溪洛渡水电站灌浆网络管理信息系统建设及应用

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(长江科学院 仪器研究所，武汉 430010)

1 工程概况

溪洛渡水电站是国内第二大水电站，是一座以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游航运等综合效益的大型水电站。溪洛渡水电站枢纽由拦河坝、泄洪、引水、发电等建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610 m，最大坝高278 m，坝顶弧长698.07 m；左、右两岸布置地下厂房，各安装9台水轮发电机组，电站总装机1 386万kW，多年平均发电量571.2亿kW·h。溪洛渡水电站灌浆工程量大、工期长，如何科学有效地对现场灌浆质量和进度进行控制和管理将是本文研究的重点[1]。

2 原理分析

灌浆网络系统是建立在无线网络传感器、数据库系统、总体B/S架构体系、三维可视化技术的基础上开发的一套灌浆实时监控管理信息系统。

2.1 无线网络

灌浆工程属于隐蔽工程，灌浆数据存在人为干扰因素，质量和计量控制难度较大，因此有必要建设灌浆实时监控系统。为了满足施工现场数据采集的需要，本系统在灌浆施工无网络信号覆盖区布设无线传感器网络，该无线传感器网络是基于IEEE802.15.4协议的近距离(作用范围10～100 m)、低复杂度、自组织、低功耗(3 V电压可支持1个节点工作6～24个月)、低成本、高容量(最多可组成65 000个节点)的无线网络，能适应灌浆现场复杂多变的环境，提高信息传输的抗干扰能力，保证灌浆施工数据的正常采集[2]。

2.2 数据库系统

由于灌浆周期长，系统采集数据较多，而日常处理的数据量较大，则对系统的容错功能要求较高。为了保证系统的稳定和数据的安全，本文采用MS SQL Server2008作为数据库引擎，并配置磁盘阵列，保证业务数据处理的容错性和稳定冗余性[3]。

2.3 B/S体系架构

本系统采用的B/S架构的网络结构，用户无需安装任何软件即可通过浏览器访问该系统，方便快捷，系统开发采用模块化开发方法，管理、维护和升级方便，一定程度上减少了系统开发成本和维护成本，提高了开发效率[4]。

3 网络组建与数据整编

3.1 网络组建

系统以溪洛渡水电站右岸PGR5灌浆廊道为例，在该廊道组建无线网络，安装无线传感器网络等硬件设备，保证网络信号覆盖所有灌浆区域，施工人员根据施工部位的调整，可在无线网络信号覆盖范围内任意移动灌浆记录仪的同时保证灌浆数据的正常采集与传输。

分别在溪洛渡电站左右岸帷幕灌浆廊道、大坝坝面以及压力管道等工程部位进行无线网络布设，在各工程部位形成一个小型局域网络，通过无线传感器网络收集灌浆数据并转发将数据传输至Internet，进入灌浆数据库服务器，具体灌浆网络结构拓扑图如图1所示。

图1 溪洛渡水电站灌浆网络结构拓扑图Fig.1 Topological diagram of the network system for the grouting of Xiluodu hydropower station

图2 系统总体结构框架图Fig.2 General structure of the system

3.2 数据整编

由于仪器设备、网络异常、人员误操作等多种原因都可能导致原始采集的数据资料出现误差，在对资料进行统计分析之前应对其进行合理的整编处理，才能保证分析结论的可靠性。因此有必要对原始采集数据进行预处理。本文采用拉依特准则对粗大误差予以剔除[5]。

拉依特准则：大多数测量的随机误差服从正态分布，该随机误差的绝对值超过3σ的概率极小。因此，对大量的等精度测定值，判定其中是否含有粗大误差，可以采用拉依特准则，即实测值zi与回归值(平均值)的差即残差不能太大，应满足正态分布的“3σ”准则，即若残差满足式(1)，则判定为异常数据并剔除，但剔除的数据点数不应大于测点总数的1%～5%，否则应增加测点数并重新判断。

(1)

拉依特准则的应用与测点数n有关，当数据个数n≥10，采用式(1)；n<10时采用下式：

(2)

4 溪洛渡灌浆网络系统建设及应用

4.1 系统总体结构

系统基于.NET平台开发，结合ASP、NET技术,数据库系统技术,图形图像技术,多线程技术以及Direct3D三维可视化技术，采用分层架构形式，总体结构框架图如图2所示[6]。

系统总体分为数据管理子系统(采集、存储、输出)、查询与分析子系统和形象可视化子系统3大子系统[7]。

4.2 系统特点与功能

以往的单机版灌浆资料整理软件全凭手工录入或资料导入，数据滞后，不能实时监控现场施工状况，并且软件需要安装、配置、升级，操作较为麻烦。针对这一现状，本系统采用基于B/S结构的网络系统结构，人机界面友好，操作简便，用户无需安装任何软件即可通过浏览器访问该系统，进行灌浆施工的进度查询和质量管理。

