長(zhǎng)河壩上壩運(yùn)輸車自動(dòng)加水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

鄧韶輝，呂 菲，由廣昊，劉建坤，李元元

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072; 2.四川大唐國(guó)際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001； 3.中國(guó)電建集團(tuán)中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概況

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為一等大(1)型水電工程。樞紐建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，最大壩高240.0 m。在大壩施工過程中，壩料含水率對(duì)壩體施工質(zhì)量影響巨大，因此需要根據(jù)不同壩料的最優(yōu)含水量進(jìn)行合理定量加水，進(jìn)而保證壩面的最大壓實(shí)度以及大壩施工質(zhì)量。

傳統(tǒng)高礫石土心墻堆石壩壩料加水多采用人工控制、事后檢查的方式，不能準(zhǔn)確控制加水量，難以保證大壩施工質(zhì)量[1]。針對(duì)這一問題，科研人員以及技術(shù)人員進(jìn)行了多方研究，在加水過程引入了無線射頻技術(shù)(RFID-Radio Frequency Identification)并實(shí)現(xiàn)了加水量的自動(dòng)控制。RFID技術(shù)是一種基于電磁信號(hào)檢測(cè)的無線傳感器技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化施工領(lǐng)域[2-3]。Goodrun[4]將有源RFID技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)的工具追蹤；Soungho Chae等[5]利用RFID技術(shù)防止挖掘機(jī)、起重機(jī)等重型設(shè)備發(fā)生碰撞事故； L.C. Wang[6]提出了一個(gè)基于RFID的質(zhì)量管理系統(tǒng)。后來，RFID技術(shù)被引入水利工程施工領(lǐng)域，鐘登華[7]等首次提出了一種土石壩施工壩料運(yùn)輸車的加水量監(jiān)控系統(tǒng)以及監(jiān)控方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加水過程的自動(dòng)監(jiān)控和管理。隨后，杜三林、鐘登華[8]等對(duì)該加水系統(tǒng)又加以改進(jìn)，針對(duì)現(xiàn)有的根據(jù)加水時(shí)間確定加水量的間接控制方法，提出了新型加水技術(shù)，設(shè)置了加水流量計(jì)，并與FIRD以及報(bào)警器信號(hào)連接形成集成控制機(jī)。但是在200 m以上的高土石壩施工中還缺乏較為成熟的自動(dòng)加水監(jiān)控系統(tǒng)的理論分析與實(shí)際運(yùn)用。本文針對(duì)長(zhǎng)河壩施工特點(diǎn)，引入新型加水技術(shù)，研發(fā)了一套基于RFID、GPRS以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土石方運(yùn)輸車輛加水量全天候、遠(yuǎn)程、自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(WAM-Watering Auto Monitor)，即上壩運(yùn)輸車自動(dòng)加水監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共分為加水控制系統(tǒng)Web應(yīng)用、加水控制系統(tǒng)客戶端、GPRS服務(wù)端、短信預(yù)警系統(tǒng)以及RFID系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)，集成了無線射頻技術(shù)(RFID-Radio Frequency Identification)、自動(dòng)控制技術(shù)和GPRS技術(shù)。其中，RFID用于唯一標(biāo)識(shí)灑水車并記錄卡車進(jìn)出水站的時(shí)間從而計(jì)算出實(shí)際澆水時(shí)間，GPS和GIS用于對(duì)料場(chǎng)和運(yùn)輸車輛進(jìn)行定位，以確定每輛自卸汽車裝載的壩料類型，現(xiàn)場(chǎng)掌上電腦(Personal Digital Assistant， PDA)用來收集壩料含水量等實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，GPRS服務(wù)端用來對(duì)遠(yuǎn)程環(huán)境(數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、遠(yuǎn)程辦公監(jiān)控電腦)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(加水工作臺(tái))進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交互。5個(gè)子系統(tǒng)相互配合，協(xié)作運(yùn)行，有效保證了土石方運(yùn)輸車輛加水量的準(zhǔn)確性，避免了人工操作的誤差以及常規(guī)加水量監(jiān)控的局限性，從而實(shí)現(xiàn)了按車按量精細(xì)監(jiān)控，確保了加水量滿足設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。在加水車到達(dá)加水站點(diǎn)之前先在加水車上安裝無線射頻卡用來存儲(chǔ)加水車輛信息，并連接加水控制系統(tǒng)Web應(yīng)用程序配置加水車輛信息、加水站點(diǎn)信息；當(dāng)車輛駛?cè)爰铀畢^(qū)域后，LED屏顯示請(qǐng)駛?cè)爰铀恢茫x卡器讀取車輛ID卡號(hào)，對(duì)有效卡號(hào)的車輛進(jìn)行加水，控制系統(tǒng)打開電磁閥、流量計(jì)開始記流量，此時(shí)LED顯示加水中，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)的加水流量；當(dāng)車輛加水量達(dá)到額定加水量時(shí)，LED指示裝置顯示加水完成，同時(shí)關(guān)閉電磁閥門，車輛駛離加水區(qū)域；控制中心通過對(duì)實(shí)際加水量與應(yīng)加水量進(jìn)行對(duì)比判斷本次加水是否達(dá)標(biāo)，若不達(dá)標(biāo)則通過短信預(yù)警系統(tǒng)對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的加水車輛提供短信預(yù)警、信號(hào)燈預(yù)警，并且對(duì)未完成的加水車進(jìn)行二次加水，二次加水的間隔時(shí)間為1 h；加水完成后通過GPRS模塊將加水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)往中心機(jī)房數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，整個(gè)加水過程完成。加水完成后，通過GPRS服務(wù)端完成對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，通過RFID系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行身份設(shè)別、配發(fā)唯一識(shí)別號(hào)碼。然后，通過加水系統(tǒng)控制客戶端實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)加水完成預(yù)期的效果，集成GPRS收發(fā)器自動(dòng)完成對(duì)車輛加水信息的更新。

