溪洛渡水電站灌漿網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

， ，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 儀器研究所，武漢 430010)

1 工程概況

溪洛渡水電站是國(guó)內(nèi)第二大水電站，是一座以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運(yùn)等綜合效益的大型水電站。溪洛渡水電站樞紐由攔河壩、泄洪、引水、發(fā)電等建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610 m，最大壩高278 m，壩頂弧長(zhǎng)698.07 m；左、右兩岸布置地下廠房，各安裝9臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)1 386萬kW，多年平均發(fā)電量571.2億kW·h。溪洛渡水電站灌漿工程量大、工期長(zhǎng)，如何科學(xué)有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿質(zhì)量和進(jìn)度進(jìn)行控制和管理將是本文研究的重點(diǎn)[1]。

2 原理分析

灌漿網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是建立在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、總體B/S架構(gòu)體系、三維可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一套灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)控管理信息系統(tǒng)。

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)

灌漿工程屬于隱蔽工程，灌漿數(shù)據(jù)存在人為干擾因素，質(zhì)量和計(jì)量控制難度較大，因此有必要建設(shè)灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。為了滿足施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的需要，本系統(tǒng)在灌漿施工無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋區(qū)布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4協(xié)議的近距離(作用范圍10～100 m)、低復(fù)雜度、自組織、低功耗(3 V電壓可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月)、低成本、高容量(最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn))的無線網(wǎng)絡(luò)，能適應(yīng)灌漿現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境，提高信息傳輸?shù)目垢蓴_能力，保證灌漿施工數(shù)據(jù)的正常采集[2]。

2.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

由于灌漿周期長(zhǎng)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)較多，而日常處理的數(shù)據(jù)量較大，則對(duì)系統(tǒng)的容錯(cuò)功能要求較高。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的安全，本文采用MS SQL Server2008作為數(shù)據(jù)庫引擎，并配置磁盤陣列，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理的容錯(cuò)性和穩(wěn)定冗余性[3]。

2.3 B/S體系架構(gòu)

本系統(tǒng)采用的B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用戶無需安裝任何軟件即可通過瀏覽器訪問該系統(tǒng)，方便快捷，系統(tǒng)開發(fā)采用模塊化開發(fā)方法，管理、維護(hù)和升級(jí)方便，一定程度上減少了系統(tǒng)開發(fā)成本和維護(hù)成本，提高了開發(fā)效率[4]。

3 網(wǎng)絡(luò)組建與數(shù)據(jù)整編

3.1 網(wǎng)絡(luò)組建

系統(tǒng)以溪洛渡水電站右岸PGR5灌漿廊道為例，在該廊道組建無線網(wǎng)絡(luò)，安裝無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備，保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋所有灌漿區(qū)域，施工人員根據(jù)施工部位的調(diào)整，可在無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)任意移動(dòng)灌漿記錄儀的同時(shí)保證灌漿數(shù)據(jù)的正常采集與傳輸。

分別在溪洛渡電站左右岸帷幕灌漿廊道、大壩壩面以及壓力管道等工程部位進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，在各工程部位形成一個(gè)小型局域網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集灌漿數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)傳輸至Internet，進(jìn)入灌漿數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，具體灌漿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 溪洛渡水電站灌漿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Topological diagram of the network system for the grouting of Xiluodu hydropower station

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 General structure of the system

3.2 數(shù)據(jù)整編

由于儀器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)異常、人員誤操作等多種原因都可能導(dǎo)致原始采集的數(shù)據(jù)資料出現(xiàn)誤差，在對(duì)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析之前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理的整編處理，才能保證分析結(jié)論的可靠性。因此有必要對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文采用拉依特準(zhǔn)則對(duì)粗大誤差予以剔除[5]。

