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为实现大坝填筑碾压施工过程的精细化管理，保证大坝施工质量，提高工程建设管理水平，通过建设一套综合运用工程技术、网络信息技术、物联网技术、北斗/GPS定位技术、大数据技术、云技术等多方面技术的“大坝碾压智能监控系统”。

结合现场实际的施工管理体系，通过大坝碾压智能监控系统的建设和应用，实现坝体填筑施工过程中“采、运、卸、平、压”等工序的安全控制、质量控制、进度控制，实时监控上坝料运料车辆的装卸料点、运输线路、运行速度、运行轨迹、加水情况，碾压机械的碾压轨迹、碾压遍数、碾压速度、摊铺厚度、压实厚度、振动状态等关键指标，建立质量动态实时控制及预警机制，使大坝填筑施工过程始终处于系统的监控状态，实现施工在线实时监测和反馈控制[1]，实现对面板堆石坝填筑施工进行远程、移动、高效、及时、便捷的管理与控制，实时指导施工，有效控制工程建设过程，提高管理水平与效率，同时为大坝运行的安全与可靠提供重要的技术保证和数据支持。

1 研究内容

研究深度应用工程技术、网络信息、数据传感技术（物联网）、北斗/GPS卫星定位技术、手持式数据采集技术、数据库技术等多方面技术，开发大坝碾压智能监控系统。大坝填筑碾压质量控制是填筑碾压施工质量控制的重要环节，直接关系到大坝的安全和质量。为实现大坝填筑碾压施工过程的精细化管理，保证大坝施工质量，提高工程建设管理水平，同时为大坝运行的安全与可靠提供重要的技术保证和数据支持，进一步完善水利建设工程信息化模块。而“大坝碾压智能监控系统”就是专业为大坝填筑施工过程质量控制服务的，系统主要采用工程技术、网络信息、数据传感技术（物联网）、北斗/GPS卫星定位技术、GIS技术、手持式数据采集技术、数据库技术，实现对仓面碾压设备的碾压轨迹、遍数、速度、激振力和碾压高程等相关质量要点的实时精准控制。

系统主要包含总控中心、现场分控站、碾压移动站、北斗/GPS差分基准站四个部分。

碾压移动站采集各种相关数据、北斗/GPS差分基准站辅助碾压移动站进行位置纠偏，同时碾压移动站通过4G网络将采集到的数据回传到总控中心进行分析处理，现场分控站保证与总控中心实时的通讯，实时从总控中心接收施工相关分析数据和下发的施工指示，反馈指导现场施工，为大坝填筑碾压全过程实现智能化管控平台。

2 整体设计原则

在系统建设实施过程中，将遵循以下几个原则。

遵从性原则：系统概要设计遵从国家电网公司信息化SG-EA（国家电网公司信息化架构框架）架构设计，在其整体技术路线及技术架构的基础上，结合科技管理业务需求进行细化和扩充。

规范性原则：按照新源公司信息化建设整体规划，在能力视图、功能视图、数据视图、组件视图、集成视图、部署视图、安全视图等各方面严格按照国家电网公司相关的设计规范进行设计。

易用性：将大坝碾压智能监控系统功能向参建单位延伸，以便于参建各方能将建设期的各种管理业务数据便捷及时的接入系统，为保障系统顺利应用，在功能设计上应充分保障功能操作的简便和可用性。

安全性：系统总体技术路线和信息安全防护符合信息化“SG-ERP”和智能电网信息安全防护相关技术要求。

3 系统研究的意义

全面实现碾压施工过程关键技术指标的自动化采集与分析计算，保证施工数据的完整性、及时性与真实性；建立现场质量管理循环，及时发现施工过程中不达标之处，促进快速调整与改进；屏蔽人为因素、天气因素的干扰，夜间施工、不利天气情况下的施工同样可以保证施工质量；所有施工过程的关键记录全部通过系统完成，节约竣工资料整理工作量，提供数据的快速查阅功能，保证施工过程的可回溯性；支持权限范围内，数据的实时共享与分发，帮助工程参加各方快速获取需要的资料，支持异地办公与远程办公的需要；通过有效的过程质量控制，保证结构物的整体施工质量，保证结构物的安全性与耐久性。

4 整体技术路线

大坝碾压智能监控系统技术架构采用分层设计，架构柔性的技术平台，以便应对未来可能的多变的业务需求和功能需求。整个架构分为基础支持运行环境层、数据层、逻辑控制层、界面控制层、客户层五部分组成。

