國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司 江 帆 北京易用視點(diǎn)科技有限公司 劉生智 魏生平 孫 健 趙 城 彭 海 劉立聶
為實(shí)現(xiàn)大壩填筑碾壓施工過程的精細(xì)化管理,保證大壩施工質(zhì)量,提高工程建設(shè)管理水平,通過建設(shè)一套綜合運(yùn)用工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、北斗/GPS定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云技術(shù)等多方面技術(shù)的“大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)”。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工管理體系,通過大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)壩體填筑施工過程中“采、運(yùn)、卸、平、壓”等工序的安全控制、質(zhì)量控制、進(jìn)度控制,實(shí)時(shí)監(jiān)控上壩料運(yùn)料車輛的裝卸料點(diǎn)、運(yùn)輸線路、運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡、加水情況,碾壓機(jī)械的碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、攤鋪厚度、壓實(shí)厚度、振動(dòng)狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo),建立質(zhì)量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制及預(yù)警機(jī)制,使大壩填筑施工過程始終處于系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài),實(shí)現(xiàn)施工在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制[1],實(shí)現(xiàn)對(duì)面板堆石壩填筑施工進(jìn)行遠(yuǎn)程、移動(dòng)、高效、及時(shí)、便捷的管理與控制,實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工,有效控制工程建設(shè)過程,提高管理水平與效率,同時(shí)為大壩運(yùn)行的安全與可靠提供重要的技術(shù)保證和數(shù)據(jù)支持。
研究深度應(yīng)用工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)據(jù)傳感技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng))、北斗/GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、手持式數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等多方面技術(shù),開發(fā)大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)。大壩填筑碾壓質(zhì)量控制是填筑碾壓施工質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到大壩的安全和質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)大壩填筑碾壓施工過程的精細(xì)化管理,保證大壩施工質(zhì)量,提高工程建設(shè)管理水平,同時(shí)為大壩運(yùn)行的安全與可靠提供重要的技術(shù)保證和數(shù)據(jù)支持,進(jìn)一步完善水利建設(shè)工程信息化模塊。而“大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)”就是專業(yè)為大壩填筑施工過程質(zhì)量控制服務(wù)的,系統(tǒng)主要采用工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)據(jù)傳感技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng))、北斗/GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、GIS技術(shù)、手持式數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)面碾壓設(shè)備的碾壓軌跡、遍數(shù)、速度、激振力和碾壓高程等相關(guān)質(zhì)量要點(diǎn)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。
系統(tǒng)主要包含總控中心、現(xiàn)場(chǎng)分控站、碾壓移動(dòng)站、北斗/GPS差分基準(zhǔn)站四個(gè)部分。
碾壓移動(dòng)站采集各種相關(guān)數(shù)據(jù)、北斗/GPS差分基準(zhǔn)站輔助碾壓移動(dòng)站進(jìn)行位置糾偏,同時(shí)碾壓移動(dòng)站通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)回傳到總控中心進(jìn)行分析處理,現(xiàn)場(chǎng)分控站保證與總控中心實(shí)時(shí)的通訊,實(shí)時(shí)從總控中心接收施工相關(guān)分析數(shù)據(jù)和下發(fā)的施工指示,反饋指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,為大壩填筑碾壓全過程實(shí)現(xiàn)智能化管控平臺(tái)。
在系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施過程中,將遵循以下幾個(gè)原則。
遵從性原則:系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)遵從國(guó)家電網(wǎng)公司信息化SG-EA(國(guó)家電網(wǎng)公司信息化架構(gòu)框架)架構(gòu)設(shè)計(jì),在其整體技術(shù)路線及技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合科技管理業(yè)務(wù)需求進(jìn)行細(xì)化和擴(kuò)充。
規(guī)范性原則:按照新源公司信息化建設(shè)整體規(guī)劃,在能力視圖、功能視圖、數(shù)據(jù)視圖、組件視圖、集成視圖、部署視圖、安全視圖等各方面嚴(yán)格按照國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。
