特別重視。由于儀器設備、網(wǎng)絡異常、人員誤操作等多種原因都可能導致原始采集的數(shù)據(jù)資料出現(xiàn)誤差，甚至在不少工程中出現(xiàn)了虛假、偽造的數(shù)據(jù)資料，因此，有必要在對資料進行統(tǒng)計分析之前對其進行合理的整編處理，去偽存真。一旦出現(xiàn)虛假、偽造的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會及時識別并高亮預警且剔除。這樣才能保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性［2］。

本文擬采用統(tǒng)計檢驗方法識別灌漿數(shù)據(jù)異常值。統(tǒng)計檢驗方法是用統(tǒng)計理論對觀測資料進行檢驗，因為有一定數(shù)學依據(jù)和判斷標準，減少了分析人員的主觀性，也不依賴于分析人員的經(jīng)驗和技術水平，目前在工程中使用較多。對于異常采集數(shù)據(jù)，程序可以根據(jù)判別因子判斷并作出標記。如果程序判斷為異常數(shù)據(jù)，將直接刪除異常數(shù)據(jù)。

數(shù)理統(tǒng)計方法——粗差檢驗：對某個測點，其測值的跳動特征dj可用下式描述：

式中：yj是測點一系列測值，j＝2，3，…，n－1。

由n個測值y1，y2，…，yn可得n－2個dj，當n足夠大時可按一定的概率如“3σ”法則進行檢驗，舍棄異常值。

首先計算出測值統(tǒng)計子樣的平均值ˉd和均方差σ：

進一步計算各個測值跳動偏差的絕對值與均方差的比值

當qj＞3，則認為此值異常，舍棄異常值。

2．1．2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

由于灌漿施工工期長，數(shù)據(jù)采集的周期有時達幾年之久，因此，本文采用獨立數(shù)據(jù)庫服務器保存海量灌漿數(shù)據(jù)，對服務器內存和磁盤均有一定要求。本數(shù)字化系統(tǒng)采用磁盤陣列技術，通過多個磁盤同時存儲和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和穩(wěn)定冗余性。

本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫服務器建立了原始采集數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫、圖形圖像數(shù)據(jù)庫和用戶操作數(shù)據(jù)庫來保證數(shù)字化系統(tǒng)的良好運行。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用目前流行的關系數(shù)據(jù)庫引擎Microsoft SQL Server2000／2005進行各類數(shù)據(jù)的存儲和處理［3］。

2．2 基本方法

2．2．1 B／S網(wǎng)絡體系結構開發(fā)

本系統(tǒng)采用B／S結構的開發(fā)模式，建立客戶端瀏覽器——應用程序服務器——數(shù)據(jù)庫服務器的3層架構形式，系統(tǒng)可擴展性強，易于升級和維護，同時又保證了工程數(shù)據(jù)的安全性和保密性。用戶通過電腦或手持設備即可隨時隨地操作該數(shù)字化系統(tǒng)，無需安裝任何軟件，借助瀏覽器即可對現(xiàn)場灌漿施工質量和過程進行管理。本文采用基于微軟．NET框架的ASP．NET技術進行應用程序的開發(fā)，并融入AJAX異步數(shù)據(jù)傳輸技術，形象化監(jiān)控現(xiàn)場灌漿施工動態(tài)。

2．2．2 可視化編程技術

系統(tǒng)采用可視化程序設計的思想，通過現(xiàn)場需求分析、業(yè)務跟蹤來自定義實現(xiàn)管理者的要求，極大地滿足了管理者的功能需求和操作要求，使得管理者僅通過直觀的操作即可完成灌漿施工的實時監(jiān)控和管理。本文采用微軟為．NET框架量身定做的C＃程序語言，易于應用程序的擴展和數(shù)據(jù)安全性保護，同時兼容多種工程類軟件COM接口和調用ActiveX控件，方便調用工程圖例，實現(xiàn)Web頁上的多媒體效果和交互式操作［4］。

3 系統(tǒng)開發(fā)與功能實現(xiàn)

3．1 系統(tǒng)總體設計結構

基于B／S結構的灌漿管理信息系統(tǒng)基于．NET平臺，并結合了數(shù)據(jù)庫技術、圖形圖像和面向對象的編程思想，系統(tǒng)的總體結構框架如圖1所示［5］。

圖1 系統(tǒng)總體結構框架圖Fig．1 Framework of the overall system

3．2 系統(tǒng)特點與主要功能

系統(tǒng)采用基于客戶端、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器三層結構的B／S網(wǎng)絡體系結構，它是對C／S結構的一種改進，用戶可以通過Internet直接訪問數(shù)字化系統(tǒng)，大大簡化了客戶端的電腦荷載，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，同時有效地保護數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權限，服務器數(shù)據(jù)庫也很安全［6］。

