大型鋼結(jié)構(gòu)閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用

程新闖，王 挺

（1.紹興市曹娥江大閘運行管理中心，浙江 紹興 312099；2.杭州宏安四維科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

在閘門安裝陽極塊是當(dāng)前閘門防腐的有效方法，但是陽極塊在持續(xù)失去電子的情況下不斷消耗，需要及時更換。為防止由于陽極塊主體消耗完全而導(dǎo)致閘門暴露在無保護(hù)的狀態(tài)、整修投入增加，需要定期檢查擋潮閘工作閘門的陽極塊并測量保護(hù)電位，以確定陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運行[1]。由于陰極保護(hù)電位測試盒一般安裝在活塞桿基座上，測量時需攀爬護(hù)攔或胸墻，存在一定的安全隱患，另外，由于潮位變化無法及時測量。故提出建立閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)，對陰極保護(hù)電位進(jìn)行實時、不間斷地監(jiān)測，從而完成數(shù)據(jù)采集并遠(yuǎn)程傳送到中央控制室，實現(xiàn)數(shù)據(jù)積累，及時發(fā)現(xiàn)異常情況、發(fā)布預(yù)警，并可以通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。

2 工程特點和需求分析

曹娥江大閘擋潮工作閘門是我國水利工程的標(biāo)志性閘門，28扇閘門已運行10 a以上。由于曹娥江大閘位于錢塘江與曹娥江交匯處，該處為淡咸水交界，且每日有2次漲潮過程，錢塘江強(qiáng)涌潮攜帶的大量泥沙易對涂層造成沖刷破壞。閘門長期浸泡在水下，啟閉時頻繁經(jīng)歷干濕交替、受高速水流沖刷，水線部分受到水、日光及水中生物的作用，鋼材很容易腐蝕，特別是咸水的電解質(zhì)濃度高，對閘門的腐蝕性較強(qiáng)。2010年閘門局部點出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，2011年銹蝕進(jìn)一步加劇。

為確保閘門的工作壽命，增加陰極保護(hù)，將38支WHCB-22型鎂陽極和8支WHCB-8型鎂陽極，均勻布置于閘門的支撐板或支撐管。與此同時，閘門保護(hù)電位的監(jiān)測需求產(chǎn)生。由于鎂陽極數(shù)目較多，所以對陽極塊的監(jiān)測、預(yù)警以及數(shù)據(jù)分析歸檔的智慧化要求較高。因此，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專用測試樁配合智能采集儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化，構(gòu)建集監(jiān)測、分析、預(yù)警、資料歸檔為一體的可視化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以實時監(jiān)測、綜合地圖、過程分析、視頻監(jiān)控、資料歸檔為主要功能，實現(xiàn)對閘門保護(hù)電位全天候、全方位監(jiān)測預(yù)警。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM（三維可視化場景展示技術(shù)）

BIM技術(shù)的核心是通過建立虛擬工程三維模型，并為虛擬模型加載與實際情況一致的信息庫。該信息庫不僅包含工程的幾何信息、專業(yè)屬性，還包含非工程部位的狀態(tài)信息，且呈現(xiàn)動態(tài)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)信息交換和共享[2]，這完全滿足了閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)智能采集和可視化監(jiān)控的建設(shè)需求。具體采用WebGL作為搭建、加載三維模型的主要框架，并利用three.js對3D對象進(jìn)行封裝、開發(fā)、渲染等，將閘門運行狀態(tài)、保護(hù)電位、腐蝕情況的數(shù)據(jù)都集合至大閘工程的三維模型。搭建閘門的三維立體監(jiān)控場景，提高大閘工程的信息集成化程度，并通過幾何數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實現(xiàn)大閘BIM模型的輕量化，使整個大閘工程模型在三維漫游過程中迅速且流暢地加載（見圖1）。

圖1 閘門可視化健康場景建設(shè)方案圖

3.2 智能采集

智能采集技術(shù)解決了原位測試數(shù)據(jù)的采集和處理需求，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集儀器構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理流程一般包括濾波、采樣、存儲和處理4個環(huán)節(jié)[3]。1個模擬信號首先經(jīng)過預(yù)采樣濾波器對信號進(jìn)行調(diào)理，然后采樣器在每一個采樣時刻讀出1個數(shù)據(jù)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC量化為二進(jìn)制數(shù)碼，數(shù)據(jù)最后保存到存儲器用于數(shù)字信號處理。智能采集系統(tǒng)有觸發(fā)監(jiān)測功能，可進(jìn)行交、直流干擾監(jiān)測，電位超過正常運行范圍會自動觸發(fā)密集采集模式。

硬件部分主要借助智能采集儀。采集儀通過設(shè)定的時間，定時采集閘門上的電位數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，采集閘門電位的同時能夠濾除干擾電壓，得到正確電位。在監(jiān)控中心服務(wù)器安裝配套的監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解密并存儲，從而完成數(shù)據(jù)采集。在閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)中，由專用測試樁配合智能采集儀對閘門的保護(hù)電位（純極化電位）進(jìn)行實時采集、存儲，通過無線技術(shù)傳送至閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控中心，完成數(shù)據(jù)分析，形成閘門預(yù)警。

