灌漿施工全過程智能監(jiān)測數(shù)據(jù)云存儲與深度分析系統(tǒng)研究

張帆 詹程遠(yuǎn) 林育強(qiáng) 張宜虎 郭亮

摘 要：灌漿施工作為水利工程建設(shè)中最重要的防滲手段，對工程的質(zhì)量有著極其重要的作用。灌漿施工全過程智能監(jiān)測數(shù)據(jù)云存儲與深度分析系統(tǒng)采用自組網(wǎng)短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，結(jié)合GPRS/WiFi/5G等無線傳輸模式，將工程施工現(xiàn)場多臺灌漿記錄儀數(shù)字信號數(shù)據(jù)實(shí)時采集并自動發(fā)送至存儲服務(wù)器，搭建灌漿施工物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)灌漿實(shí)時數(shù)據(jù)云存儲。運(yùn)用“大云物移智”技術(shù)實(shí)現(xiàn)對灌漿數(shù)據(jù)的智能感知，將灌漿施工過程打印的紙質(zhì)資料數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和云端可視化，并通過灌漿大數(shù)據(jù)的深度分析、比較、預(yù)測，為灌漿施工管理提供輔助決策支持。

關(guān)鍵詞：灌漿監(jiān)測；云存儲；深度分析；質(zhì)量評價(jià)；數(shù)值模擬

中圖法分類號：TP301；TV543.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究背景

國內(nèi)的水電站壩基灌漿工程長期面臨著灌漿孔地質(zhì)條件難以預(yù)測、灌漿施工過程難以控制、施工工藝復(fù)雜，以及灌漿效果的綜合分析評價(jià)、灌漿實(shí)時數(shù)據(jù)的有效集成與整編等關(guān)鍵性問題[1]，“大云物移智”技術(shù)的快速發(fā)展為推動我國水利水電工程行業(yè)發(fā)展與世界同步提供了全新方向。

由于灌漿施工數(shù)據(jù)歸檔仍以紙質(zhì)文件為主，工程建設(shè)資料記錄、分析和歸檔缺乏強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)庫難以管理、維護(hù)和共享。雖然灌漿過程工藝數(shù)據(jù)庫已經(jīng)逐步建立，但數(shù)據(jù)的深度挖掘需要專業(yè)的數(shù)據(jù)存儲和分析軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化支撐[2]，為保證工程質(zhì)量，需要建立灌漿施工全過程智能監(jiān)測平臺。在數(shù)據(jù)采集端，采用多種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將工程施工現(xiàn)場多臺灌漿記錄儀采集到的灌漿數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲服務(wù)器，組建灌漿施工物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)灌漿監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)模較大時，云存儲可以有效解決高精度與海量數(shù)據(jù)之間的矛盾[2-3]。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，借助云存儲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)灌漿施工數(shù)據(jù)的存儲和管理，為研制基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌漿監(jiān)測系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。

2 灌漿施工自主通信網(wǎng)絡(luò)搭建與數(shù)據(jù)采集

2.1 集控網(wǎng)絡(luò)搭建技術(shù)

在灌漿施工中，由于施工區(qū)域的分散性以及灌漿作業(yè)的特殊性，灌漿實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸過程中存在許多異常情況，如突然斷電、斷網(wǎng)、施工交叉作業(yè)的信號干擾等。為了有效保證灌漿數(shù)據(jù)的實(shí)時性、完整性和穩(wěn)定性，需要建立一套可靠、可控、安全的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。針對上述情況，結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（GSM/GPRS/WCDMA/EDGE/HSDPA等）和短距離無線自組網(wǎng)技術(shù)搭建了局域網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)灌漿施工過程中的數(shù)據(jù)動態(tài)實(shí)時采集、安全傳輸與集中管理[4]，如圖1所示：

2.2 灌漿施工數(shù)據(jù)自動采集、自動傳輸與存儲

灌漿施工數(shù)據(jù)的底層采集、自動傳輸與集成處理是管理者實(shí)時掌握和管理灌漿過程的基礎(chǔ)。如何保證所采集信息的實(shí)時性、準(zhǔn)確性和完整性，為灌漿工程師做出正確的判斷和決策至關(guān)重要。灌漿施工實(shí)時數(shù)據(jù)包括過程數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)、灌后檢查數(shù)據(jù)[4]。灌漿施工實(shí)時數(shù)據(jù)以及灌后檢查孔的壓水試驗(yàn)結(jié)果是灌漿工程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，根據(jù)施工面具體情況，建立符合實(shí)際需求的短距離無線自組網(wǎng)絡(luò)和工程覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（見圖2），進(jìn)行動態(tài)管控和分析[5]。

