夹岩水利枢纽工程运行管理中主要结构物巡检系统的构建

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550081）

1 工程概述

夹岩水利枢纽工程（以下简称“夹岩工程”）属于Ⅰ等大（一）型工程，是一座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的综合性大型水利枢纽工程，主要由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程等组成［1］。工程于2013年10月正式动工建设，2017年9月顺利实现截流，目前整个工程依据初设报告已完成了大部分主体建筑的施工建设。工程建设完成后如何通过现代化管理手段确保工程安全以及高效稳定地运行是管理单位需要重点关注的问题。

巡视检查是保障水工建筑物安全运行的一种常用手段，可在宏观层面直观发现工程缺陷［2］，传统的方法为人工作业。然而受作业模式和工程环境的制约，这一方法存在工作效率低、主观性强和成果零散等不足［3］。基于此，本文结合夹岩工程巡检工作的实际需求，在人工巡检的基础上构建了包含智能安全帽、无人机和无人船等设备在内的主要结构物巡检系统和应用客户端，以期为工程安全运行提供智能化、高效化和安全化的巡检作业方式。

2 主要结构物巡检系统构建

2.1 巡检系统需求分析

根据工程运行管理需要，主要结构物巡检系统需要具备以下基本功能：

（1）规范统一、标准的巡检方案，包括结构物、设备、设施的检查内容，检查方法，正常参考标准，重点检查项目，检查频次等。

（2）定人员、定时间、定任务、定标准的周期巡检计划。

（3）巡检信息的手动输入或选择（设备运行状态、参数、周围环境变化等）；发现缺陷和隐患可采用图像、视频、文字等方式采集并上传信息。

（4）对巡检信息的汇总处理，可自动统计、分析、生成各种巡检报告。

（5）巡检过程中发现的隐患进入缺陷管理流程进行处理，实现隐患的闭环管理。

（6）对巡检人员的工作进行量化考核，全部由系统自动统计、分析、生成各种考核报表。

（7）可在应用平台上直观查看巡检点完成情况、漏巡点位置等，并自动记录巡检轨迹，可实时抽查监督巡检人员的工作位置，对历史巡检轨迹进行动态回放，方便管理者随时调阅查证。

（8）可为巡检人员制定巡检计划、巡检路径规划等。

2.2 巡检系统构建思路

（1）为保障巡检人员的人身安全，同时能让前端现场巡检更加智能化，让后端管理监控更加高效，给巡检人员配备智能安全帽、智能手持移动终端等智能辅助设备；在重点巡检区域、巡检点安装巡检射频标识，在各主要设备、主要区域安装二维码，用于同手持终端APP的交互通讯。

（2）在传统的水库周边环境、渠道的动态监测中，巡检人员需携带相机在大坝围栏上对水库周边环境拍照取证来获得水库的工程安全情况，针对山区渠道一般采用徒步的方式对上下游渠道工程情况进行巡检。在巡检过程中，若遇到大面积渠道水质污染或工程损坏时，无法宏观精确地得出巡检结果，同时会因为作业面积广阔，人工巡检调查缓慢，进而扩大工程安全隐患的影响。针对这一问题，系统设计配备巡检无人机和巡检无人船，用于水库边缘区及部分偏僻渠道环境比较恶劣地段的巡检。

（3）为实现数据整合共享，分析挖掘巡检过程中出现的问题，需要研发巡检系统应用客户端，实现安全生产管理决策辅助功能。

2.3 巡检系统硬件组成

2.3.1 智能安全帽

智能安全帽集定位、感知、预警和音视频交互为一体，通过后台的综合业务平台，实现前端现场巡检和后端管理的实时连动、信息的同步传输与存储以及数据的采集与分析。

2.3.2 二维码与射频标签

二维码是用特定的在平面二维方向上分布的几何图形按一定规律图形作为数字对象唯一识别符的类似信息数据的钥匙［4］。射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其射频标签支持快速读写、定位、长期跟踪和移动识别的特性［5］。根据运行管理需要，在工程的重点巡检区域、巡检点安装巡检射频标识，在各主要设备、主要区域安装二维码，可以用于同手持终端APP的交互通讯。

2.2.3 智能手持移动终端

巡检人员通过智能手持移动终端上的软件应用平台，可在权限范围内开展巡检工作。手持终端软件应用平台包含巡检方案制定、巡检记录上传、巡检报告生成、巡检路径规划及巡检人员实时轨迹监控等功能。

2.2.4 无人机

在主要结构巡检系统中设置巡查无人机与巡检无人机，巡查无人机主要用于工程范围内定期影像、三维地形等数据获取，巡检无人机主要是采用图传系统辅助巡视检查。

（1）巡查无人机。在调度中心配备一台固定翼无人机，对库区、灌区及水库管理区等必要范围进行定期影像、三维地形等的数据获取，排查目标较为明显的污染源、违法乱建等情况，并可对数字模型进行定期更新。

（2）巡检无人机。主要用于解决特殊结构物（如大坝、溢洪道、取水口）、长距离输水管线、高大建筑物等交通条件差、人员可及范围以外等情况，常规巡检手段存在操作难度大、检查盲区、巡检成本高、效率低等问题。巡检无人机通过实时图传系统进行辅助巡检，将在很大程度上解决上述难题，同时亦可应用于突发情况下的现场勘查和应急指挥等。

