基于智能物联的数字化灌浆监测系统在河北丰宁抽水蓄能电站的应用

李 斌，陈玉荣，孟宪磊，詹程远，王 路，何 刚

（1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁县 068350；2.长江科学院，湖北省武汉市 430010）

0 引言

水泥灌浆是建筑物地基加固和防渗处理的重要手段，抽水蓄能电站为保证水库的防渗效果，减少水资源损失，提高水能利用率，灌浆施工尤为重要[1]。

对抽水蓄能电站灌浆施工管理而言，目前主要存在如下问题：

（1）灌浆施工作业面多且分散，难以及时掌握和控制所有作业点的灌浆过程和进度，无法集中统一管理，施工过程控制难度大。

（2）灌浆工程是隐蔽工程，其工程产品质量难以进行直观地检查[2]。传统灌浆管理模式为事后评价，即借助于分析检查孔资料、施工过程数据和局部影像资料来进行评价，施工过程中只能靠监理人员旁站，对过程数据进行跟踪，但难以实现数据的综合分析。

（3）误操作或违规操作对灌浆施工效果、工程量影响较大，典型的如硬件违规、软件违规、管路连接及现场操作违规，过程中无法通过灌浆数据进行鉴别。

（4）灌浆数据缺乏有效的分析手段，海量的现场原始数据未得到充分挖掘与应用。

基于以上因素，丰宁抽水蓄能电站采用多种手段，研发了基于智能物联的数字化灌浆监测系统，并在工程中得到广泛应用。

1 系统基本架构

数字化灌浆监测系统是数字化信号加密传输、无线物联网和灌浆数据智能分析三个方面的有机整合，具有现场数据收集，数据远程传输，数据融合分析一体化功能[3]。系统整体包括灌浆数据信息传输系统及灌浆数据采集与分析系统。

1.1 灌浆数据信息传输系统

灌浆数据信息传输系统按照施工监测对象的分层分布式监控系统进行设计，分层分布式系统是一种集散控制系统（DCS），整个系统可以分为现场控制级、过程管理级和经营管理级[4]，提供从灌浆记录仪原始数据采集到数据传输和信息化管理一体式解决方案[5]，其结构如图1所示。

现场管理级主要是现场的传感器，包括流量计、压力计、比重计、抬动仪，主要作用是检测灌浆施工参数；过程管理级主要是灌浆自动记录仪，主要是对过程参数进行记录；经营管理级主要指的灌浆信息系统，它将所有的灌浆资料进行收集，然后对灌浆工程量进行统计、分析、预警与决策。

图1 系统整体结构Figure 1 The overall structure of the system

1.2 灌浆数据采集与分析系统

灌浆数据采集与分析系统基于.NET技术，结合ASP.NET、关系数据库技术、图形图像技术、多线程技术以及Direct 3D三维可视化技术，同时考虑到系统的开放性和扩展性，系统采用分层架构的形式，总体结构框架见图2[6]。

图2 系统总体结构框架图Figure 2 The overall structure of the system

本系统集成数据采集系统、数据处理系统、施工监控系统于一体，并结合现场无线传感器网络，封装底层采集数据，将采集的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（如灌浆施工记录表、灌浆成果一览表）；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（如灌浆分序统计表、灌浆综合统计表、帷幕灌浆综合剖面图），把握现场施工进度及质量。

2 主要技术

2.1 数字化信号采集及传输

传统的灌浆记录仪信号采用模拟信号传输，易受干扰，从而导致灌浆数据可人工干预。考虑以上因素，应用数字化总线技术与数字化加密技术，由数字或编码信号的传输方式，对灌浆记录仪信号采集及传输模式进行改造。通过验证，数字化设备数据传输更稳定，能完全杜绝采用隐蔽的模拟设备干扰灌浆参数的现象，从而有效保障了基础过程数据的安全性。

2.2 灌浆监测网络信息系统开发

基于B/S架构，采用网络技术、数据库技术和可视化编程技术，建立灌浆数字化管理系统[7]，实现对现场灌浆施工的实时监控、数据整编、数据查询、统计分析、异常预警等功能，实现灌浆施工数据的集中整合管理与共享，实时把握现场施工进度，自动统计分析现场数据并为后续决策提供技术支持。

