羅 熠，張劍飛，胡俊義

（1.長江科學院儀器及自動化所，湖北 武漢 430010；2.四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100）

0 引言

水電工程灌漿過程中，灌漿壓力過大，會給巖層或者建筑物的結(jié)構(gòu)造成破壞性的影響；而壓力過小通常會使灌漿達不到想要的效果。同時為了對工程的工作量和資源進行有效的控制，必須使用灌漿記錄儀來記錄、顯示和打印灌漿過程的壓力、流量、比重、抬動等信息。

由于在灌漿施工過程中傳統(tǒng)灌漿記錄儀工作點相對孤立、分散，而且在一個施工面之中往往有多臺灌漿記錄儀同時運行。因此當設備出現(xiàn)異常情況時，工作人員通常不易立即察覺，處理異常事件的效率不高，在一定程度上影響了工程的進度。這就迫切需要可靠、集中的監(jiān)測系統(tǒng)對灌漿過程進行實時監(jiān)控，以提高施工效率，方便管理。

無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測技術(shù)在檢測準確度和監(jiān)測靈活等方面都具有很大的優(yōu)勢，它具有靈活、流動等優(yōu)點，省去了花在綜合布線上的費用和精力。通過自適應的組網(wǎng)和無線通信技術(shù)，使得所有灌漿記錄儀之間通過分布式協(xié)作實現(xiàn)統(tǒng)計采樣、數(shù)據(jù)融合、查詢式監(jiān)控、短信預警和動態(tài)功能升級等先進的監(jiān)控功能。

1 無線監(jiān)測系統(tǒng)的原理與特點

無線監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)水電站灌漿施工現(xiàn)場的實際情況設計的一套完整的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，主要由3部分構(gòu)成：GJY-7型記錄儀作為數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端，主要負責控制命令傳送和數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和無線路由器作為現(xiàn)場控制中心主要負責從1個或者多個記錄儀上進行數(shù)據(jù)收集并緩存；中央服務器作為遠程控制中心通過GPRS網(wǎng)絡與各個現(xiàn)場控制中心建立通訊。

1.1 基本原理

無線監(jiān)測系統(tǒng)充分運用了網(wǎng)絡通信技術(shù)、電子測量技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、全觸摸屏技術(shù)、遠程控制及自動化技術(shù)等高新技術(shù)手段，以 《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》、 《灌漿記錄儀技術(shù)導則》為理論指導，對灌漿過程進行監(jiān)測與反饋處理。以中央服務器和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器為核心，以無線路由器為骨干單元，以施工面內(nèi)每臺GJY-7型無線網(wǎng)絡灌漿自動記錄儀為數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端，通過特定的通信模式自組織為無線網(wǎng)絡，覆蓋整個施工面。

在帷幕灌漿廊道中，無線監(jiān)測系統(tǒng)具體設置如下：GJY-7型灌漿記錄儀內(nèi)的終端節(jié)點模塊設置為網(wǎng)絡端點，它是數(shù)據(jù)的形成和發(fā)送者；無線路由節(jié)點模塊設置為無線路由器，它的主要作用是從每個網(wǎng)絡端點接收數(shù)據(jù)，繼而向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，增加無線路由器的個數(shù)，即可擴大無線網(wǎng)絡覆蓋范圍；無線通信協(xié)調(diào)者節(jié)點模塊被設置為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，它是無線網(wǎng)絡的啟動者和維護者；GPRS模塊設置為信號發(fā)射器，將網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)（或3G網(wǎng)）上傳中央服務器上。用戶登陸中央服務器即可進行遠程監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)特點

無線監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：

（1）通信頻段高，抗通信干擾能力強，點對點直線無障礙條件下的理想通信距離可達1 000 m。

（2）以多跳路由模式傳輸數(shù)據(jù)，使無線傳感器網(wǎng)絡的覆蓋面大大增加，將數(shù)據(jù)通信的可靠性提升到新量級。

（3）網(wǎng)絡節(jié)點255個，通過無線網(wǎng)關(guān)可以擴展到6 500多個節(jié)點。

（4）節(jié)點具備隨機自動組網(wǎng)以及加入、退出網(wǎng)絡功能，完全滿足灌漿記錄儀應用環(huán)境的需要。

（5）無需建立無線通信機站，沒有通信費用，在任何施工廊道內(nèi)無通信死區(qū)。

（6）用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)上登陸在線管理系統(tǒng)，實時監(jiān)視灌漿過程數(shù)據(jù)，并進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

（7）對于不同層級的用戶，系統(tǒng)可以根據(jù)各方面不同的職責設置不同的用戶權(quán)限，對服務器上的數(shù)據(jù)實施不同程度的管理。

（8）具有最新的手機短信異常預警功能。

2 實際應用

四川省大渡河流域瀘定水電站壩址區(qū)河谷覆蓋層深厚，層次結(jié)構(gòu)復雜，一般為120～130 m，最大厚度148.6 m。土體多具中等強透水性，存在滲漏及抗?jié)B穩(wěn)定性問題。因為在較開闊的河谷、高地震烈度區(qū)、深厚不均勻覆蓋層上建造高土石壩的復雜性，壩基防滲處理成為大壩工程設防的重點和難點，且大部分灌漿孔段深度超過百米級對灌漿壓力的控制要求較高。瀘定水電站在壩基河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿施工過程中，采用了長江科學院儀器所自主研發(fā)的基于GJY-7型網(wǎng)絡灌漿自動記錄儀的無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進行互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測，具備最新的手機短信異常預警功能，為業(yè)主、監(jiān)理和施工方對灌漿過程的監(jiān)管提供了有效手段，是確保大壩帷幕灌漿質(zhì)量的可靠保證之一。

