夾巖水利樞紐工程運(yùn)行管理中主要結(jié)構(gòu)物巡檢系統(tǒng)的構(gòu)建

（貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 工程概述

夾巖水利樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(kāi)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(dòng)工建設(shè)，2017年9月順利實(shí)現(xiàn)截流，目前整個(gè)工程依據(jù)初設(shè)報(bào)告已完成了大部分主體建筑的施工建設(shè)。工程建設(shè)完成后如何通過(guò)現(xiàn)代化管理手段確保工程安全以及高效穩(wěn)定地運(yùn)行是管理單位需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

巡視檢查是保障水工建筑物安全運(yùn)行的一種常用手段，可在宏觀(guān)層面直觀(guān)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(guān)性強(qiáng)和成果零散等不足［3］?；诖?，本文結(jié)合夾巖工程巡檢工作的實(shí)際需求，在人工巡檢的基礎(chǔ)上構(gòu)建了包含智能安全帽、無(wú)人機(jī)和無(wú)人船等設(shè)備在內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)物巡檢系統(tǒng)和應(yīng)用客戶(hù)端，以期為工程安全運(yùn)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(jié)構(gòu)物巡檢系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 巡檢系統(tǒng)需求分析

根據(jù)工程運(yùn)行管理需要，主要結(jié)構(gòu)物巡檢系統(tǒng)需要具備以下基本功能：

（1）規(guī)范統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的巡檢方案，包括結(jié)構(gòu)物、設(shè)備、設(shè)施的檢查內(nèi)容，檢查方法，正常參考標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，檢查頻次等。

（2）定人員、定時(shí)間、定任務(wù)、定標(biāo)準(zhǔn)的周期巡檢計(jì)劃。

（3）巡檢信息的手動(dòng)輸入或選擇（設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、周?chē)h(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(duì)巡檢信息的匯總處理，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析、生成各種巡檢報(bào)告。

（5）巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的隱患進(jìn)入缺陷管理流程進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)隱患的閉環(huán)管理。

（6）對(duì)巡檢人員的工作進(jìn)行量化考核，全部由系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析、生成各種考核報(bào)表。

（7）可在應(yīng)用平臺(tái)上直觀(guān)查看巡檢點(diǎn)完成情況、漏巡點(diǎn)位置等，并自動(dòng)記錄巡檢軌跡，可實(shí)時(shí)抽查監(jiān)督巡檢人員的工作位置，對(duì)歷史巡檢軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)回放，方便管理者隨時(shí)調(diào)閱查證。

（8）可為巡檢人員制定巡檢計(jì)劃、巡檢路徑規(guī)劃等。

2.2 巡檢系統(tǒng)構(gòu)建思路

（1）為保障巡檢人員的人身安全，同時(shí)能讓前端現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)終端等智能輔助設(shè)備；在重點(diǎn)巡檢區(qū)域、巡檢點(diǎn)安裝巡檢射頻標(biāo)識(shí)，在各主要設(shè)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(kù)周邊環(huán)境、渠道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，巡檢人員需攜帶相機(jī)在大壩圍欄上對(duì)水庫(kù)周邊環(huán)境拍照取證來(lái)獲得水庫(kù)的工程安全情況，針對(duì)山區(qū)渠道一般采用徒步的方式對(duì)上下游渠道工程情況進(jìn)行巡檢。在巡檢過(guò)程中，若遇到大面積渠道水質(zhì)污染或工程損壞時(shí)，無(wú)法宏觀(guān)精確地得出巡檢結(jié)果，同時(shí)會(huì)因?yàn)樽鳂I(yè)面積廣闊，人工巡檢調(diào)查緩慢，進(jìn)而擴(kuò)大工程安全隱患的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)配備巡檢無(wú)人機(jī)和巡檢無(wú)人船，用于水庫(kù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合共享，分析挖掘巡檢過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，需要研發(fā)巡檢系統(tǒng)應(yīng)用客戶(hù)端，實(shí)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(yù)警和音視頻交互為一體，通過(guò)后臺(tái)的綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)前端現(xiàn)場(chǎng)巡檢和后端管理的實(shí)時(shí)連動(dòng)、信息的同步傳輸與存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的采集與分析。