系统主要功能包括数据采集、数据预处理、实时监控、数据查询、统计分析、异常预警、施工报表、形象展示、运行维护等。系统可对现场各个部位的灌浆施工进行实时数据采集和监控，监测各灌浆参数变化情况，统计生成灌浆结果资料报表，实时生成现场施工进度图、灌浆信息形象展示图、预警异常参数和硬件故障。

2.3 自组网多种网络数据传输技术

考虑灌浆施工的分散性、流动性以及露天灌浆作业和洞室灌浆作业的特殊性，分别采用了短距离无线网络和移动通信网络相结合的传输技术，如图3所示。两种拓扑结构无线网络共同实现灌浆施工过程中的数据集中管理的目的，另一种为短距离自组网络技术，一种为移动通信网络技术（GPRS、EDGE、WCDMA、EVDO等）。

短距离无线网络将在局部的多台灌浆记录仪通过短距离无线网络组成局域网，局域网中的灌浆记录仪的灌浆数据和抬动数据传输到短距离无线网络协调器中，然后将数据传递到施工管理计算机中。该网络具有覆盖面积大、自组网络的优点，即局域网中的灌浆记录仪可以随时加入、退出网络。

图3 网络拓扑结构图Figure 3 Network topology structure diagram

移动通信网络将单个或者多个短距离无线网络中收集到的灌浆记录仪的数据，通过移动通信网络长距离发送到中心服务器中，经应用软件接收并解析各个短距离无线网络的数据后存储到数据库中，供业主和其他用户通过互联网访问数据页面来达到查询和统计灌浆数据的目的。

由于抽水蓄能电站灌浆部位分散且偏远、网络信号不稳定、短期施工密集、数据量大的特点，根据实际的情况，对网络传输协议进行了重构，增加了网络节点的数据容量，开发ZIGBEE无线网络协议，局域网信号通过无线多跳接力方式传输到施工洞室外(有手机信号覆盖区域)，传入数据中转发射设 备 DTU(Data Transfer U-nit)［8］，很 好 地 解 决 了数据传输中存在的各种问题，使得数据准确率达到100%，数据完备率达到95%以上。

2.4 海量数据存储技术

采用磁盘阵列技术，通过多个磁盘同时存储和读取数据来大幅提高存储系统的数据吞吐量和稳定冗余性[9]。系统根据灌浆数据采集和管理的特点，采用分布式数据库技术实现分布式管理模式，即每个远端分部的数据信息存放在本地数据库内，平时可独立操作使用，同时定期将本地所有数据信息或汇总数据信息通过远程通信线路发送到远程总部，总部接收各个分部发送的数据信息，将其存储到总部的数据库服务器中，以满足总部对数据的分析决策和长期安全保存的需要。

2.5 异常预警安全平台建设

灌浆施工条件复杂、干扰性大，施工过程中难免出现设备以及灌浆参数异常等状况。针对现场灌浆过程中出现的各类异常，系统设定预警参数、预警阈值、预警人员名单，通过无线网络将各类异常信息以短信的形式实时地发送至监理方、施工方，以方便第一时间内做出处理，通知施工方及时排除异常，保证施工，同时也方便建设方实时把握现场灌浆施工情况。这里主要采用了SPC技术，即统计过程控制（Statistical Process Control），是一种借助数理统计方法的过程控制工具[10]，它对生产过程进行分析评价，根据反馈信息及时发现系统性因素出现的征兆，并采取措施消除其影响，使过程维持在仅受随机性因素影响的受控状态，以达到控制质量的目的。该技术的使用能够有效提高报警得有效性，并可对施工参数受控状态进行评估预测。