2.1 帷幕灌漿廊道無線組網(wǎng)

河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿廊道水平段長約500 m，斜坡段長約200 m，交通洞長約300 m。設置GJY-7型一拖二無線網(wǎng)絡灌漿記錄儀主設備工作點12個，流量傳感器48套、比重傳感器和壓力傳感器各24套。在距襯砌廊道口70 m處裝設了1個無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)節(jié)點模塊，之后每間隔200 m裝置1個無線路由節(jié)點模塊 （共2個），在交通洞洞口裝設1個GPRS無線發(fā)射節(jié)點模塊。自2010年12月底組網(wǎng)成功之后，一直運行正常。所有無線模塊的電源均來自廊道內(nèi)部的220 V交流照明電路，模塊具備超低功耗的特點，且散熱功能強大，還含有備用電源線路，可保持至少1年內(nèi)不間斷使用。

2.2 針對瀘定水電站特殊情況的功能升級

在壩基帷幕灌漿孔中，多數(shù)孔深達100 m以上。業(yè)主、監(jiān)理、施工對灌漿壓力控制高度重視，要求在灌漿過程中記錄儀能夠顯示全壓力便于控制，并且反應在打印報表中；要求打印報表表頭具備與瀘定水電站特點匹配的項目信息。在短時間內(nèi)，研發(fā)人員針對這兩點要求進行了軟件升級，取得了良好的效果。

由于瀘定縣電網(wǎng)穩(wěn)定性不理想，非計劃停電次數(shù)頻繁，電壓波動范圍較大，對此研發(fā)人員設置了掉電數(shù)據(jù)保護措施，來電后依然可以承接停電時數(shù)據(jù)繼續(xù)運行，傳統(tǒng)記錄儀由于停電時間很短導致數(shù)據(jù)丟失后掃孔重灌的情況被徹底避免；對于電源部分，專門設計了寬幅穩(wěn)壓電路。

2.3 灌漿網(wǎng)絡管理信息系統(tǒng)簡介

灌漿網(wǎng)絡管理信息系統(tǒng)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)編程技術(shù)，將灌漿施工過程中采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡收集、傳輸和入庫，進行統(tǒng)一、有效的管理， 建立b/s結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡體系，方便用戶可以隨時、隨地實時監(jiān)測工程灌漿施工的進度及質(zhì)量，為后方的決策支持提供數(shù)據(jù)和圖表支持。

主要功能介紹：①能夠?qū)崟r瀏覽、查詢現(xiàn)場灌漿施工數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場設備使用情況；②能夠查詢?nèi)我馐┕挝?、工程部位、設備號、灌漿孔號、段號，任意時間段的各類灌漿參數(shù)；③能夠生成灌漿施工記錄表、灌漿成果表、施工示意圖等灌漿規(guī)范要求的圖表；④提供短信預警功能，對灌漿施工過程中出現(xiàn)的參數(shù)異常將進行短信預警，第一時間了解現(xiàn)場各類異常情況。

2.4 應用效果

無線監(jiān)測系統(tǒng)使業(yè)主和監(jiān)理實現(xiàn)了一站式管理，大大節(jié)約了施工成本。用戶只需通過登陸互聯(lián)網(wǎng)上的遠程監(jiān)控中心網(wǎng)頁即可對施工過程實時監(jiān)控。當某臺記錄儀出現(xiàn)異常時，中央服務器會即刻發(fā)送預警簡訊到預先設定的手機號碼，這時監(jiān)管人員和專門技術(shù)人員立即進入施工廊道內(nèi)就能準確找到出現(xiàn)異常原因，并及時處理事故，使灌漿施工順利進行。

根據(jù)實際監(jiān)測效果來看，本系統(tǒng)故障率較低，異常現(xiàn)象較少，售后服務人員對異常的處理迅速，總體效果較好。

3 結(jié)語

本無線監(jiān)測系統(tǒng)憑借先進的綜合高新技術(shù)手段，結(jié)合灌漿過程監(jiān)測的實際需要，設計出能夠代表國內(nèi)先進水平的，具有信息化、圖形化、網(wǎng)絡化的無線網(wǎng)絡智能灌漿監(jiān)測平臺。系統(tǒng)在瀘定水電站大壩帷幕灌漿工程中的成功應用，預示著灌漿施工的管理將從分散的監(jiān)管模式，向互聯(lián)網(wǎng)在線同步集中管控模式邁進。

隨著3G網(wǎng)絡的成熟與實施，可以考慮將數(shù)據(jù)通信從GPRS上轉(zhuǎn)換成3G通信，從而得到更高的傳輸速率和帶寬，使系統(tǒng)的監(jiān)控能力得到進一步提高。

［1］ 羅熠，于軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡的灌漿參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.長江科學院院報， 2010（12）:87-90.

［2］ 杜小文.面向大壩安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡的設計［D］.大連：大連理工大學，2009.

［3］ 周宇.基于ARM的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)［D］.湘潭：湖南科技大學,2007.