易用性:將大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)功能向參建單位延伸,以便于參建各方能將建設(shè)期的各種管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)便捷及時(shí)的接入系統(tǒng),為保障系統(tǒng)順利應(yīng)用,在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)充分保障功能操作的簡(jiǎn)便和可用性。
安全性:系統(tǒng)總體技術(shù)路線和信息安全防護(hù)符合信息化“SG-ERP”和智能電網(wǎng)信息安全防護(hù)相關(guān)技術(shù)要求。
全面實(shí)現(xiàn)碾壓施工過程關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)化采集與分析計(jì)算,保證施工數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性與真實(shí)性;建立現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理循環(huán),及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中不達(dá)標(biāo)之處,促進(jìn)快速調(diào)整與改進(jìn);屏蔽人為因素、天氣因素的干擾,夜間施工、不利天氣情況下的施工同樣可以保證施工質(zhì)量;所有施工過程的關(guān)鍵記錄全部通過系統(tǒng)完成,節(jié)約竣工資料整理工作量,提供數(shù)據(jù)的快速查閱功能,保證施工過程的可回溯性;支持權(quán)限范圍內(nèi),數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享與分發(fā),幫助工程參加各方快速獲取需要的資料,支持異地辦公與遠(yuǎn)程辦公的需要;通過有效的過程質(zhì)量控制,保證結(jié)構(gòu)物的整體施工質(zhì)量,保證結(jié)構(gòu)物的安全性與耐久性。
大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì),架構(gòu)柔性的技術(shù)平臺(tái),以便應(yīng)對(duì)未來可能的多變的業(yè)務(wù)需求和功能需求。整個(gè)架構(gòu)分為基礎(chǔ)支持運(yùn)行環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、邏輯控制層、界面控制層、客戶層五部分組成。
基礎(chǔ)支持運(yùn)行環(huán)境層是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的硬件和軟件。數(shù)據(jù)層是內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集合,為本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。邏輯控制層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)日常操作的算法和應(yīng)用邏輯。界面控制層是用戶直接面對(duì)的可視化操作界面,是系統(tǒng)執(zhí)行各種操作的來源和依據(jù)。客戶層是承載用戶界面、部分軟件和硬件的基礎(chǔ)。
大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)包含:北斗基準(zhǔn)站、北斗高精度移動(dòng)站、加速度傳感與采集器、工業(yè)平板、無線網(wǎng)絡(luò)等組成,軟件系統(tǒng)包含:監(jiān)控(中心)服務(wù)、車載終端系統(tǒng)、監(jiān)控工作站以及碾壓監(jiān)控系統(tǒng)等。
北斗基準(zhǔn)站安裝在大壩施工現(xiàn)場(chǎng),要求附近開闊無電磁干擾,具有良好衛(wèi)星觀察條件和無線電傳送條件,主要由北斗主機(jī)、北斗雙頻接收天線、無線電臺(tái)以及天線組成。采用差分北斗技術(shù),將北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給移動(dòng)碾壓采集單元,對(duì)移動(dòng)碾壓?jiǎn)卧杉谋倍酚^察數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,將碾壓車空間位置信息的精確度提高到厘米級(jí),確保監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。
北斗高精度移動(dòng)站安裝在大壩碾壓車上,主要由北斗主機(jī)、北斗雙頻接收天線、北斗差分接收天線、GNSS模塊兒以及工業(yè)平板計(jì)算機(jī)組成,移動(dòng)站主要通過實(shí)時(shí)采集碾壓車的位置、速度和時(shí)間等信息,負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)指導(dǎo)碾壓工作人員的操作現(xiàn)場(chǎng)操作,同時(shí)將實(shí)時(shí)碾壓信息發(fā)送回云中心保存,監(jiān)測(cè)人員通過PC、App、Pad等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)查看[2]。
軟件系統(tǒng)主要用于權(quán)限劃分、工藝管理、監(jiān)測(cè)層級(jí)及區(qū)域添加、開關(guān)倉(cāng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、壓實(shí)回放及質(zhì)量報(bào)告等功能,為現(xiàn)場(chǎng)碾壓工作區(qū)域質(zhì)量檢查提供依據(jù)。
整個(gè)大壩碾壓施工監(jiān)控平臺(tái)建構(gòu)的通信基礎(chǔ)是無線網(wǎng)絡(luò)?,F(xiàn)場(chǎng)碾壓施工通常是24h不間斷施工,施工碾壓信號(hào)的傳輸壓力較大(北斗的數(shù)據(jù)采集率為1s),為達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,應(yīng)用通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、智能性高、兼容性好的全頻段自由切換網(wǎng)絡(luò)。北斗高精度定位主機(jī)適用于TDLTE/FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的自由切換,適用于施工現(xiàn)場(chǎng)因不同網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此,TD-LTE/FDD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)通訊肯定能夠滿足碾壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和連續(xù)性要求。
