倪仕文，彭卫平，王 蝉，史宏波，郝耘庆，田刚卫

(1.武汉大学流体机械与动力工程装备技术湖北省重点实验室，湖北武汉430072；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710000；3.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西西安710000)

0 引 言

土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝填筑碾压施工质量，直接影响大坝的运行安全。在土石坝施工过中，每个施工仓面的碾压遍数、碾压速度、压实厚度、和激振力等是影响碾压施工质量的重要因素。碾压施工质量的监控就是对上述碾压参数的监控。但是，传统方法仅仅是单纯的依靠监理和现场施工人员来实现对上述参数的控制，误差大、效率低。因此，开发具有实时、高效、高精度等特点的土石坝碾压施工质量自动远程实时监控技术具有十分重要的意义。

图1 碾压质量实时监控系统总体方案

目前，国内外针对土石坝碾压施工质量实时监控的研究还相对较少。在国外相关研究主要集中在道路碾压质量实时监控方面[1]。Oloufa等[2，3]基于全球定位技术开发了针对沥青路面材料的压实质量自动监测系统；Hossain等[5]将智能压实控制(Intelligent Compaction Control， ICC)技术应用于堪萨斯高速公路路基的施工项目中；Qinwu Xu等[6]对智能道路施工的自适应质量控制和对路面材料密度的接受度进行了研究。但是土石坝的施工质量参数以及施工工艺和道路施工有所差异，现有的技术不能完全适用于土石坝的碾压质量实时监控。国内刘经南、黄声享等[7，8]针对混凝土面板堆石坝施工特点， 开发的面板堆石坝填筑质量的 GPS实时监控系统；钟登华、崔博等[9- 11]针对高心墙堆石坝固有施工特点研发出心墙堆石坝填筑碾压施工质量实时监控系统；李洋洋等[12]对基于测量机器人的碾压质量监控系统数据处理进行了研究。本文基于现有的研究成果和经验，结合新技术深入研究土石坝填筑碾压施工质量实时监控系统技术以及工程应用问题。

1 土石坝填筑碾压施工质量实时监控系统设计

1.1 功能规划

系统以坝面碾压施工设备为监控对象，监控对大坝填筑碾压质量有影响的碾压质量过程参数，从而确保工程建设质量始终处于受控状态。系统主要实现如下功能：

(1)实时动态监测和可视化显示仓面碾压机械运行轨迹、速度、振动状态。

(2)实时自动计算和可视化显示仓面任意位置处的碾压遍数、压实厚度、压实后高程。

(3)当碾压机械运行速度、振动状态、碾压遍数和压实厚度等过程参数不达标时，系统自动弹出报警信息显示不达标的原因和具体内容等，并在现场分控中心PC监控终端上实时显示以及将报警信息采用屏幕显示和语音播报的方式同时提醒和告知驾驶员，同时把该报警信息存入施工异常数据库备查。

(4)在每仓施工结束后，输出碾压质量图形报表，包括碾压轨迹图、碾压遍数图、压实厚度图和压实后高程图等，作为仓面质量验收的参考材料。

1.2 系统总体方案

土石坝填筑碾压质量实时监控系统由碾压机移动站、定位基准站、3G无线通讯数据链路、总控中心及现场分控站等组成，系统总体方案如图1所示。基准站和移动站实物如图2所示，其中移动站由碾压设备上的高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机、数据传输单元(DTU)、振动状态监测设备、报警装置等组成。

GPS基准站的主要设备包括GNSS 接收机、数据传输单元(DTU)和供电电源等，是整个监测定位系统的“位置标准”。总控中心由服务器系统、通信系统、安全备份系统等组成，是碾压质量实时监控系统的核心。现场分控站设置在大坝施工现场或附近值班房，通常24 h常驻监理，应用系统对施工过程进行监控，并针对质量偏差情况向现场管理人员发出纠偏指令。其具体监控方法如下：

(1)碾压机机载GNSS定位设备与激振力监测设备以1 Hz对碾压机进行三维空间定位与振动状态监测，并通过3 G网络将监测数据无线发送至数据库服务器中。

(2)根据预先设定的控制标准， 服务器端的应用程序实时分析判断碾压机的行车速度、激振力输出是否超标， 并通过驾驶室报警器发出相应警报。

(3)根据定位数据实时动态绘制碾压机的行进轨迹，根据碾压轨迹自动计算碾压遍数，并在位于监控中心客户端坝面施工数字地图上实时显示仓面任意位置的碾压遍数；根据上下两碾压层高程监测值，动态计算各碾压层的压实厚度，实时绘制碾压高程与压实厚度分布图形。

(4)通过监控客户端与监控成果图形报告显示漏碾、超厚区域，指导相关人员做出现场反馈与控制措施。

2 关键技术

2.1 碾压数据实时采集和传输技术

实现碾压过程信息的实时采集和传输是整个监控系统的基础。在施工过程中需要对碾压设备的动态三维位置坐标、定位时间以及激荡力输出状态，进行精确稳定的采集和传输。采用自主设计研发的碾压信息实时采集和传输装置，具体采集和传输的方法如下：