3.3 數(shù)據(jù)模型

依據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，得到閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的3個基本參數(shù)：電流效率、最小保護(hù)電位和最大保護(hù)電位。

系統(tǒng)采取以下方式計算犧牲陽極試樣的電流效率：

式中：η為犧牲陽極的電流效率，%；Q0為犧牲陽極的理論電容量，A·m/kg；Q為陽極的實際電容量，A·m/kg。

式中：A、B、C為合金成分的百分比，%；X、Y、Z為合金成分的理論電容量，A·m/kg；

實踐中，鋼鐵的保護(hù)電位通常取-0.85 V（CSE，飽和銅/硫酸銅參比電極）。也就是說，金屬處于低于-0.85 V（CSE）的電位時受到保護(hù)。但是也并不意味著電位越低，保護(hù)環(huán)境越穩(wěn)定，低于-1.20 V（CSE）時會出現(xiàn)陰極剝離。

模型采用曹娥江大閘受沖刷較為嚴(yán)重的12#、13#、14#閘門在電流效率穩(wěn)定的情況下，連續(xù)1 a的保護(hù)電位監(jiān)測數(shù)據(jù)。閘門年度監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線見圖2。

圖2 閘門年度監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線圖

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，閘門的保護(hù)電位在一段時間內(nèi)會出現(xiàn)小幅度波動，一般不會超出-1.10～-0.95 V（CSE）。一旦超出則無法恢復(fù)，即意味著陽極塊需要更換，系統(tǒng)將發(fā)出不同程度的預(yù)警。

3.4 算 法

水利智能算法基于人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠識別復(fù)雜場景下的圖像信息，結(jié)合水利對象視圖庫內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，生成多種水利專用圖像分析算法，滿足對多樣且復(fù)雜的水利場景視頻進(jìn)行智能分析的需求，有利于水利工程管理的運行調(diào)度與輔助決策[4]。閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)充分考慮閘門陰極保護(hù)的特點，利用各類分析手段與算法，結(jié)合閘門運行情況，融合現(xiàn)有專業(yè)知識，建立適應(yīng)于保護(hù)電位監(jiān)測的數(shù)據(jù)模型。研究集實時監(jiān)測、趨勢預(yù)測、報警預(yù)警、過程分析為一體的腐蝕度預(yù)警智能化系統(tǒng)，有效延長閘門運行周期，使陰極保護(hù)效果最大化。

根據(jù)陽極塊保護(hù)電位存在有效區(qū)間的特性，采取MATLAB二維邊界單元法，按照基本參數(shù)的區(qū)間進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警計算中使用 VARA 函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過處理的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)入預(yù)警模型。

4 預(yù)警系統(tǒng)

4.1 總體架構(gòu)

閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)以“監(jiān)測—分析—預(yù)警—應(yīng)用”為主線，由硬件設(shè)施、軟件平臺和手機(jī)APP三部分組成。其中硬件設(shè)施包括電位采集儀器、視頻攝像頭、恒電位儀、傳感器、信息采集模塊等。軟件平臺主要包括一張圖、三維展示、預(yù)警預(yù)測、數(shù)據(jù)分析、報表統(tǒng)計、遠(yuǎn)程控制、運維管理、信息管理等功能模塊（見圖3）。閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)APP是對軟件系統(tǒng)的輕量、簡化，可滿足移動辦公的需求。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

在大閘工程中，電位采集儀可實時采集閘門的輸出電壓、電流和保護(hù)電位、斷電電位等數(shù)據(jù)，通過無線通信技術(shù)上傳到中控室服務(wù)器端，解析并傳輸至軟件系統(tǒng)各大模塊，通過圖表或者模型的形式展現(xiàn)。管理人員可以通過Web網(wǎng)絡(luò)或者APP進(jìn)行查看和操作。

4.2 系統(tǒng)分項設(shè)計

閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)主要由實時監(jiān)測、綜合地圖、過程分析、視頻監(jiān)控及資料歸檔5個子模塊組成，并且研發(fā)配套的移動APP，使監(jiān)測工作更為便捷。

4.2.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測模塊按照系統(tǒng)建設(shè)需求，界面最上層分布有閘門預(yù)警、閘門開閉基本情況、電極異常情況、未讀公告數(shù)等數(shù)據(jù)，點擊相應(yīng)模塊可查看及操作。界面下層構(gòu)建實時監(jiān)測“一張圖”，展示每個閘門實時的陰極保護(hù)情況，通過提示框里的數(shù)據(jù)以及顏色可以直觀查看保護(hù)電位是否超出正常范圍。

其中，電極異常數(shù)量模塊以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行物理量換算，通過對數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行分析和加工清洗，及時生成腐蝕度監(jiān)測預(yù)警，針對可能發(fā)生的腐蝕危險，啟動預(yù)警發(fā)布。預(yù)警發(fā)布有兩種形式：其一，系統(tǒng)在工作人員登錄后彈出預(yù)警提示，并發(fā)出滴滴滴的提示音，督促工作人員查看處理。其二，系統(tǒng)通過短信形式通知管理員，形成高效的預(yù)警發(fā)布機(jī)制。工作人員通過點擊預(yù)警提示框可查詢預(yù)警具體信息，包括閘門編號、保護(hù)電位數(shù)值、原因分析，并同步將處理情況上傳至后臺，為檔案管理模塊數(shù)據(jù)收集服務(wù)。