2.3.2 二維碼與射頻標(biāo)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(duì)象唯一識(shí)別符的類(lèi)似信息數(shù)據(jù)的鑰匙［4］。射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其射頻標(biāo)簽支持快速讀寫(xiě)、定位、長(zhǎng)期跟蹤和移動(dòng)識(shí)別的特性［5］。根據(jù)運(yùn)行管理需要，在工程的重點(diǎn)巡檢區(qū)域、巡檢點(diǎn)安裝巡檢射頻標(biāo)識(shí)，在各主要設(shè)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(dòng)終端

巡檢人員通過(guò)智能手持移動(dòng)終端上的軟件應(yīng)用平臺(tái)，可在權(quán)限范圍內(nèi)開(kāi)展巡檢工作。手持終端軟件應(yīng)用平臺(tái)包含巡檢方案制定、巡檢記錄上傳、巡檢報(bào)告生成、巡檢路徑規(guī)劃及巡檢人員實(shí)時(shí)軌跡監(jiān)控等功能。

2.2.4 無(wú)人機(jī)

在主要結(jié)構(gòu)巡檢系統(tǒng)中設(shè)置巡查無(wú)人機(jī)與巡檢無(wú)人機(jī)，巡查無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)主要是采用圖傳系統(tǒng)輔助巡視檢查。

（1）巡查無(wú)人機(jī)。在調(diào)度中心配備一臺(tái)固定翼無(wú)人機(jī)，對(duì)庫(kù)區(qū)、灌區(qū)及水庫(kù)管理區(qū)等必要范圍進(jìn)行定期影像、三維地形等的數(shù)據(jù)獲取，排查目標(biāo)較為明顯的污染源、違法亂建等情況，并可對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行定期更新。

（2）巡檢無(wú)人機(jī)。主要用于解決特殊結(jié)構(gòu)物（如大壩、溢洪道、取水口）、長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)、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(wèn)題。巡檢無(wú)人機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)進(jìn)行輔助巡檢，將在很大程度上解決上述難題，同時(shí)亦可應(yīng)用于突發(fā)情況下的現(xiàn)場(chǎng)勘查和應(yīng)急指揮等。

2.2.5 無(wú)人船

按照工程實(shí)際需求，巡檢無(wú)人船分為庫(kù)區(qū)巡檢無(wú)人船與灌區(qū)輸水長(zhǎng)隧洞無(wú)人船。配備了1套庫(kù)區(qū)巡檢無(wú)人船，主要應(yīng)用于水源區(qū)，需要時(shí)也可應(yīng)用于反調(diào)節(jié)水庫(kù)、囤蓄水庫(kù)及管線(xiàn)末端水庫(kù)等的庫(kù)區(qū)；配備了2套灌區(qū)輸水長(zhǎng)隧洞無(wú)人船，主要用于灌區(qū)輸水長(zhǎng)隧洞巡視檢查。

（1）庫(kù)區(qū)巡檢無(wú)人船。該船體積較大，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，續(xù)航能力強(qiáng)，可搭載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水下地形測(cè)量設(shè)備、三維激光掃描儀等設(shè)備進(jìn)行智能化巡檢，主要用于庫(kù)區(qū)水域及庫(kù)岸邊坡等區(qū)域的巡視，并通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，其具體功能要求包括：①可實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)遙控操作，半自主導(dǎo)航航行，全自主導(dǎo)航航行、避障，操作過(guò)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控航行，后臺(tái)控制中心遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)程監(jiān)控等。②人工手動(dòng)操作，通過(guò)遙控器在2 km距離范圍內(nèi)進(jìn)行船的航行和任務(wù)操作，主要用于現(xiàn)場(chǎng)快速執(zhí)行任務(wù)及復(fù)雜水域、近岸航行和任務(wù)系統(tǒng)的執(zhí)行操作。③自主導(dǎo)航航行，通過(guò)后臺(tái)基站軟件發(fā)送航行任務(wù)，無(wú)人船利用GNSS定位系統(tǒng)進(jìn)行自主航行，操作人員隨時(shí)介入進(jìn)行任務(wù)系統(tǒng)的執(zhí)行及關(guān)鍵信息的處理。④自主導(dǎo)航、自主避障航行，無(wú)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(wù)信息，全自主地完成航行、執(zhí)行任務(wù)。具備通信中斷自主回航、自動(dòng)規(guī)避障礙物功能。通過(guò)視頻監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)視頻信息回傳。⑤4G/5G遠(yuǎn)程操作，無(wú)人船船體具備4G/5G數(shù)據(jù)傳輸功能，可接入后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)控制中心的統(tǒng)一部署，可遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人船半自主工作，可發(fā)送航行/任務(wù)信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自主航行。無(wú)人船可實(shí)時(shí)向后臺(tái)發(fā)送航行狀態(tài)信息、任務(wù)系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)和任務(wù)結(jié)果。支持多無(wú)人船的同時(shí)工作和同時(shí)回傳。