（1）采取重發(fā)及反饋機(jī)制?，F(xiàn)場的灌漿記錄儀將當(dāng)前生成的記錄數(shù)據(jù)重復(fù)向監(jiān)控中心發(fā)送，當(dāng)監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后自動回復(fù)反饋信息給灌漿記錄儀，灌漿記錄儀收到信息后即停止該條記錄數(shù)據(jù)的重發(fā)，改為發(fā)送下條記錄數(shù)據(jù)，以此保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）采用智能識別系統(tǒng)。通過無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有灌漿施工區(qū)域，并在該網(wǎng)絡(luò)中加入智能識別系統(tǒng)，可以智能識別該網(wǎng)絡(luò)中的指定設(shè)備，確認(rèn)后即采集該設(shè)備的灌漿數(shù)據(jù)，避免網(wǎng)絡(luò)中非指定設(shè)備的數(shù)據(jù)干擾，保證灌漿記錄儀上傳數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

（3）采取智能綁定系統(tǒng)。組建的無線網(wǎng)絡(luò)通過對覆蓋區(qū)域的節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）進(jìn)行自動刷新、查找，對查找到的節(jié)點(diǎn)自動添加、綁定，確保網(wǎng)內(nèi)所有灌漿記錄儀數(shù)據(jù)（包括臨時增加的灌漿記錄儀）可上傳到網(wǎng)絡(luò)中，保證數(shù)據(jù)的完整性。

（4）中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲功能。在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，主機(jī)采集通過中心節(jié)點(diǎn)上傳實(shí)時數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生斷電等情況，中心節(jié)點(diǎn)能夠保存歷史數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電之后能夠“批量打包”上傳，保證了數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。

3 灌漿施工數(shù)據(jù)云存儲技術(shù)

綜合應(yīng)用“大云物移智”、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，通過數(shù)字化信號傳輸模式，從底層傳感器信號采集到灌漿數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并利用數(shù)字編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)整編，將海量數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時云存儲和云共享，對灌漿施工進(jìn)行智慧化管理，保證灌漿施工質(zhì)量、施工安全。

中心服務(wù)器通過輪詢模式對每個存儲服務(wù)器的負(fù)載進(jìn)行收集，采用極具通用性的高可靠、可擴(kuò)展PC集群構(gòu)建的云存儲系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由主控服務(wù)器、存儲服務(wù)器和客戶端代理三大模塊組成，兩個主控服務(wù)器采用主-備的工作方式（Active-Standby），雙機(jī)熱備模式，無需人工干預(yù)，即可保證系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行[5]。數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、電子郵件、FTP、流化媒體和Web等中心服務(wù)器通過數(shù)據(jù)交互器后與云端物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行連接，與數(shù)據(jù)庫用戶、電子郵件用戶、FTP用戶、流化媒體用戶和Web用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交互。云存儲系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲于不同的服務(wù)器上，采用冗余化硬件設(shè)置，如遇故障可實(shí)現(xiàn)自動切換，極具可靠性；采取并行擴(kuò)容的架構(gòu)，容量擴(kuò)展幾乎不受限制；采用虛擬云存儲，用戶幾乎所有的軟件和數(shù)據(jù)都可以存入信息中心進(jìn)行集中維護(hù)[8]。

4 灌漿施工數(shù)據(jù)深度分析系統(tǒng)

4.1 深度分析系統(tǒng)介紹

灌漿施工數(shù)據(jù)深度分析系統(tǒng)可自動提取灌漿模型底板數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)整編機(jī)制對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分類，實(shí)現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)源的有效分析和空間耦合[4]，深化研究不同模型的建模方法和理論分析，利用數(shù)字化專業(yè)賦能模型，實(shí)現(xiàn)灌漿數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)實(shí)時監(jiān)控與灌漿統(tǒng)一模型理論和方法，采用數(shù)據(jù)整編清洗技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)以及基于B/S結(jié)構(gòu)的灌漿施工實(shí)時監(jiān)控與三維可視化模型分析技術(shù)，為各階段的工程管理提供控制分析平臺。

結(jié)合灌漿數(shù)字化專業(yè)賦能模型與動態(tài)監(jiān)控技術(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的信息采集與動態(tài)整編體系。通過時空耦合數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)體裂隙模型和灌漿孔壓水試驗(yàn)?zāi)Ｐ停u估灌漿孔的地質(zhì)條件，進(jìn)行可灌性預(yù)測，提出多源異構(gòu)地質(zhì)體信息預(yù)報(bào)分析、灌漿工程巖體抬動全局控制分析、灌漿施工三維可視化分析、灌漿工程復(fù)雜巖體可灌性評價(jià)及單位注灰量預(yù)測分析，并將預(yù)測、分析、評價(jià)指標(biāo)融入灌漿施工組織管理和工藝設(shè)計(jì)中，以達(dá)到灌漿工程的最終質(zhì)量控制[4]。

采用數(shù)形結(jié)合的分析理論，設(shè)計(jì)專用數(shù)學(xué)模型，利用耦合算子演示不同工作面灌漿數(shù)據(jù)模型的三維空間耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范要求形成標(biāo)準(zhǔn)化海量數(shù)據(jù)庫，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析機(jī)制，以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)建立三維統(tǒng)一表達(dá)模式，實(shí)現(xiàn)對各類模型時空關(guān)系的有效判斷和對實(shí)際灌漿工程的有益分析[1]。