拉依特準(zhǔn)則：大多數(shù)測(cè)量的隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，該隨機(jī)誤差的絕對(duì)值超過3σ的概率極小。因此，對(duì)大量的等精度測(cè)定值，判定其中是否含有粗大誤差，可以采用拉依特準(zhǔn)則，即實(shí)測(cè)值z(mì)i與回歸值(平均值)的差即殘差不能太大，應(yīng)滿足正態(tài)分布的“3σ”準(zhǔn)則，即若殘差滿足式(1)，則判定為異常數(shù)據(jù)并剔除，但剔除的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)大于測(cè)點(diǎn)總數(shù)的1%～5%，否則應(yīng)增加測(cè)點(diǎn)數(shù)并重新判斷。

(1)

拉依特準(zhǔn)則的應(yīng)用與測(cè)點(diǎn)數(shù)n有關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n≥10，采用式(1)；n<10時(shí)采用下式：

(2)

4 溪洛渡灌漿網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于.NET平臺(tái)開發(fā)，結(jié)合ASP、NET技術(shù),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù),圖形圖像技術(shù),多線程技術(shù)以及Direct3D三維可視化技術(shù)，采用分層架構(gòu)形式，總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示[6]。

系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)(采集、存儲(chǔ)、輸出)、查詢與分析子系統(tǒng)和形象可視化子系統(tǒng)3大子系統(tǒng)[7]。

4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)與功能

以往的單機(jī)版灌漿資料整理軟件全憑手工錄入或資料導(dǎo)入，數(shù)據(jù)滯后，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工狀況，并且軟件需要安裝、配置、升級(jí)，操作較為麻煩。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用基于B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便，用戶無需安裝任何軟件即可通過瀏覽器訪問該系統(tǒng)，進(jìn)行灌漿施工的進(jìn)度查詢和質(zhì)量管理。

系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、施工監(jiān)控系統(tǒng)于一體，將三者有機(jī)結(jié)合在一起。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，封裝底層采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳輸至本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌漿過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，得到與現(xiàn)場(chǎng)一致的灌漿成果資料；除此之外，系統(tǒng)在灌漿數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)文件的支持下能實(shí)時(shí)生成各類統(tǒng)計(jì)分析圖表、報(bào)表以及灌漿信息形象示意圖，把握現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度及質(zhì)量。

在數(shù)據(jù)采集方面采用新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是在信號(hào)盲區(qū)和網(wǎng)絡(luò)死角進(jìn)行組建網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸；突破了以往有資料手工錄入、數(shù)據(jù)拷貝和數(shù)據(jù)有線采集的方式，同時(shí)無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組建的靈活方便也大大降低了施工成本和提高了工作效率。

由于灌漿數(shù)據(jù)采集具有長(zhǎng)期性，并且數(shù)據(jù)量多而雜，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和執(zhí)行方面采用基于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的多線程的C/S結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編處理，剔除無效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性。

本系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、記錄查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、成果報(bào)表、異常預(yù)警、形象展示、系統(tǒng)維護(hù)等，可對(duì)各標(biāo)段灌漿施工進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，監(jiān)測(cè)灌漿參數(shù)變化情況，統(tǒng)計(jì)各類灌漿成果報(bào)表，生成現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度圖、灌漿孔形象示意圖、預(yù)警異常參數(shù)和設(shè)備故障[8]。

圖3 系統(tǒng)登陸功能模塊頁面Fig.3 Page of system login function

5 成果分析

5.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

灌漿管理信息系統(tǒng)應(yīng)用于溪洛渡水電站左、右灌漿排水廊道、壓力管道以及大壩壩面等灌漿工程部位，系統(tǒng)從2011年11月開始試運(yùn)行，系統(tǒng)經(jīng)過多次維護(hù)與升級(jí)，至今運(yùn)行情況穩(wěn)定，效果良好。

業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工用戶授權(quán)登陸溪洛渡灌漿管理信息系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)功能模塊的操作。登陸成功即可顯示該系統(tǒng)幾大功能模塊，用戶點(diǎn)擊菜單欄即可進(jìn)入相應(yīng)模塊，如圖3所示。