系统集成了数据采集系统、数据处理系统、施工监控系统于一体，将三者有机结合在一起。结合现场无线传感器网络，封装底层采集数据，采集数据第一时间传输至本系统，实现灌浆过程的实时监控；同时数据经过预处理，得到与现场一致的灌浆成果资料；除此之外，系统在灌浆数据以及设计文件的支持下能实时生成各类统计分析图表、报表以及灌浆信息形象示意图，把握现场施工进度及质量。

在数据采集方面采用新型的无线传感器网络技术，特别是在信号盲区和网络死角进行组建网络，保证数据的自动采集与传输；突破了以往有资料手工录入、数据拷贝和数据有线采集的方式，同时无线局域网网络组建的灵活方便也大大降低了施工成本和提高了工作效率。

由于灌浆数据采集具有长期性，并且数据量多而杂，在数据存储和执行方面采用基于TCP/IP数据传输协议的多线程的C/S结构，同时对数据进行整编处理，剔除无效数据，保证数据的实时性和有效性。

本系统主要功能包括数据采集、数据处理、实时监控、网络状态、设备状态、记录查询、数据统计、成果报表、异常预警、形象展示、系统维护等，可对各标段灌浆施工进行实时数据采集和监控，监测灌浆参数变化情况，统计各类灌浆成果报表，生成现场施工进度图、灌浆孔形象示意图、预警异常参数和设备故障[8]。

图3 系统登陆功能模块页面Fig.3 Page of system login function

5 成果分析

5.1 实时监控

灌浆管理信息系统应用于溪洛渡水电站左、右灌浆排水廊道、压力管道以及大坝坝面等灌浆工程部位，系统从2011年11月开始试运行，系统经过多次维护与升级，至今运行情况稳定，效果良好。

业主、设计、监理、施工用户授权登陆溪洛渡灌浆管理信息系统，进行相应功能模块的操作。登陆成功即可显示该系统几大功能模块，用户点击菜单栏即可进入相应模块，如图3所示。

用户选取任意工程部位、任意孔号，即可生成该条件下正在施工的灌浆各类参数，包括流量、压力、密度与时间的关系曲线,如图4所示(图中流量差为进浆流量与回浆流量之差)，可实时把握各参数变化趋势以及异常情况，为现场施工情况判断提供参考依据。

图4 实时监控各参数变化趋势图Fig.4 Variation of real-time monitored flow, pressure,and density

5.2 统计分析

数据经过整编即可进行数据的统计和汇总。用户进入统计汇总页面，即可生成大坝标和帷幕标各工程部位的灌浆完成量(kg)或单耗(kg/m)的统计结果及三维柱状图，如图5、图6所示。

图5 截止当前各坝段灌灰量三维柱状图Fig.5 Three-dimensional histogram of current total cement of dam sections

图6 截止当前各坝段单耗三维柱状图Fig.6 Three-dimensional histogram of current cement per unit of dam sections

同时，用户选择具体工程部位以及孔序即可生成该条件下透水率频率及累计频率曲线图，如图7、图8所示，有助于把握现场灌浆施工质量情况。

5.3 可视化形象展示

用户选择大坝标段即可生成灌浆孔形象示意图，包括Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序孔、检查孔、复灌孔等一系列灌浆信息分布图(如图9)；针对帷幕标，可参照灌浆规范生成灌浆综合剖面图(如图10)；同时，系统结合灌浆采集数据和设计文件，还可生成大坝施工进度三维效果图，如图11所示。

∗∗∗———第Ⅲ次序孔频率曲线图7 透水率频率及累计频率曲线Fig.7 Permeabilityfrequency andcumulative curve图8 单耗频率及累计频率曲线Fig.8 Per unit cement frequency andcumulative curve

图9 固结灌浆孔序分布信息图Fig.9 Information of hole sequence distribution for consolidation grouting

图10 帷幕廊道灌浆综合剖面图Fig.10 Profiles of curtain grouting

图11 大坝浇筑三维面貌图Fig.11 Three-dimensional display of dam pouring

6 结 语

溪洛渡灌浆管理信息系统采用B/S结构，利用数据库技术、无线网络技术、图形图像技术将灌浆基础数据采集、数据实时监控、数据统计分析、形象展示有机结合在一起，方便大坝建设各方对灌浆施工质量和进度进行实时掌控，在一定程度上节约了管理成本，提高了大坝工程的运行管理水平，但系统在设计使用过程中仍然存在以下问题有待改进：

(1) 由于施工现场地处峡谷山区，移动信号基站搭建不够完善，存在信号不稳定情况，致使无线网络传输偶尔存在不稳定情况，有待于现场附近移动信号的稳定与加强。

(2) 现场成果资料的统计分析建议加强监理审核机制，以保证统计汇总资料的有效性和真实性。

(3) 由于本系统侧重于灌浆数据的采集、汇总和处理，缺乏较为深入的工程资料分析，如何有效利用现有灌浆资料对工程实践提出指导性的建议将是下一步研究的重点。

(4) 考虑到本系统采用B/S架构的网络体系，在Web网页上承载三维可视化模型效果有待加强，建议对Web三维建模算法进行优化与改进。

参考文献：

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