數(shù)字化灌漿系統(tǒng)貫穿灌漿全生命周期，涵蓋灌漿單元設計、灌漿計劃、施工管理、質量管理與綜合查詢與成果輸出，能夠有效提升灌漿過程管理的及時性和有效性，變革灌漿成果整理方式，提高成果整理效率。

系統(tǒng)功能主要通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析、異常預警子模塊組成，能收集現(xiàn)場所有灌漿施工數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控現(xiàn)場施工動態(tài)，查詢各工程部位灌漿參數(shù)，實時統(tǒng)計灌漿完成工程量和施工進度，并對現(xiàn)場設備及參數(shù)異常進行預警［7］。

4 工程實例及應用

基于B／S結構的灌漿數(shù)字化系統(tǒng)分別在溪洛渡水電站、大崗山水電站、瀘定水電站中得到了應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、良好?，F(xiàn)以大崗山水電站為案例進行闡述。

大崗山水電站是大渡河干流中游上段具有日調節(jié)性能的高壩大型水電站。壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高約210 m，設計正常蓄水位1 130 m，庫容7．75億m3，水庫面積12．6 km2，水庫回水長度29．43 km。電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、水墊塘及二道壩、泄洪隧洞、引水及尾水建筑物、發(fā)電廠房、開關站等組成，發(fā)電廠房為地下式，廠內安裝4臺水輪發(fā)電機組，每臺裝機容量為650 MW。

大崗山水電站灌漿數(shù)字化系統(tǒng)主要針對大壩及左、右岸固結和帷幕灌漿，收集現(xiàn)場灌漿施工實時數(shù)據(jù)，用戶通過Internet直接登陸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、各部位灌漿參數(shù)查詢、施工進度統(tǒng)計分析、生成一系列報表圖表和異常預警等功能，操作簡便快捷，無需安裝任何軟件即可在網(wǎng)絡瀏覽器上使用該系統(tǒng)。灌漿數(shù)字化系統(tǒng)有助于現(xiàn)場灌漿數(shù)據(jù)的整合管理，提高管理水平，為后期的施工決策提供數(shù)據(jù)參考。

以現(xiàn)場某壩段某孔號固結灌漿為例展示灌漿施工采集數(shù)據(jù)，表1顯示了在灌漿作業(yè)方式下一段完整的灌漿資料記錄，記錄了一段時間內現(xiàn)場采集的各類灌漿參數(shù)。灌漿過程中的過程數(shù)據(jù)為后期統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)基礎。

4．1 系統(tǒng)登陸主界面

用戶在獲得授權口令后即可在瀏覽器上輸入網(wǎng)址登陸灌漿數(shù)字化系統(tǒng)。圖2為進入網(wǎng)絡系統(tǒng)主界面，包括一系列功能模塊、用戶登陸信息和系統(tǒng)簡介等信息。

表1 大崗山水電站某壩段某灌漿孔采集數(shù)據(jù)Tab le 1 Collected data of a grouted hole in a dam section of Dagangshan hydropower station

圖2 系統(tǒng)登陸主頁面Fig．2 Log-in interface of the system

4．2 系統(tǒng)統(tǒng)計分析模塊

用戶選擇工程量統(tǒng)計子模塊，選擇統(tǒng)計的時間段，即可統(tǒng)計所有工程部位累計灌灰量，并以三維柱狀統(tǒng)計圖的形式展現(xiàn)。該圖能夠實時反映現(xiàn)場各部位灌漿工程量，有利于掌握現(xiàn)場施工進度和完成量，如圖3。

在工程量統(tǒng)計子模塊，選擇時間段后即可生成現(xiàn)場各工程部位單位耗灰量的統(tǒng)計分析圖，包括現(xiàn)場采集灌漿數(shù)據(jù)庫中所有工程部位的單位耗灰量統(tǒng)計，如圖4所示。

4．3 系統(tǒng)圖形圖表生成模塊

在灌漿成果圖形子模塊，選擇任意工程部位即可生成該工程部位的透水率頻率曲線及累計頻率曲線圖，實時反映該工程部位的巖石灌漿質量情況，如圖5。

4．4 其他功能模塊

依據(jù)現(xiàn)場實際需求，系統(tǒng)還能實時監(jiān)控現(xiàn)場灌漿施工情況，了解灌漿參數(shù)和設備使用情況，查詢任意部位、孔號、段號、工作方式下的灌漿參數(shù)，依照水泥灌漿規(guī)范方便生成各類灌漿成果統(tǒng)計報表，并在網(wǎng)頁上直接導出或打印輸出；除此之外，系統(tǒng)還能實時記錄現(xiàn)場出現(xiàn)的所有異常情況，將異常值通過短信等形式發(fā)送至管理者，以便及時處理施工過程中出現(xiàn)的異常狀況。

圖3 各工程部位總耗灰量三維柱狀圖Fig．3 Histogram of total cem ent consum ption in different grouting holes