圖1 上壩運(yùn)輸車自動(dòng)加水監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析

3.1 加水控制系統(tǒng)Web應(yīng)用

加水控制系統(tǒng)Web應(yīng)用子系統(tǒng)主要任務(wù)是提供車輛信息的管理情況、查詢加水信息和預(yù)警等。主要包括系統(tǒng)的登陸界面，車輛信息維護(hù)，加水信息預(yù)警，加水站點(diǎn)狀態(tài)，短信號(hào)碼維護(hù)，加水信息查詢，加水信息統(tǒng)計(jì)，站點(diǎn)DTU管理以及人員信息維護(hù)等。

3.2 加水控制系統(tǒng)客戶端

施工現(xiàn)場(chǎng)客戶端是整個(gè)自動(dòng)加水控制系統(tǒng)的核心與基礎(chǔ)，整個(gè)加水系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是由現(xiàn)場(chǎng)客戶端系統(tǒng)根據(jù)施工設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)料車輛進(jìn)行加水并通過獲取實(shí)際加水量值得到的，并且整個(gè)加水系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯也是由該系統(tǒng)的正常運(yùn)行來保證的，該系統(tǒng)還承擔(dān)了數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)、各硬件設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控及控制任務(wù)。該系統(tǒng)包含的功能較多，實(shí)現(xiàn)難度也較大。主要包括設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備測(cè)試、車輛查詢、日志查看等功能。設(shè)備監(jiān)控界面如圖2所示，通過該界面可以及時(shí)有效地了解各設(shè)備的運(yùn)行情況，系統(tǒng)界面采用了儀表盤式結(jié)構(gòu)，虛擬加水過程實(shí)際場(chǎng)景，并且儀表盤中各設(shè)備與實(shí)際設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，通過對(duì)各設(shè)備狀態(tài)的顏色變化，描述設(shè)備的運(yùn)行情況。施工現(xiàn)場(chǎng)客戶端系統(tǒng)中設(shè)備包括電磁閥、RFID讀卡器、LED顯示屏、GPRS模塊，報(bào)警器、電磁流量計(jì)，另外涉及到加水操作相關(guān)的車輛信息包括車輛號(hào)、加水量。當(dāng)設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)指示燈顯示綠色，當(dāng)設(shè)備處于非工作狀態(tài)時(shí)指示燈顯示紅色。同時(shí)在界面右側(cè)顯示系統(tǒng)運(yùn)行日志，以文字方式顯示系統(tǒng)當(dāng)前情況，另外系統(tǒng)日志以文件方式存儲(chǔ)于客戶端。該功能的實(shí)現(xiàn)依賴于實(shí)際加水過程，通過相應(yīng)的邏輯分析與過程設(shè)置，動(dòng)態(tài)顯示加水全過程。