北斗/GIS集成模式的選擇是構(gòu)建大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。對(duì)于大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng),車載端的北斗的硬件數(shù)據(jù)采集模塊,主要是對(duì)北斗接收機(jī)的控制和提取北斗數(shù)據(jù)等常用功能的串口操作函數(shù)以及應(yīng)用程序接口的API的函數(shù)形式提供給系統(tǒng)高級(jí)開發(fā)平臺(tái)來調(diào)用。綜合分析功能則利用GIS工具軟件生產(chǎn)廠家提供的GIS控件,直接將其嵌入系統(tǒng)高級(jí)平臺(tái)。常用的高級(jí)軟件開發(fā)工具,尤其是可視化開發(fā)工具對(duì)二者進(jìn)行集成,這種集成開發(fā)模式,既可以充分利用GIS工具軟件在空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理和強(qiáng)大的空間分析功能,又可以借助具有高效方便等編程優(yōu)點(diǎn)的可視化開發(fā)語(yǔ)言,有效地提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)頻率,所開發(fā)出來的應(yīng)用程序具有可靠性好易于移植及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
移動(dòng)碾壓采集單元主要是負(fù)責(zé)實(shí)施采集大壩碾壓全過程的位置信息,它的核心組成部分是北斗雙頻主板和工控電腦平板。北斗雙頻主板同外接電臺(tái)輸入端相連,用于接收接收北斗基準(zhǔn)站發(fā)送的載波相位差分信號(hào),實(shí)現(xiàn)電臺(tái)差分輸入,已達(dá)到厘米級(jí)(1-2cm)的位置精確定位,為碾壓位置的精準(zhǔn)度提供保證。車載工控平板支持android8.1系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)USB接口、docking充電底座擴(kuò)展、NFC(13.56M)、GPS導(dǎo)航、一維碼/二維碼掃描并滿足三防IP67防護(hù)等級(jí),滿足因大壩施工振幅大、天氣異常等不確定因素造成設(shè)備穩(wěn)定性,為碾壓車操作人員提供了清晰的碾壓完成情況展示及指引,避免了碾壓施工中的漏碾情況,為大壩碾壓質(zhì)量提供了保證。
傳統(tǒng)的電臺(tái)或者普通的GSM通訊方式在傳輸速率、誤碼率以及投入費(fèi)用等方面具有較強(qiáng)的局限性,TD-LTE/FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)適用于突發(fā)性、頻繁的、高速率的數(shù)據(jù)傳輸,并支持按數(shù)據(jù)流量來進(jìn)行計(jì)費(fèi)和并發(fā)語(yǔ)音通話,通過云服務(wù)器把數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)監(jiān)控端及數(shù)據(jù)庫(kù)中,進(jìn)而通過數(shù)字化碾壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量管理和數(shù)據(jù)分析。
傳統(tǒng)的碾壓監(jiān)控設(shè)備主機(jī)只作為定位及數(shù)據(jù)采集,需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到工業(yè)平板進(jìn)行計(jì)算后再發(fā)送至服務(wù)器,并且主機(jī)不支持本地儲(chǔ)存導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)丟失。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采用的北斗高精度定位主機(jī)可支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、計(jì)算、發(fā)送、接收及儲(chǔ)存,解決了因工業(yè)平板故障時(shí)數(shù)據(jù)無法計(jì)算及發(fā)送的問題,保證了數(shù)據(jù)的完整性。同時(shí)工業(yè)平板與高精度主機(jī)相互獨(dú)立,在保證網(wǎng)絡(luò)異常情況下的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的自動(dòng)上傳,為現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制提供保證。
系統(tǒng)架構(gòu)從邏輯上劃分為三層:表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層,其中數(shù)據(jù)層又包括數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)傳輸層。
第一層,表示層:包括客戶端(瀏覽器)、監(jiān)控終端(總控中心、現(xiàn)場(chǎng)分控站)、移動(dòng)終端、碾壓機(jī)上的監(jiān)控終端。為用戶提供交互式操作的可視化界面,實(shí)現(xiàn)多層次管理部門的功能操作。
第二層,業(yè)務(wù)邏輯層:業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)層接收來自表現(xiàn)層的功能請(qǐng)求,完成信息數(shù)據(jù)加工、處理、控制及發(fā)布,是系統(tǒng)的核心部分。由5大功能模塊有機(jī)構(gòu)成,建立起以中心數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),以碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控為核心的功能模塊體系。同時(shí)與其他系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口保持?jǐn)?shù)據(jù)交換與共享。
第三層,數(shù)據(jù)層:通過各種信息采集設(shè)備、信息傳輸設(shè)備完成信息的采集、傳輸及管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)獲取。