用戶選取任意工程部位、任意孔號(hào)，即可生成該條件下正在施工的灌漿各類參數(shù)，包括流量、壓力、密度與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖4所示(圖中流量差為進(jìn)漿流量與回漿流量之差)，可實(shí)時(shí)把握各參數(shù)變化趨勢(shì)以及異常情況，為現(xiàn)場(chǎng)施工情況判斷提供參考依據(jù)。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控各參數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.4 Variation of real-time monitored flow, pressure,and density

5.2 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過整編即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和匯總。用戶進(jìn)入統(tǒng)計(jì)匯總頁面，即可生成大壩標(biāo)和帷幕標(biāo)各工程部位的灌漿完成量(kg)或單耗(kg/m)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及三維柱狀圖，如圖5、圖6所示。

圖5 截止當(dāng)前各壩段灌灰量三維柱狀圖Fig.5 Three-dimensional histogram of current total cement of dam sections

圖6 截止當(dāng)前各壩段單耗三維柱狀圖Fig.6 Three-dimensional histogram of current cement per unit of dam sections

同時(shí)，用戶選擇具體工程部位以及孔序即可生成該條件下透水率頻率及累計(jì)頻率曲線圖，如圖7、圖8所示，有助于把握現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工質(zhì)量情況。

5.3 可視化形象展示

用戶選擇大壩標(biāo)段即可生成灌漿孔形象示意圖，包括Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序孔、檢查孔、復(fù)灌孔等一系列灌漿信息分布圖(如圖9)；針對(duì)帷幕標(biāo)，可參照灌漿規(guī)范生成灌漿綜合剖面圖(如圖10)；同時(shí)，系統(tǒng)結(jié)合灌漿采集數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)文件，還可生成大壩施工進(jìn)度三維效果圖，如圖11所示。

???———第Ⅲ次序孔頻率曲線圖7 透水率頻率及累計(jì)頻率曲線Fig.7 Permeabilityfrequency andcumulative curve圖8 單耗頻率及累計(jì)頻率曲線Fig.8 Per unit cement frequency andcumulative curve

圖9 固結(jié)灌漿孔序分布信息圖Fig.9 Information of hole sequence distribution for consolidation grouting

圖10 帷幕廊道灌漿綜合剖面圖Fig.10 Profiles of curtain grouting

圖11 大壩澆筑三維面貌圖Fig.11 Three-dimensional display of dam pouring

6 結(jié) 語

溪洛渡灌漿管理信息系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)將灌漿基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、形象展示有機(jī)結(jié)合在一起，方便大壩建設(shè)各方對(duì)灌漿施工質(zhì)量和進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，在一定程度上節(jié)約了管理成本，提高了大壩工程的運(yùn)行管理水平，但系統(tǒng)在設(shè)計(jì)使用過程中仍然存在以下問題有待改進(jìn)：

(1) 由于施工現(xiàn)場(chǎng)地處峽谷山區(qū)，移動(dòng)信號(hào)基站搭建不夠完善，存在信號(hào)不穩(wěn)定情況，致使無線網(wǎng)絡(luò)傳輸偶爾存在不穩(wěn)定情況，有待于現(xiàn)場(chǎng)附近移動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定與加強(qiáng)。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)成果資料的統(tǒng)計(jì)分析建議加強(qiáng)監(jiān)理審核機(jī)制，以保證統(tǒng)計(jì)匯總資料的有效性和真實(shí)性。

(3) 由于本系統(tǒng)側(cè)重于灌漿數(shù)據(jù)的采集、匯總和處理，缺乏較為深入的工程資料分析，如何有效利用現(xiàn)有灌漿資料對(duì)工程實(shí)踐提出指導(dǎo)性的建議將是下一步研究的重點(diǎn)。

(4) 考慮到本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系，在Web網(wǎng)頁上承載三維可視化模型效果有待加強(qiáng)，建議對(duì)Web三維建模算法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

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