4.2.2 綜合地圖

系統(tǒng)的綜合地圖模塊運用GIS和BIM技術(shù)對大閘整個工程實景建模，實現(xiàn)可視化監(jiān)測功能。考慮到大閘閘門整體規(guī)模比較大，閘門數(shù)量較多，系統(tǒng)創(chuàng)建了三維漫游方式，用戶可滑動鼠標(biāo)查看每個閘門的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用綠、黃、紅3種顏色進(jìn)行閘門健康與否的區(qū)分。如閘門顯示為綠色，則表示閘門保護(hù)電位正常，陰極保護(hù)有效；閘門顯示為黃色，則表示保護(hù)電位出現(xiàn)異常，損耗不均勻，應(yīng)結(jié)合參比電極測出的保護(hù)電流進(jìn)行分析，適當(dāng)調(diào)整犧牲陽極的大小或位置；閘門顯示紅色則表示陽極塊需要更換，閘門存在被腐蝕的危險。在三維場景中，每個閘門都顯示實時電極數(shù)據(jù)，方便直觀查看。由于每個閘門的位置、更換難易程度等特征不同，系統(tǒng)將相應(yīng)調(diào)整閘門顏色顯示的參數(shù)。

4.2.3 過程分析

過程分析模塊主要對每個閘門的保護(hù)電位按照時間線進(jìn)行統(tǒng)計分析。系統(tǒng)主要包含兩種分析圖表：第一，按照歷年情況進(jìn)行縱向分析，查看閘門腐蝕程度的年度變化情況，為后面閘門陽極塊更換或者維修等提取客觀變化規(guī)律；第二，針對每個閘門的橫向分析，找出閘門腐蝕和位置之間的關(guān)系，對易腐蝕和腐蝕風(fēng)險低的閘門進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測，為工作人員提供監(jiān)測重點。

4.2.4 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)視前端（視頻監(jiān)控點）、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心3部分組成。平臺接入保護(hù)電位監(jiān)測的視頻監(jiān)控點，視頻監(jiān)視系統(tǒng)以插件的形式集成，工作人員可在系統(tǒng)平臺通過網(wǎng)頁或者手機(jī)端實時掌握所有閘門以及智能采集器的運行情況。工作人員可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)整攝像頭角度，實現(xiàn)對儀器更換、陽極塊更換、閘門安全情況等進(jìn)行實時有效的監(jiān)督。另外，視頻監(jiān)控會按照設(shè)定的頻率抓拍，并將照片上傳至管理平臺存檔。

4.2.5 資料歸檔

資料歸檔模塊對系統(tǒng)采集的相關(guān)信息予以歸檔整理，最終以圖表的形式輸出，使閘門管理、陽極塊更換、隱患排除等有數(shù)據(jù)可查。具體包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、過程分析圖表、監(jiān)控圖片、參數(shù)設(shè)置、維修情況、負(fù)責(zé)人員信息等。一方面改變了傳統(tǒng)抄錄的復(fù)雜工序，轉(zhuǎn)換為智能無紙化辦公；另一方面為陽極塊更換以及之后的閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。

4.2.6 腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)APP

陰極保護(hù)中陽極塊的消耗是一個較為緩慢的過程，需要予以關(guān)注的時間相對較少。針對這一特性，在構(gòu)建閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)平臺的同時，開發(fā)閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)移動APP（見圖4）。閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)移動APP與Web端頁面模塊相同，并且與系統(tǒng)平臺用戶數(shù)據(jù)互通，根據(jù)用戶注冊信息，及時發(fā)送預(yù)警短信，使閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)輕量化、可移動。

圖4 APP首頁圖

5 結(jié) 語

閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)是在陰極保護(hù)方法廣泛應(yīng)用的背景下，迎合當(dāng)前水利工程防腐蝕監(jiān)管智慧化升級的需求，通過無線傳輸將智能采集和預(yù)警系統(tǒng)平臺相連接，實現(xiàn)陰極保護(hù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與預(yù)警。閘門腐蝕度預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用可解決人工測量誤差大、監(jiān)測任務(wù)重、成本高等傳統(tǒng)問題，實時準(zhǔn)確掌握鋼結(jié)構(gòu)閘門的陰極保護(hù)狀況，做到提前預(yù)警、及時維護(hù)，保障閘門本體的健康。

鑒于曹娥江大閘閘門已安裝大量鎂陽極和陰極保護(hù)電位智能測試樁，閘門腐蝕度監(jiān)測系統(tǒng)將在曹娥江大閘投入試用，對其28個重要閘門進(jìn)行腐蝕度監(jiān)測。對于如何遠(yuǎn)程控制監(jiān)測設(shè)備升級、精準(zhǔn)識別閘門腐蝕度以及增強(qiáng)傳輸信號等問題將在實踐中進(jìn)一步研究和優(yōu)化。