圖4 各工程部位單位耗灰量三維柱狀圖Fig．4 Histogram of unit cement consum ption in different grouting holes

圖5 某工程部位透水率頻率和累計曲線Fig．5 Curve of permeable rate vs．frequency，and accumulative frequency curve

5 結語

（1）隨著近年來越來越多水電工程的建設，灌漿數(shù)字化系統(tǒng)的開發(fā)將有助于現(xiàn)場灌漿施工的監(jiān)控和管理，為決策者提供一個科學有效、簡便直觀的操作平臺，為現(xiàn)場灌漿施工管理提供技術支持，對提高工程設計與管理現(xiàn)代化水平具有現(xiàn)實意義。

（2）由于灌漿施工現(xiàn)場情況復雜，灌漿數(shù)據(jù)采集的有效性和真?zhèn)涡杂写M一步深入研究，對原始采集的數(shù)據(jù)的整編和預處理將顯得尤為重要。

（3）由于本系統(tǒng)是基于B／S模式開發(fā)，限于軟件平臺和運行效率，施工動態(tài)可視化仿真功能略顯不足，此功能將在后一階段的開發(fā)過程中逐步完善，使其能上升為一個水利工程決策支持系統(tǒng)。

［1］ 袁光裕，胡志根．水利水電施工［M］．北京：中國水利水電出版社，2005．（YUAN Guang-yu，HU Zhi-gen．Construction of Hydropower Projects［M］．Beijing：China Water Power Press，2005．（in Chinese））

［2］ 吳世勇，陳建康，鄧建輝．水電工程安全監(jiān)測與管理［M］．北京：中國水利水電出版社，2009．（WU Shiyong，CHEN Jian-kang，DENG Jian-hui．Safety Monitoring and Management of Hydropower Projects［M］．Beijing：ChinaWater Power Press，2009．（in Chinese））

［3］ 李洋波，黃達海，黃 瑋，等．溪洛渡拱壩溫控數(shù)據(jù)庫的功能［J］．水電站設計，2008，24（4）：105－107．（LI Yang-bo，HUANG Da-hai，HUANG Wei，et al．Functions of Temperature Control System for Xiluodu Arch Dam［J］．Design of Hydroelectric Power Station，2008，24（4）：105－107．（in Chinese））

［4］ 李洋波，黃達海．高拱壩施工的溫控數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［J］．武漢大學學報（工學版），2008，41（4）：52－55．（LI Yang-bo，HUANG Da-hai．Temperature Control Database System for High Arch Dam Construction［J］．Engineering Journal ofWuhan University，2008，41（4）：52－55．（in Chinese））

［5］ 酈能惠，徐竹青．土石壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)［J］．水利水電技術，2004，35（4）：78－81．（LINeng-hui，XU Zhu-qing．Development of Information Management System for the Safety Monitoring of Earth-Rockfill Dams［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35（4）：78－81．（in Chinese））

［6］ 鐘登華，南春輝，宋 洋．水電工程施工進度三維動態(tài)可視化方法［J］．天津大學學報，2005，（4）：322－327．（ZHONG Deng-hua，NAN Chun-hui，SONG Yang．Three-Dimensional Dynamic Visualization for the Schedule of Hydroelectric Project［J］．Journal of Tianjin University，2005，（4）：322－327．（in Chinese））

［7］ 張宗亮，鐘登華．超高面板堆石壩監(jiān)測信息管理與安全評價的理論及實踐［J］．天津大學學報，2008，41（9）：1083－1086．（ZHANG Zong-liang，ZHONG Denghua．Theory and Application of Monitoring Information Management and Safety Assessment for Super-High Concrete-Faced Rockfill Dam［J］．Journal of Tianjin University，2008，41（9）：1083－1086．（in Chinese） ）

（編輯：陳 敏）

Application of B／SNetwork-Based Digital Grouting M anagement System to Hydroprojects

RAO Xiao-kang，WANG Hui
（Department of Instrument Automation，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To tackle the difficulty of monitoring and statistically analyzing the grouting quality and construction schedule by traditionalmethods，we established a digital grouting management system by employing B／S network structure，in association with network technology，database technology and visual programming techniques．The system is to achieve real-time monitoring，data integration，data query，statistical analysis，and early warning for abnormal information．It can also integrate，manage and share the grouting data for engineers to acquire real-time on-site construction progress and to collect and analyze field information in time．The system would improve the grouting quality and provide support for decision-making．

digital grouting；database；reports and diagrams；warning of the abnormal；Dagangshan hydropower station；Xiluodu hydropower station

TP39；TP543．18

A

1001－5485（2013）01－0079－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．017

2011－12－18；

2012－01－31

國家科技支撐計劃專項（2012BAH10B00）

饒小康（1985－），男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工數(shù)字化研究，（電話）13554004966（電子信箱）rxk0215＠163．com。