通過大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)大壩碾壓施工機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,包括運(yùn)行軌跡、速度、遍數(shù)、動(dòng)碾/靜碾狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù),系統(tǒng)支持全過程實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)碾壓設(shè)備數(shù)據(jù)且對(duì)歷史數(shù)據(jù)回放查看,通過在駕駛室安裝實(shí)時(shí)展示平板,指引司機(jī)規(guī)范碾壓,解決漏碾、超速等問題,提高工作效率和質(zhì)量。同時(shí)系統(tǒng)支持自動(dòng)生成單元成果分析報(bào)告,一方面可以輔助試驗(yàn)檢測(cè)人員針對(duì)薄弱區(qū)進(jìn)行抽樣檢測(cè),另一方面可以輔助質(zhì)量驗(yàn)評(píng)人員進(jìn)行單元質(zhì)量評(píng)定。針對(duì)施工中不同人員使用歸類如下。
碾壓車駕駛員:駕駛室安裝碾壓過程監(jiān)控終端,使駕駛員形象直觀的掌握自身駕駛作業(yè)情況,駕駛員可根據(jù)終端指示調(diào)整碾壓作業(yè),如未按設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)碾壓施工時(shí),觸發(fā)聲光報(bào)警器并發(fā)送報(bào)警信息至分控中心由監(jiān)理、施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員處理。
施工單位人員:施工現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)分控中心,質(zhì)檢人員通過系統(tǒng)創(chuàng)建施工單元監(jiān)測(cè)區(qū)域,經(jīng)與監(jiān)理確認(rèn)后開倉(cāng)進(jìn)行碾壓監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握施工單元碾壓進(jìn)度,最終以施工單元碾壓監(jiān)測(cè)報(bào)告為輔助依據(jù),協(xié)調(diào)監(jiān)理、實(shí)驗(yàn)室做單元驗(yàn)收。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員:在現(xiàn)場(chǎng)分控中心,旁站監(jiān)理人員在分控中心通過監(jiān)控大屏實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)施工情況,通過系統(tǒng)對(duì)旁站指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析,解決一人監(jiān)控多車并無需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)旁站工作,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)違規(guī)操作或出現(xiàn)報(bào)警時(shí),旁站人員可通過手機(jī)(平板)終端查看推送信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理,最終通過單元工程質(zhì)量報(bào)告直觀展示各項(xiàng)指標(biāo)情況。
業(yè)主單位人員:在業(yè)主營(yíng)地建設(shè)總控中心,業(yè)主相關(guān)人員可對(duì)上下庫(kù)大壩碾壓過程、進(jìn)度、報(bào)警及處理情況、施工單元質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析情況進(jìn)行查看。
針對(duì)抽水蓄能電站填筑壩碾壓監(jiān)控區(qū)域種類多的特點(diǎn),應(yīng)用大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)碾壓施工過程關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)化采集與分析計(jì)算,保證施工數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性與真實(shí)性,建立現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理的PDCA循環(huán),及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中不達(dá)標(biāo)之處,促進(jìn)快速調(diào)整與改進(jìn)。屏蔽人為因素、天氣因素的干擾,夜間施工、不利天氣情況下的施工同樣可以保證施工質(zhì)量,所有施工過程的關(guān)鍵記錄全部通過系統(tǒng)完成,節(jié)約竣工資料整理工作量,提供數(shù)據(jù)的快速查閱功能,保證施工過程的可回溯性,系統(tǒng)支持權(quán)限范圍內(nèi),數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享與分發(fā),幫助工程參加各方快速獲取需要的資料,支持異地辦公與遠(yuǎn)程辦公的需要,通過有效的過程質(zhì)量控制,保證大壩的整體施工質(zhì)量,以及大壩的安全性與耐久性。
通過大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)在抽水蓄能電站面板堆石壩填筑施工中的應(yīng)用,有效掌控了填筑施工進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩建設(shè)質(zhì)量的快速反應(yīng),有效提升電站工程建設(shè)管理水平,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的創(chuàng)新化管理,為打造優(yōu)質(zhì)精品工程提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障,同時(shí)提高了施工效率節(jié)約了面板堆石壩填筑工期,為早日發(fā)電緩解用電高峰電力緊張作出貢獻(xiàn),具有良好的社會(huì)效益[2]。
綜上,通過于大壩碾壓智能監(jiān)控系統(tǒng)可持續(xù)、動(dòng)態(tài)、高精度地追蹤測(cè)讀碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、遍數(shù)、速度、激振力和碾壓高程等數(shù)據(jù)信息,監(jiān)控機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài),能夠有效分析壓實(shí)合格率及壓實(shí)薄弱區(qū)域,并在大壩施工二維數(shù)字地圖上可視化顯示,二維數(shù)字地圖中會(huì)標(biāo)識(shí)出施工作業(yè)面中各部分碾壓遍數(shù)、欠碾漏碾?yún)^(qū)域、速度、激振力等關(guān)鍵指標(biāo)信息,為施工質(zhì)量的過程控制和驗(yàn)收評(píng)定提供依據(jù)[3]。