圖2 設(shè)備監(jiān)控界面

3.3 GPRS服務(wù)端

服務(wù)端的主要功能有客戶端加水?dāng)?shù)據(jù)的解析、加水報(bào)警信息的判斷生成、遠(yuǎn)程站點(diǎn)的啟動(dòng)、加水?dāng)?shù)據(jù)的導(dǎo)入、GPRS模塊測(cè)試、報(bào)警短信的發(fā)送。服務(wù)器端程序界面如圖3所示，包括站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程啟動(dòng)、導(dǎo)入加水?dāng)?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接收區(qū)4個(gè)部分。站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示當(dāng)前時(shí)刻站點(diǎn)的工作狀態(tài)，其中，設(shè)備ID為GPRS模塊ID，手機(jī)號(hào)為GPRS模塊安裝的手機(jī)號(hào)，登陸時(shí)間為GRPS模塊連接上服務(wù)器的時(shí)間。

圖3 服務(wù)器端程序界面

3.4 短信預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)提供了專門用于發(fā)送短信的平臺(tái)，對(duì)加水車輛不滿足要求的信息進(jìn)行短信預(yù)警。此系統(tǒng)為服務(wù)程序，需要打開相應(yīng)的串口波特率并設(shè)定具備通信的條件，在與數(shù)據(jù)庫交互時(shí)需設(shè)定數(shù)據(jù)庫配置文件并測(cè)試數(shù)據(jù)庫連接情況。系統(tǒng)的輪詢時(shí)間即為多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送一次短信，可以自行設(shè)定，通過手機(jī)號(hào)碼可以測(cè)試短信發(fā)送成功與否，接收短信號(hào)碼及短信發(fā)送成功與否可以通過Web系統(tǒng)查詢(瀏覽器客戶端功能)。

3.5 RFID發(fā)卡系統(tǒng)

RFID發(fā)卡系統(tǒng)采用有源RFID技術(shù)，主要功能是接收和解碼從ID卡傳來的信息。該子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序主要包括以下兩方面內(nèi)容：一是發(fā)放ID卡，記錄每輛車的ID號(hào)、裝載量、車牌號(hào)、加水量等信息；二是當(dāng)某輛運(yùn)輸車進(jìn)入RFID有源區(qū)內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)從ID卡上不斷讀取相關(guān)信息，并將其發(fā)送到加水控制系統(tǒng)客戶端，當(dāng)車輛駛出有源區(qū)時(shí)則停止記錄。實(shí)際操作過程中，當(dāng)選擇好相應(yīng)的車輛后，在讀卡器上放入ID片，系統(tǒng)即可自動(dòng)獲取卡號(hào)，完成信息的自動(dòng)讀取和傳遞。

4 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果分析

長(zhǎng)河壩心墻堆石壩上壩料加水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示，系統(tǒng)于2012年10月11日開始運(yùn)行，已完成施工單位上報(bào)的全部88輛上壩車輛射頻卡的安裝與調(diào)試工作，上游圍堰第1套加水站已正常運(yùn)行770余天，下游圍堰第2套加水站系統(tǒng)正常運(yùn)行300余天，9號(hào)1洞第3套加水站系統(tǒng)已正常運(yùn)行110余天。2015年2月10日，經(jīng)過調(diào)整改造，在上游16號(hào)洞安裝第4套加水系統(tǒng)，在9號(hào)洞處安裝第5套自動(dòng)加水系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)監(jiān)控時(shí)段內(nèi)的加水情況。

圖4 上壩料加水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)界面

系統(tǒng)運(yùn)行后保證了運(yùn)輸車24 h連續(xù)自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了水量自動(dòng)控制，加水信息實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)查詢以及加水不達(dá)標(biāo)自動(dòng)報(bào)警，并且能夠按期統(tǒng)計(jì)匯總運(yùn)輸車加水情況，形成報(bào)表上報(bào)相關(guān)部門。截至2016年8月31日，共監(jiān)控上壩運(yùn)輸車輛加水 123 179車次。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)壩料加水不能準(zhǔn)確控制加水量等問題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套基于RFID、GPS、GPRS以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的上壩運(yùn)輸車自動(dòng)加水監(jiān)控系統(tǒng)，提高了施工效率，保障了施工質(zhì)量，從根本上解決了加水信息定性分析的不確定性、不合理性等問題。系統(tǒng)成功運(yùn)用于長(zhǎng)河壩礫石土心墻堆石壩，為壩料上壩運(yùn)輸加水提供了很好的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

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