基于移动终端的水电站水工巡检系统研发与构建

陈 豪，包腾飞，毛莺池，张 鹏，吴光耀，王顺波

(1.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京210098；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214；3.河海大学计算机与信息学院，江苏南京210098)

0 引 言

水工巡视检查和仪器安全监测是监控和保障大坝等水工建筑物长期安全运行的两种主要手段，两种手段互为补充，相互验证。仪器安全监测可以在微观层面，动态定量监测大坝的工况变化。但限于结构和成本制约，布设于典型监测断面和关键重点部位的监测仪器存在空间不连续性，监测盲区无可避免，因此只有将水工巡视检查与仪器安全监测有机结合，发挥各自优势，才能实现从微观到宏观、从局部到整体的大坝工况全面监控。

水工巡视检查可以在宏观层面直观发现工程缺陷，然而受制于传统作业模式和工程环境制约，现行水工巡视检查存在如下主要问题：

(1)现场作业繁重，巡检效率低下。根据SL601—2013《混凝土坝安全监测技术规范》， 巡检人员在及时发现各类工程缺陷的同时，还须运用目测、手摸、尺量等直观方法和相应工具对缺陷进行定性或定量描述，手工填写巡检记录表，附以必要的简图、照片或影像记录。作业任务繁重，工作效率低下。

(2)巡检规范程度低，成果质量易受干扰。以大坝为核心的水工建筑物存在特异性，而照搬相关规范的通用巡检条款和记录表格，且不与电站水工运行维护工作流程和管理机制相结合的现场巡检作业，势必无法控制因巡检路线随机，巡检人员工作经验、技能水平差异对大坝专属缺陷巡检成果的影响。

(3)多源信息融合难度大，成果综合评判困难。当前巡检成果台账多为人工整编的缺陷文字描述和缺陷影像的电子表格，因缺乏数字化管理手段，在无法实现多源巡检数据有机融合的情况下，无法运用数理统计、GIS空间相关性分析等诸多方法对大量积累的历史巡检数据进行综合分析，更难以实现离散缺陷信息与仪器安全监测数据成果互为补充，相互校验，大坝整体工况及变化趋势综合评判的需求。

针对上述现行水工巡视检查作业过程中存在的问题，本文结合小湾水电站水工巡检工作的实际需求，研究了水工巡检系统涉及的主要关键技术，构建了基于移动终端的水工巡检系统，以期提高大坝运行维护能力。

1 关键技术研发

1.1 巡检业务流程标准化

结合相关规范的巡检标准和电站水工关注要素、运管制度，制定巡检作业指导书推动整个巡检业务流程标准化。①巡检分区与部位标准化。以小湾电站为例，结合部位重要性、巡检工作量和交通便利性，分为坝基帷幕灌浆廊道、坝基排水廊道、检查廊道及坝后马道、大坝表观、地下厂房主要洞室、主厂房排水系统及尾水系统、水垫塘二道坝、抗力体及坝肩排水洞、地面生产建筑物以及其他(工区两岸边坡、道路、桥梁、监测设施、排水设施、泄洪洞及导流洞专检等)等各大分区，并将分区下的巡检部位以具体高程和位置的形式，按照巡检路线进行排序，并配合固定的巡检小组人员，确保路线和人员相对固定的规范要求。②巡检记录表标准化。针对各部位工程特点定制标准化巡检记录，并将巡检主要对象进行标准提示，诸如渗漏、裂缝、供排水系统等，针对渗漏，还规定从潮湿到喷涌6个程度的描述选项，相关缺陷描述尽量采用判断和选项方式记录，在进一步强化缺陷描述确定性，减少主观因素对巡检成果影响的同时，大幅降低现场工作量。

1.2 巡检数据快速同步

巡检数据快速同步包括移动终端数据上传和服务器端数据下载。移动终端数据上传通过adb命令将数据以文件形式拷贝到服务器端后分类处理，将巡检文本数据转化并封装为json数据后解析入库，同时将对巡检图像影像数据进行无重复校验后入库；服务器端巡检数据下载通过将需导出的巡检数据库表信息放入json文件中，生成巡检记录json文件；解析巡检时间，将对应时间文件夹下的文件下载到指定目录；通过adb命令将巡检数据拷贝到移动终端。这项同步技术实现了巡检数据在服务器端与移动端间的自动、及时、准确传输，节省了巡检数据处理时间，提高了作业效率和准确性。

1.3 融合GIS和二维码的巡检定位技术

GIS(Geographic Information Systems)技术以地理空间为基础，采用空间模型方法，实时提供多种动态空间信息，有效管理具有空间属性的各种资源环境信息。二维码(Two-dimensional code)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，类似信息数据的钥匙。针对电站枢纽区户外巡检，在构建基于GIS的枢纽区空间三维模型的基础上，借助PDA自带的GNSS导航软件，即可完成空间定位。但是针对水工和地下建筑物的室内巡检，在缺乏无线通信定位基础设施的情况下，通过构建融合GIS空间属性的三维建筑信息模型，并在室内代表性特征部位和主要缺陷部位布置二维码标识，即可完成室内空间定位，并可满足定期巡检路线现场复核、主要缺陷重点巡检路线推荐等各类衍生功能的定位需要。

1.4 缺陷图像定量评价

随着图像采集技术和数字图像处理技术的发展，在采集图像的基础上，从大坝缺陷图像的特征分析入手，根据检测图像的时间和空间分布特点，通过多指标缺陷检测、机器深度学习神经网络方法对缺陷图像进行缺陷检测和分类识别，然后结合缺陷识别结果进行缺陷特征参数化来构建图像的缺陷描述集，实现缺陷图像的相对定量化评价。结合GIS与二维码空间定位，将缺陷的定量描述信息与其一定范围内的大坝安全测点的测值进行联动比对，为大坝运行工况的综合评判提供更加全面准确的技术支持。

