大渡河流域电站大坝数字化巡检系统开发与应用

彭 秀 华， 吴 双 利， 胡 瀚 尹， 赵 杰， 罗 正 英

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.国电金沙江旭龙水电开发有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

水库大坝的安全关系着下游人民群众的生命财产安全和社会的稳定，巡视检查作为水库大坝安全管理的重要手段[1]，能够及时掌握水库大坝的运行状况，发现水工建筑物及发电设备的缺陷并及时采取防范措施。目前，水力发电企业的电站检查项目类型多、数量大、分布范围广。传统的巡检工作多采用手工记录的方式进行，致使巡检工作受到环境干扰、人员素养等因素的影响，缺乏巡检过程的管控与约束，且工作量大，巡检效率较低，纸质的巡检记录不易于保存。

随着无线通信技术及移动通讯设备的快速发展，移动智能设备(如智能手机、平板等)越来越多地应用于各行各业中[2]。近年来，NFC功能也逐渐运用于手机端[3]。NFC又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输的形式交换数据。手机作为一个读取NFC芯片的设备，对写有不同信息及ID的标签卡内容读取ID并实现识别上传功能。利用NFC手机读取NFC芯片的功能，来实现精确定点的巡视检查功能，同时利用手机的GPS定位[4]、图像采集、信息上传等功能实现定巡检NFC芯片内容识别、GPS位置信息上传、现场缺陷隐患照片上传、消息推送等相关功能。NFC芯片具有成本低、体积小、抗干扰能力高等特点，可适合于不同的环境。

大渡河公司自主研发的数字化巡视检查系统，已在龚嘴、铜街子、瀑布沟、深溪沟四座电站成功应用。

1 系统总体设计

1.1 软件架构

巡检系统软件由WEB应用端(水电站巡检信息系统管理系统网站)和手机APP移动端(水电站巡检信息管理系统移动版)组成(图1)，同时系统支持外部系统调用接口。信息管理采用Web网站方式实现。在实际检查过程中采用移动设备作为巡检设备，采用NFC近场通信技术实现实时记录巡检信息，并最终同步到系统中，经审核后发布。

图1 巡检系统软件结构图

整个系统分为数据层、数据访问控制层和数据服务接口，通过对软件层次结构的抽象和组合(图2)，能够将数据访问、业务逻辑处理和用户界面展示部分进行分割和组装，使得软件系统具备很好的伸缩性和灵活性，更好地适应复杂的网络环境、数据库类型和不同层次用户的特殊需求。

图2 软件层次结构图

1.2 系统功能构成

巡检系统按功能可分为NFC智能移动终端App、NFC标签、Web后台管理及审核系统三部分。智能移动终端App包括实时巡查和标签读写两个App。标签读写App利用NFC技术，通过智能移动终端从标签读取信息或将信息写入标签，NFC标签支持一定字数的文字、字母和数字的写入及储存。实时巡查App则作为本系统的主要应用部分，采集信息并实时上传。Web后台管理及审核系统用于对巡查路线的编制、调整和管理，以及对巡查内容的查看和审核。

“实时查询App”基于Android平台开发，智能移动设备适应室外、潮湿、高温、长时间等不同的工作环境要求。以瀑布沟电站为例，分为库坝中心的监测、电厂的坝工两个专业共16条路线。在开始巡查界面，选择需要进行的巡查路线。开始巡查后，进入等待标签扫描界面，扫描开始标签后，自动进入巡查内容。对一个对象完成巡查后，进入下一个对象，如有需要可查看上一个。一次完成一条路线各个区段所有对象的巡查后，需要在最后填入巡查人员、总体评价和详细描述。

“标签读写App”采用NFC标签的不能更改的唯一ID作为区段约束标识，通过读取NFC标签唯一ID保证了标签无法篡改。

“Web管理和审核”主要用来对巡检路线进行预设和灵活的编辑、组合，审核主要用来对巡检结果进行审查和统计查询。

1.3 巡检标牌设计

考虑到大坝廊道、野外边坡等恶劣环境以及企业管理需要，巡检标牌应兼顾美观、防水、稳固、易于维护等特点，因此，在选择防潮NFC芯片的同时，自主设计了巡检标牌。

巡检标牌由正面和背面两部分组成，正面内容包括企业VI与巡检点名称。为保证标牌名称的灵活可换，在正面一块开宽为12 mm的标准透明窗格，用于粘贴标签机打印的标准宽度为12 mm的标牌名称。背面根据购买的NFC芯片的大小，设置专门的芯片粘贴位置。考虑到防水功能，在粘贴标牌的两部分时，做全包围粘贴。