2.2.5 无人船

按照工程实际需求，巡检无人船分为库区巡检无人船与灌区输水长隧洞无人船。配备了1套库区巡检无人船，主要应用于水源区，需要时也可应用于反调节水库、囤蓄水库及管线末端水库等的库区；配备了2套灌区输水长隧洞无人船，主要用于灌区输水长隧洞巡视检查。

（1）库区巡检无人船。该船体积较大，抗风浪能力强，续航能力强，可搭载高清视频监控系统、水下地形测量设备、三维激光扫描仪等设备进行智能化巡检，主要用于库区水域及库岸边坡等区域的巡视，并通过4G/5G网络实现数据实时传输，其具体功能要求包括：①可实现人工手动遥控操作，半自主导航航行，全自主导航航行、避障，操作过程实时视频监控航行，后台控制中心远程操作，远程监控等。②人工手动操作，通过遥控器在2 km距离范围内进行船的航行和任务操作，主要用于现场快速执行任务及复杂水域、近岸航行和任务系统的执行操作。③自主导航航行，通过后台基站软件发送航行任务，无人船利用GNSS定位系统进行自主航行，操作人员随时介入进行任务系统的执行及关键信息的处理。④自主导航、自主避障航行，无人船利用GNSS定位系统，接收基站发送的航行信息和任务信息，全自主地完成航行、执行任务。具备通信中断自主回航、自动规避障碍物功能。通过视频监控可实现工作现场视频信息回传。⑤4G/5G远程操作，无人船船体具备4G/5G数据传输功能，可接入后台监测系统。通过控制中心的统一部署，可远程操作现场无人船半自主工作，可发送航行/任务信息实现远程自主航行。无人船可实时向后台发送航行状态信息、任务系统执行状态和任务结果。支持多无人船的同时工作和同时回传。

（2）灌区输水长隧洞巡检无人船。因灌区隧洞空间相对狭窄，船体相对较小，为了满足长隧洞巡检要求，应具备续航能力强，输水长隧洞内定位及自主导航功能，可搭载高清视频监控系统。具体功能要求包括：①在有网络通讯情况下，可实现与库区巡检无人船相同的人工手动遥控操作，人工手动操作，自主导航航行、自主导航、自主避障航行等功能。②在输水隧洞内部，结合陀螺仪、惯导、里程计等设备，在无GPS信号与通讯网络情况下，可根据预设路线自主航行，并进行概略定位，定位精度不低于5 m。③配合照明设备，无人船搭载的高清视频监控系统可对输水隧洞内部情况进行视频监控，因无通讯网络无法实现实时视频传输，暂时将视频监控成果储存在设备中，待驶离隧洞并能接收到网络信号后再将视频数据传输至服务器。

2.4 巡检系统应用平台功能设计

主要结构物巡检系统基于WebGIS平台，用以实现夹岩工程主要结构物的巡视检查管理工作，提供巡检方案的制定，现场巡检数据及影像资料、维护保养实时记录上传及报告生成，巡检路线轨迹实时监控等功能。

2.4.1 巡检方案制定

系统需结合水库巡检的实际需要，按照巡检类型（日常巡检、汛期巡检、讯后巡检、特别巡视等）制定巡检方案，包括巡检的区域、路线及重点安全隐患等。

2.4.2 巡检数据上传及分析

系统具有巡检数据上传分析功能，包括智能安全帽、智能手持终端、无人机及无人船采集的巡检数据、记录和影像资料。系统内置多种模板，具备巡检报告、报表自动生成及打印输出等功能。

2.4.3 巡检问题上报及推送

在巡查过程中发现问题或安全隐患需要整改处理时，在系统中以视频、图片、文字等方式推送给指定的相关责任人并要求其在指定的时间内处理问题。

2.4.4 巡检路线轨迹实时监控

系统可对巡视检查人员及设备进行实时地图定位监控，能够按时间序列在地图上生成巡检轨迹，并能实时将问题发生位置在地图上标记出来。

2.4.5 巡检数据可视化查询

系统可根据防洪安全隐患、结构安全隐患、渗流安全隐患等各类型隐患，有针对性地查询各种信息，如隐患、图片、视频、对策建议、相关案例等，便于管理人员对隐患部位进行实时跟踪，掌握工程运行状态。

系统可查找任意时间的巡检记录，包括巡检视频、巡检人员、巡检轨迹、问题区域及维护保养记录等。

2.4.6 巡检数据管理

系统具有巡检数据管理功能，包括隐患部位管理、维护保养记录管理、巡检设备档案管理及巡检人员管理等。

2.4.7 系统用户角色管理

根据不同的用户和角色进行权限划分。

3 结语

夹岩工程涉及点多面广，巡视检查工作任务繁重且传统巡查方式效率低下。随着移动通讯、空间定位技术的发展以及测量手段的不断创新，结合智能安全帽、无人机和无人船等设备进行结构物巡检，符合工程实际需求，在此基础上构建巡检应用平台，实现全部数据的汇集和深度分析，不仅能够提高现场作业效率，还能辅助安全生产管理决策，提高工程运行管理水平。