基础支持运行环境层是保证系统稳定运行的硬件和软件。数据层是内部系统数据的集合，为本系统提供数据支撑。逻辑控制层主要负责系统日常操作的算法和应用逻辑。界面控制层是用户直接面对的可视化操作界面，是系统执行各种操作的来源和依据。客户层是承载用户界面、部分软件和硬件的基础。

大坝碾压智能监控系统由硬件系统与软件系统两部分组成。硬件系统包含：北斗基准站、北斗高精度移动站、加速度传感与采集器、工业平板、无线网络等组成，软件系统包含：监控（中心）服务、车载终端系统、监控工作站以及碾压监控系统等。

北斗基准站安装在大坝施工现场，要求附近开阔无电磁干扰，具有良好卫星观察条件和无线电传送条件，主要由北斗主机、北斗双频接收天线、无线电台以及天线组成。采用差分北斗技术，将北斗差分数据实时传递给移动碾压采集单元，对移动碾压单元所采集的北斗观察数据进行修正，将碾压车空间位置信息的精确度提高到厘米级，确保监测的精准性。

北斗高精度移动站安装在大坝碾压车上，主要由北斗主机、北斗双频接收天线、北斗差分接收天线、GNSS模块儿以及工业平板计算机组成，移动站主要通过实时采集碾压车的位置、速度和时间等信息，负责实时指导碾压工作人员的操作现场操作，同时将实时碾压信息发送回云中心保存，监测人员通过PC、App、Pad等方式进行实时查看[2]。

软件系统主要用于权限划分、工艺管理、监测层级及区域添加、开关仓、实时监控、压实回放及质量报告等功能，为现场碾压工作区域质量检查提供依据。

5 关键技术应用

5.1 基于TD-LTE/FDD-LTE的碾压监控无线网络自动切换结构设计

整个大坝碾压施工监控平台建构的通信基础是无线网络。现场碾压施工通常是24h不间断施工，施工碾压信号的传输压力较大（北斗的数据采集率为1s），为达到数据传输的稳定性，应用通信速度快、网络频谱宽、智能性高、兼容性好的全频段自由切换网络。北斗高精度定位主机适用于TDLTE/FDD-LTE网络的自由切换，适用于施工现场因不同网络信号强度的网络环境。因此，TD-LTE/FDD-LTE无线网络通讯肯定能够满足碾压监控系统数据传输的实时性和连续性要求。

5.2 北斗/GIS集成模式的选择

北斗/GIS集成模式的选择是构建大坝碾压智能监控系统的关键。对于大坝碾压智能监控系统，车载端的北斗的硬件数据采集模块，主要是对北斗接收机的控制和提取北斗数据等常用功能的串口操作函数以及应用程序接口的API的函数形式提供给系统高级开发平台来调用。综合分析功能则利用GIS工具软件生产厂家提供的GIS控件，直接将其嵌入系统高级平台。常用的高级软件开发工具，尤其是可视化开发工具对二者进行集成，这种集成开发模式，既可以充分利用GIS工具软件在空间数据库管理和强大的空间分析功能，又可以借助具有高效方便等编程优点的可视化开发语言，有效地提高应用系统的开发频率，所开发出来的应用程序具有可靠性好易于移植及便于维护等优点。

5.3 移动碾压采集单元设计

移动碾压采集单元主要是负责实施采集大坝碾压全过程的位置信息，它的核心组成部分是北斗双频主板和工控电脑平板。北斗双频主板同外接电台输入端相连，用于接收接收北斗基准站发送的载波相位差分信号，实现电台差分输入，已达到厘米级（1-2cm）的位置精确定位，为碾压位置的精准度提供保证。车载工控平板支持android8.1系统、标准USB接口、docking充电底座扩展、NFC（13.56M）、GPS导航、一维码/二维码扫描并满足三防IP67防护等级，满足因大坝施工振幅大、天气异常等不确定因素造成设备稳定性，为碾压车操作人员提供了清晰的碾压完成情况展示及指引，避免了碾压施工中的漏碾情况，为大坝碾压质量提供了保证。

6 同类技术比较

6.1 传统电台及普通GSM通讯

传统的电台或者普通的GSM通讯方式在传输速率、误码率以及投入费用等方面具有较强的局限性，TD-LTE/FDD-LTE网络适用于突发性、频繁的、高速率的数据传输，并支持按数据流量来进行计费和并发语音通话，通过云服务器把数据传送到系统监控端及数据库中，进而通过数字化碾压监测系统进行质量管理和数据分析。

6.2 传统主机及工业平板的应用

传统的碾压监控设备主机只作为定位及数据采集，需要将数据发送到工业平板进行计算后再发送至服务器，并且主机不支持本地储存导致异常数据丢失。该系统现场采用的北斗高精度定位主机可支持数据采集、计算、发送、接收及储存，解决了因工业平板故障时数据无法计算及发送的问题，保证了数据的完整性。同时工业平板与高精度主机相互独立，在保证网络异常情况下的数据储存，网络恢复后的自动上传，为现场的质量控制提供保证。