图4 某灌浆廊道自组网图Figure 4 Self-organizing network map of a grouting corridor

3 系统实现功能及应用情况

3.1 搭建数字化灌浆监控平台

对丰宁电站水库大坝固结、帷幕、输水系统隧道等全部灌浆部位进行了无线组网和网络传输，实现了网络信号全覆盖。在地下廊道、洞室等无手机信号覆盖的条件下，考虑灌浆施工地点是频繁移动的，将该部位的n台灌浆记录仪组成无线局域网，灌浆记录仪可以随时加入、脱离局域网，数据集中传输到露天发送装置，图4为某灌浆廊道典型自组网图。组网完成后，无论是否存在第三方信号，都使得灌浆作业面的数据能够直接上传到业主指定的服务器，网络能够根据施工情况及时调整部署，根据网络信号强弱调整制式，实现了所有灌浆作业面的灌浆过程集中上传。

3.2 实现灌浆数据实时监控

实时监控反映现场所有灌浆部位施工情况，实时动态传输各类灌浆参数以及报警信息，如图5所示，可通过任意一台联网设备浏览器，查询到设备号，在线时间，灌浆实时参数，灌浆监测曲线，实现不同工作面同平台展现，大大缩短了现场工程管理链条，提高了工程监管效率。

通过以上功能，参建各方可实时监测各个工程部位的灌浆施工情况，对记录数据进行分析，全程监测灌浆施工过程，过程监测率取得了大幅提升，目前达到了99%以上。且应用此系统后，仅需对灌浆过程前孔位布设、管路铺设、记录仪连接等进行监督检查，灌浆过程中不需进行现场旁站，大大降低了参建各方监管强度，以监理单位为例，此前丰宁电站灌浆监理人员约需20人左右，采用此系统后灌浆监理人员减少至9人。表1反映了应用灌浆信息系统后灌浆监管效率的对比。

图5 实时数据动态传输表Figure 5 Real-time dynamic data transfer table

另外，本系统通过自动化手段统计水泥灌入量，客观真实，迅速便捷地反应水泥耗损的实际情况，当水泥耗损明显偏离不符合设计时，督促施工单位改进施工工艺，或加强现场检测防止施工偷工减料，准确的统计数据有助于控制生产成本和进度。

3.3 实现过程数据查询功能

通过过程数据查询，可以了解具体施工记录过程，并和纸质报表进行对照，快速对施工过程中的异常情况进行查询和处理。可按各种索引查询、孔号查询、排序查询、段次查询等，可查询各种任何施工点在施工过程中的任何时间的各种信息，如灌浆压力、注入率、注入量、累计灌入量、累计灌入水泥量、单米灌入量、透水率，以及各种报警信息、设备运行状况等[11]，如图6所示。

表1 应用灌浆信息系统后灌浆监管效率的对比Table 1 Contrast of grouting supervision efficiency after application of grouting information system

3.4 实现成果报表自动统计分析

通过对已收集数据的统计分析，自动生成各项成果报表，如灌浆孔成果一览表、压水频次表、综合剖面图、水泥消耗表等，如图7所示。

图6 过程数据查询界面Figure 6 Process data query interface

图7 某灌浆部位部分灌浆成果一览表Figure 7 List of partial grouting results at a grouting site

3.5 实现异常信息实时报警

报警系统所有报警来源于现场真实数据。当报警发生时，首先现场的施工作业人员就会收到仪器设备发出的声光报警，同时系统会向相关的监理，业主推送报警短信，报警内容包括施工部位，报警类型，报警值，报警时间，便于各个参建方联动解决应急情况，同时信息系统后台数据库中，便于工程管理单位备查追踪，如图8所示。

图8 短信报警后台数据一览表Figure 8 Short message alarm background data list

4 结束语

（1）本系统依托现代智能物联网技术实现灌浆系统中终端设备的数据灵活实时接入，实现数据互联互通，对物联网数据进行实时的大数据分析，通过本系统，确保了灌浆数据的真实性，实现了灌浆过程实时监控及数据自动统计分析，提高了监管质效，为其他同类电站灌浆管理提供了宝贵经验。

（2）本系统还可与“智能化”相结合，如智能化灌浆配浆、智能化调压、智能化施工[12]，从而彻底推动灌浆施工科技手段提升。国家电网公司提出的“三型两网”建设、国网新源控股有限公司提出的“电站群”管理理念给上述探索指明了方向，提供了条件，有利于抽水蓄能电站灌浆管理水平的整体提升。