（2）灌區(qū)輸水長(zhǎng)隧洞巡檢無(wú)人船。因灌區(qū)隧洞空間相對(duì)狹窄，船體相對(duì)較小，為了滿(mǎn)足長(zhǎng)隧洞巡檢要求，應(yīng)具備續(xù)航能力強(qiáng)，輸水長(zhǎng)隧洞內(nèi)定位及自主導(dǎo)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(luò)通訊情況下，可實(shí)現(xiàn)與庫(kù)區(qū)巡檢無(wú)人船相同的人工手動(dòng)遙控操作，人工手動(dòng)操作，自主導(dǎo)航航行、自主導(dǎo)航、自主避障航行等功能。②在輸水隧洞內(nèi)部，結(jié)合陀螺儀、慣導(dǎo)、里程計(jì)等設(shè)備，在無(wú)GPS信號(hào)與通訊網(wǎng)絡(luò)情況下，可根據(jù)預(yù)設(shè)路線(xiàn)自主航行，并進(jìn)行概略定位，定位精度不低于5 m。③配合照明設(shè)備，無(wú)人船搭載的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)輸水隧洞內(nèi)部情況進(jìn)行視頻監(jiān)控，因無(wú)通訊網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸，暫時(shí)將視頻監(jiān)控成果儲(chǔ)存在設(shè)備中，待駛離隧洞并能接收到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后再將視頻數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

2.4 巡檢系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

主要結(jié)構(gòu)物巡檢系統(tǒng)基于WebGIS平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)夾巖工程主要結(jié)構(gòu)物的巡視檢查管理工作，提供巡檢方案的制定，現(xiàn)場(chǎng)巡檢數(shù)據(jù)及影像資料、維護(hù)保養(yǎng)實(shí)時(shí)記錄上傳及報(bào)告生成，巡檢路線(xiàn)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

2.4.1 巡檢方案制定

系統(tǒng)需結(jié)合水庫(kù)巡檢的實(shí)際需要，按照巡檢類(lèi)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(xiàn)及重點(diǎn)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(wú)人機(jī)及無(wú)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(bào)告、報(bào)表自動(dòng)生成及打印輸出等功能。

2.4.3 巡檢問(wèn)題上報(bào)及推送

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

2.4.4 巡檢路線(xiàn)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控

系統(tǒng)可對(duì)巡視檢查人員及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)地圖定位監(jiān)控，能夠按時(shí)間序列在地圖上生成巡檢軌跡，并能實(shí)時(shí)將問(wèn)題發(fā)生位置在地圖上標(biāo)記出來(lái)。

2.4.5 巡檢數(shù)據(jù)可視化查詢(xún)

系統(tǒng)可根據(jù)防洪安全隱患、結(jié)構(gòu)安全隱患、滲流安全隱患等各類(lèi)型隱患，有針對(duì)性地查詢(xún)各種信息，如隱患、圖片、視頻、對(duì)策建議、相關(guān)案例等，便于管理人員對(duì)隱患部位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，掌握工程運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)可查找任意時(shí)間的巡檢記錄，包括巡檢視頻、巡檢人員、巡檢軌跡、問(wèn)題區(qū)域及維護(hù)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(hù)保養(yǎng)記錄管理、巡檢設(shè)備檔案管理及巡檢人員管理等。

2.4.7 系統(tǒng)用戶(hù)角色管理

根據(jù)不同的用戶(hù)和角色進(jìn)行權(quán)限劃分。

3 結(jié)語(yǔ)

夾巖工程涉及點(diǎn)多面廣，巡視檢查工作任務(wù)繁重且傳統(tǒng)巡查方式效率低下。隨著移動(dòng)通訊、空間定位技術(shù)的發(fā)展以及測(cè)量手段的不斷創(chuàng)新，結(jié)合智能安全帽、無(wú)人機(jī)和無(wú)人船等設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)物巡檢，符合工程實(shí)際需求，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建巡檢應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)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(chǎng)作業(yè)效率，還能輔助安全生產(chǎn)管理決策，提高工程運(yùn)行管理水平。