2 系统实现

2.1 工程概况

小湾水电站系澜沧江中下规划八个梯级中的第二级，以发电为主兼有防洪等综合效益，装机容量4 200 MW。工程属一等大(1)型工程，主要水工建筑物由最大坝高294.5 m的混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞和右岸地下引水发电系统组成。水库总库容150亿m3，具多年调节能力，2012年10月首次蓄至正常蓄水位。

小湾水电站的建成有世界首座300 m级混凝土双曲拱坝，在目前世界最高的700 m级抗力体工程边坡内部分布了7层总长超过15 km的排水洞；建成了平面跨度和高度均居世界前列、规模超大的地下引水发电系统洞室群；建有泄洪功率巨大的大坝坝身和泄洪洞泄洪消能系统。鉴于小湾水电站枢纽区建筑规模巨大，巡视检查工作繁重，项目组有针对性地研发了基于移动终端的小湾水工巡检系统，并投入使用。

2.2 系统架构

基于移动终端的水工巡检系统包括Web Service端和移动采集终端。系统逻辑架构划分为5层，其中采集层位于移动终端，解析层、数据层、服务层和应用层位于Web Service端，如图1所示。

(1)采集层。主要通过部署于PDA上的巡检采集端APP，采集水电站巡检业务与水工建筑物缺陷信息，综合GPS(户外)和二维码识别采集巡检事件和缺陷空间信息。

(2)解析层。主要利用研发的数据同步技术，实现巡检属性和多媒体信息的可靠、高效解析和传送，采用多元化通信模式，满足信息共享，实现广泛的互联功能。

(3)数据层。通过构建的业务数据库分类存储电站建筑空间数据、缺陷属性与多媒体数据、环境量数据、二维码数据等数据，为后续服务提供数据支撑。

(4)服务层。使用SOA的思想，基于Web服务技术开发粒度适中、易于扩展的业务功能接口，构建适应业务需要的Web系统。

(5)应用层。将服务层发布的Web服务进行整合处理，为系统用户提供包括作业指导书、路径、信息、缺陷、报表、权限与日志管理等多个应用支持。

图1 基于移动终端的水工巡检系统系统架构

2.3 系统功能

水电站水工巡检系统利用移动采集终端现场实时记录巡检现场情况，将巡检数据上传到系统Web Service端，对巡检信息、缺陷进行统一的管理，并分类归整为水工缺陷台账和各类巡检报表。

2.3.1系统移动采集终端功能实现

移动终端功能分为巡检人员管理、数据同步管理、巡检项目管理、巡检缺陷管理、安全事项管理和巡检状态管理6个功能模块。

(1)实现巡检分区部位与项目定制化。结合电站水工巡检任务分工和业务流程，分别定制了大坝、泄洪设施、地下引水发电系统、抗力体及其排水洞、地面生产建筑物等工程分区及巡检部位结构特性和缺陷描述的标准化记录信息格式，如图2所示。

(2)实现巡检基本信息与缺陷信息的快速记录。数据录入以选项选择录入为主。在录入巡检时间、人员、环境量等基本信息后，记录包括标准化缺陷描述属性信息和多媒体数据信息的巡检缺陷信息。录入界面如图3所示。

(3)实现缺陷定位和巡检路线管理。采用融合GIS与二维码技术对巡检部位和缺陷点进行定位，并可将缺陷点的历史巡检数据给予关联提取。选取定期巡检模式可提示巡检人员按照路线顺序巡检，若偏离路线或按顺序巡检，系统将对用户进行提示；选取重点巡检模式可根据近3次发现的重大缺陷部位推荐巡检路线，满足特种巡查或专家检查需要。

(4)实现了巡检数据的便捷传输。巡检前后，均可通过无线或有线网络下载巡检信息至系统移动终端或上传巡检信息至系统Web端数据库。

2.3.2系统Web Service端功能实现

水工巡检系统Web Service端具体功能为巡检信息管理、缺陷管理、报表管理、用户权限管理、日志管理等五个部分。

(1)实现巡检信息高效整编与闭环管理。将巡检数据上传至Web Service端后，即可完成信息的全自动自动整编入库。入库后可实现当前巡检信息与历次缺陷数据的对比，并可自动创建巡检缺陷台账，实现巡检与消缺的闭环管理。

图2 移动终端定制化的巡检部位与缺陷描述界面

图3 移动终端各类型巡检信息录入界面

(2)实现巡检成果便捷报送。可直接将巡检成果根据选择的时段，自动生成巡检记录表和简、周、月、年报等定制报表，满足电站安全与运维管理和技术监督要求。

(3)实现重大缺陷信息的可视化发布。将经评判定性为重大水工缺陷的部位推送至电站大坝安全监测可视化及预警系统，并在水工建筑物三维BIM模型上标准，便于巡检信息发布与上级推送。

(4)系统安全管理。对系统用户进行对应的权限管理，记录系统内所有涉及用户信息、作业与数据操作。

3 应用效果及结语

结合小湾水电站水工巡检业务实际需求，研发的基于移动终端的水工巡检系统从根本上解决了水工巡检作业的自动化程度和成果发布全过程时效低下，现场工作任务繁重，历史缺陷数据无法实时查询，无法与仪器监测数据对比分析等问题。通过将巡检工作标准化和流程化，极大消除了作业过程中因人员经验、技能水平等主观因素引起的缺陷判识差异和成果不稳定。

目前，经过测试与完善后的水工巡检系统已在小湾电厂投入使用，该系统全面升级了水工巡检作业方式，大幅提高了现场巡检作业、后期数据整编、水工缺陷判识与巡检成果发布的作业效率和准确性，具有实用价值，可供其他工程参考使用。