4.2 灌漿過程數(shù)值模擬

考慮流固耦合效應(yīng)建立三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)裂隙巖體與漿液相互作用的精細(xì)化數(shù)值模擬[9]。灌漿過程數(shù)值模擬包含對裂隙巖體結(jié)構(gòu)的刻畫和表達(dá)，以及對漿液在裂隙中運(yùn)移過程的描述兩大部分內(nèi)容。通過數(shù)值模擬建立灌漿漿液擴(kuò)散模型，計(jì)算灌漿過程中擴(kuò)散半徑、注灰量和灌漿時間等指標(biāo)，為灌漿設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

一般來說，工程壩基巖體的內(nèi)部裂隙分布復(fù)雜且數(shù)量龐大，難以采用確定性模型來定性每一條裂隙的準(zhǔn)確位置和產(chǎn)狀。大量工程實(shí)踐表明，裂隙具有較好的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律[10]。因此，可根據(jù)現(xiàn)場巖體揭露和鉆孔電視顯示的裂隙信息，對壩基巖體裂隙參數(shù)（產(chǎn)狀、粗糙度、張開度、大小、充填狀態(tài)、貫通性等）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Monte Carlo方法對裂隙的具體參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)模擬并實(shí)現(xiàn)可視化，在三維統(tǒng)一模型的基礎(chǔ)上建立三維裂隙可視化網(wǎng)絡(luò)模型（見圖3）。

依據(jù)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果，首先實(shí)現(xiàn)水在裂隙網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移過程的模擬。如果裂隙網(wǎng)絡(luò)所包裹的巖石本身的滲透性強(qiáng)，還需要考慮巖石本身的滲透性，進(jìn)行雙重介質(zhì)分析。對包含復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的雙重介質(zhì)，采用自行研發(fā)的基于獨(dú)立覆蓋的數(shù)值流形法分析程序進(jìn)行滲流場模擬分析（見圖4）。

在水運(yùn)移過程模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮灌漿孔與裂隙網(wǎng)絡(luò)的穿插關(guān)系，以及漿液材料構(gòu)成、水灰比、顆粒大小、粘度、屈服強(qiáng)度、析水率和凝結(jié)時間等漿液流變特性，基于牛頓流體和賓漢姆流體建立漿液在裂隙中的擴(kuò)散模型，同時反映裂隙巖體中漿-水的相互作用過程[11]（見圖5）。采用三維離散單元法、復(fù)合單元法或雙重介質(zhì)模型等數(shù)值方法研究漿液流量和隙寬變形與灌漿壓力、裂隙傾角、隙寬、靜水壓力、漿液粘度、漿液密度以及漿液屈服強(qiáng)度等影響因素的關(guān)系。在三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，模擬漿液灌注過程，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過與灌漿試驗(yàn)及灌漿孔施工資料進(jìn)行對比分析，調(diào)整優(yōu)化三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，并對采用的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以評價(jià)模型的可靠性[12]。最后，采用優(yōu)化后的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算灌漿過程中擴(kuò)散半徑、注灰量和灌漿時間等指標(biāo)。

5 結(jié)語

對灌漿施工自主通信網(wǎng)絡(luò)搭建與數(shù)據(jù)采集、灌漿智能監(jiān)測數(shù)據(jù)云存儲、灌漿施工數(shù)據(jù)深度分析及灌漿過程數(shù)值模擬技術(shù)路徑進(jìn)行了分析，可以得到如下的結(jié)論。

（1）針對施工廊道、洞室等“信息孤島”，搭建灌漿施工自主通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集平臺，將數(shù)據(jù)引至信號覆蓋的部位進(jìn)行集中上傳，消滅監(jiān)管盲區(qū)。

（2）通過云存儲技術(shù)對灌漿監(jiān)測系統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)異常狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并通過云存儲大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、可視化。

（3）建立三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行灌漿過程的精細(xì)化數(shù)值模擬，可為灌漿設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

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Cloud Storage and Depth Analysis System of Intelligent Monitoring Data for the Whole Process of Grouting Construction

ZHANG Fan1，ZHAN Chengyuan2，LIN Yuqiang2，ZHANG Yihu2，GUO Liang2

（1. Henan Xinhua Wuyue Pumped Storage Power Generation Co.，Ltd.，Xinyang 465400，China；2. Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：As a most crucial anti-seepage means in the construction of water conservancy projects，grouting construction has a great impact on the quality of projects. We propose cloud storage and depth analysis system for intelligent monitoring data in the whole process of grouting construction. The system collects the digital signal data of multiple grouting recorders on site in real time and sends them to the storage server by using ad hoc short-distance wireless network transmission technology in association with GPRS/WIFI/5G and other wireless transmission modes. By using this system，we could build an internet of things for grouting construction，and store the real-time grouting data in the cloud. Moreover，by using the technology of “big data，IOT，cloud，mobile internet，and AI”，the grouting data can be percepted and the paper files printed in the grouting process can be digitized，standardized and visualized in the cloud. We can also use this sytem to support the decision-making of grouting construction management through deep analysis，comparison and prediction of grouting data.

Key words：grouting monitoring；cloud storage；depth analysis；quality evaluation；numerical simulation