2 巡检系统创新点

2.1 巡视检查数字化

相对于传统的人工巡检模式，数字化巡检技术依托NFC与智能手机结合的方式，利用手机通讯和网络信息技术实时上传巡查结果和时间信息，实现了巡检工作的无纸化管理，同时保证了巡检结果的时效性、真实性。通过系统的统计查询功能，实现单个对象的历史纵向统计查询，为决策提供更加精确的信息支撑。

2.2 线路调整灵活化

传统人工巡检是通过事先编制的巡查记录表进行巡查，一旦路线发生变动，需将原记录表作废，重新规划巡查路线并制作新的巡查记录表，编制工作繁琐、耗时长、效率低。

在数字化巡检系统中，可以对巡检路线、巡检区段、巡检对象及其检查内容进行灵活编辑和组合，使巡查路线的规划和巡查内容可以灵活地根据工作内容和管辖业务的调整及时进行调整，更适应管理的需要。

2.3 影像采集便捷化

在传统的巡检方式下，巡检人员通常利用照相机、录像机等设备进行影像资料搜集，完成巡查后再进行资料的导出与归档，一方面增加了在高边坡等危险区域的安全风险，另一方面拍摄与导出工作效率不高，也容易出现疏漏。利用智能手机配套的高清摄像头，能够快速、实时地采集现场影像资料，尤其是在电站建设期的施工环境中更便于使用。通过搜集施工期影像资料，形成完整的工程全生命周期档案，为后续管理提供依据。

2.4 接口设计开放化

数字化巡检系统在设计阶段考虑到系统的可扩展性，将业务逻辑层和数据访问层封装为统一的服务层，发布在应用服务器上，并提供数据接口供外部系统调用。这种方式提高了系统的稳定性和运行维护的灵活性，同时有助于企业数据的集成和集中管理。

3 系统应用

大渡河流域作为国家规划的十三大水电基地之一，其干流水电梯级开发共规划22个梯级电站。其中，由大渡河公司负责开发建设的电站17级，目前，龚嘴、铜街子、瀑布沟、深溪沟、枕头坝一级、大岗山6座电站已建成投产，所辖电站的日常安全管理工作量大。对此，大渡河公司研发了基于NFC技术的数字化巡检系统，实现了水库巡视信息的及时、有效、准确的反馈，极大地提高了水库大坝信息化管理水平。其主要优点如下：

(1)大渡河公司已在厂房区域使用智能巡检机器人对发电机组设备进行日常巡检，但对于廊道、大坝、库岸边坡等区域仍采用人工巡查，数字化巡检系统的应用在一定程度上弥补了巡检机器人的检查盲区，使水库大坝智能巡检的区域更加完整。

(2)“点对点”的巡检模式具备较高的约束力，避免了传统巡检方式人为因素的影响，巡检人员必须抵达约定地点完成检查，提高了巡检工作的质量。

(3)在巡检线路及内容发生变动的情况下，通过系统后台快速调整对应信息，完成新巡检线路制定，避免了传统纸质记录表的制作与打印，极大地提高了修改效率，节省了办公费用。

(4)智能手机终端具备便于携带的特性，使巡检影像资料采集更加便捷，尤其是在高库岸边坡等危险区域，减少巡检设备负重即减少了安全风险。

(5)开放式接口设计使系统集成没有阻碍，巡检系统已成功接入大渡河公司安全风险管控平台，目前运行状况良好。

(6)数字化巡检系统已在大渡河流域6座投运电站应用，避免了人为因素的不利影响，巡视检查工作质量显著提高，巡查成果管理更加规范化，为水电站大坝备案、注册、定检等管理工作提供了完整的材料支撑。下一步，计划在猴子岩、双江口等电站应用，形成施工期至运行期水工建筑物及其附属设施的过程记录档案。

4 结 语

水库大坝的安全意义重大，其安全不仅需要监测仪器实时监控，巡视检查更是不可替代。物联网的出现给大坝安全智能化管理带来契机[5]，大渡河公司在智能巡检系统研发的基础上，采用NFC标签技术实现了巡检设备的智能化识别、定位、跟踪、监控和信息管理；采用智能手机终端采集、记录并上传巡检信息；通过4G/5G网络与企业内部无线网络传输方式与库坝安全信息综合管理系统相结合制定全面的巡检方案。大渡河公司建立的流域电站大坝数字化巡检系统，对提高水库安全管理具有重要的推广意义。