7 系统架构

系统架构从逻辑上划分为三层：表示层、应用层和数据层，其中数据层又包括数据采集层与数据传输层。

第一层，表示层：包括客户端（浏览器）、监控终端（总控中心、现场分控站）、移动终端、碾压机上的监控终端。为用户提供交互式操作的可视化界面，实现多层次管理部门的功能操作。

第二层，业务逻辑层：业务逻辑实现层接收来自表现层的功能请求，完成信息数据加工、处理、控制及发布，是系统的核心部分。由5大功能模块有机构成，建立起以中心数据库为基础，以碾压质量实时监控为核心的功能模块体系。同时与其他系统通过数据接口保持数据交换与共享。

第三层，数据层：通过各种信息采集设备、信息传输设备完成信息的采集、传输及管理，实现对施工现场信息的实时获取。

8 系统综合应用

通过大坝碾压智能监控系统应用对大坝碾压施工机械进行实时监控，包括运行轨迹、速度、遍数、动碾/静碾状态等关键指标数据，系统支持全过程实时查看现场碾压设备数据且对历史数据回放查看，通过在驾驶室安装实时展示平板，指引司机规范碾压，解决漏碾、超速等问题，提高工作效率和质量。同时系统支持自动生成单元成果分析报告，一方面可以辅助试验检测人员针对薄弱区进行抽样检测，另一方面可以辅助质量验评人员进行单元质量评定。针对施工中不同人员使用归类如下。

碾压车驾驶员：驾驶室安装碾压过程监控终端，使驾驶员形象直观的掌握自身驾驶作业情况，驾驶员可根据终端指示调整碾压作业，如未按设定标准碾压施工时，触发声光报警器并发送报警信息至分控中心由监理、施工现场管理人员处理。

施工单位人员：施工现场建设现场分控中心，质检人员通过系统创建施工单元监测区域，经与监理确认后开仓进行碾压监测，实时掌握施工单元碾压进度，最终以施工单元碾压监测报告为辅助依据，协调监理、实验室做单元验收。

现场监理人员：在现场分控中心，旁站监理人员在分控中心通过监控大屏实时掌握现场施工情况，通过系统对旁站指标统计分析，解决一人监控多车并无需现场实时旁站工作，当现场违规操作或出现报警时，旁站人员可通过手机（平板）终端查看推送信息进行现场处理，最终通过单元工程质量报告直观展示各项指标情况。

业主单位人员：在业主营地建设总控中心，业主相关人员可对上下库大坝碾压过程、进度、报警及处理情况、施工单元质量统计分析情况进行查看。

9 系统应用前景

针对抽水蓄能电站填筑坝碾压监控区域种类多的特点，应用大坝碾压智能监控系统全面实现碾压施工过程关键技术指标的自动化采集与分析计算，保证施工数据的完整性、及时性与真实性，建立现场质量管理的PDCA循环，及时发现施工过程中不达标之处，促进快速调整与改进。屏蔽人为因素、天气因素的干扰，夜间施工、不利天气情况下的施工同样可以保证施工质量，所有施工过程的关键记录全部通过系统完成，节约竣工资料整理工作量，提供数据的快速查阅功能，保证施工过程的可回溯性，系统支持权限范围内，数据的实时共享与分发，帮助工程参加各方快速获取需要的资料，支持异地办公与远程办公的需要，通过有效的过程质量控制，保证大坝的整体施工质量，以及大坝的安全性与耐久性。

通过大坝碾压智能监控系统在抽水蓄能电站面板堆石坝填筑施工中的应用，有效掌控了填筑施工进度，实现对大坝建设质量的快速反应，有效提升电站工程建设管理水平，实现工程建设的创新化管理，为打造优质精品工程提供强有力的技术保障，同时提高了施工效率节约了面板堆石坝填筑工期，为早日发电缓解用电高峰电力紧张作出贡献，具有良好的社会效益[2]。

综上，通过于大坝碾压智能监控系统可持续、动态、高精度地追踪测读碾压机械的运行轨迹、遍数、速度、激振力和碾压高程等数据信息，监控机械的运行状态，能够有效分析压实合格率及压实薄弱区域，并在大坝施工二维数字地图上可视化显示，二维数字地图中会标识出施工作业面中各部分碾压遍数、欠碾漏碾区域、速度、激振力等关键指标信息，为施工质量的过程控制和验收评定提供依据[3]。