(1)固定的GPS基准站和安装在碾压设备上的移动站按照一定的时间间隔同时接收来自GPS卫星发射的无线电信号，然后基站将接收到的定位信息利用无线传输单元(Data Transfer unit， DTU)和NtripCaster将差分数据传输到GPS移动站，并通过提前设置好的差分程序利用载波相位差技术(Real-time kinematic， RTK)对定位信息进行计算和修正，从而使定位精度达到厘米级。同时， 碾压设备上的激振力监测单元实时获取碾压机械的激振力输出状态，通过单片机把高低电平的模拟信号识别为数字信号。最后通过移动站上的DTU采用TCP/IP网络传输协议将定位信息和振动状态传输到数据库，服务器上的应用程序实时获取数据之后，即可对数据进行运算和处理，绘制碾压轨迹线， 计算行车速度、碾压遍数、压实厚度、压实高程等压实参数， 用于碾压质量的实时控制。

(2)DTU采用的是一种应用层协议Ntrip协议来代替传统的电台传输或者“直接的”GSM/CDMA 通讯。Ntrip是在互联网上进行RTK数据传输的协议，所有的 RTK数据格式(NCT、RTCM、CMR、CMR+等)都能被传输。Ntrip系统组成如图3所示，其主要由 NtripServer(RTK参考站)、NtripCaster(处理数据流)和NtripClient(RTK流动站)3个部分组成，且具有无范围限制、数据安全、容易共享参考站等优点。

图3 Ntrip系统组成

2.2 碾压轨迹、遍数实时显示算法

将GNSS天线安装在碾压机的车顶中心位置，然后将GPS的经纬度以及高程转化为相应的工程坐标，碾压轨迹和区域是由每间隔1 s碾压机的位置以及碾压机的滚轮宽形成的多边形组成，以像素为单位基于GDI+(Graphics Device Interface plus)在显示器上绘制出代表碾压区域的多边形，为了计算碾压遍数，将仓面划分网格(网格大小决定计算的精度，本文以单个像素点为一个网格)，碾压遍数计算示意如图4所示。

图4 碾压遍数计算

图4中A、B2个区域分别为2个时间间隔内的碾压区域；多边形abcdefg为2个时间间隔内的碾压区域。创建一个代表不同碾压遍数的颜色库，然后对碾压区域内的每一个网格的中心点(即每一个像素点)进行实时判别是否处于该区域。若在该区域，则该网格Rij(i=1， 2， …，m；j=1， 2， …，n)增加碾压遍数1次。

2.3 碾压速度计算

通过转化后的坐标和相应的时间信息，可计算出碾压机某个时刻的行走速度。设某碾压机相邻时刻ti与ti+1的定位坐标分别为Pi(xi，yi，zi)和Pi+1(xi+1，yi+1，zi+1)，则两点间碾压机行走速度v为

(1)

式中，Δt=ti+1-ti。考虑到时间间隔过短可能出现瞬间的速度剧烈变化，本文对其进行平滑处理，取某时刻前5 s内的平均速度为其瞬时速度。

2.4 碾压厚度计算与显示

碾压厚度的计算首先根据施工仓面的大小将仓面划分为m×n个矩形区域，然后选取5个采样点，这5个点为该矩形区域内最后时刻的5个碾压坐标点。用当前5个采样点的平均高程减去起始高程从而得到该区域的平均碾压厚度，再将平均厚度显示在每个矩形区域上，并且对每个矩形块内的像素点根据平均碾压厚度的大小进行灰度赋值，仓面碾压厚度显示如图5所示。

图5 仓面碾压厚度计算

3 工程应用

甘泉县府村川水库均质土坝坝高35 m，坝顶宽7 m，最大底宽201.3 m，坝体最长433 m。使用Visual Studio开发工具和MySQL数据库，基于.net框架，并采用C/S结构，利用上文提出的方法和技术，研究开发了土石坝填筑碾压施工质量实时监控系统。如图6所示为该监控系统客户端软件的实时监控界面，实现了对碾压机碾压速度、碾压高程、碾压状态、碾压轨迹和碾压遍数等的远程实时监控。通过该系统的应用大大提高了府村川水库碾压质量监控的精准性和实时性。

图6 土石坝填筑碾压质量实时监控界面

4 结 语

本文针对土石坝填筑碾压的施工特点，研发出了一套具有实时、高效、高精度等特点的土石坝碾压施工质量自动远程实时监控系统。本系统实现了对土石坝坝体碾压施工质量全天候、自动、实时、远程监控，确保了土石坝的施工质量；数据信息采用基于NTRIP协议和TCP/IP协议无线传输技术，数据稳定不易丢包，延迟低，不受移动站数量和距离的限制；驾驶员可以实时准确的得知仓面的具体碾压情况，取代传统的人工控制，节约人力成本，降低人为误差，提高施工效率。随着现代施工技术信息化和智能化的高速发展，本系统和技术在未来的水利水电工程建设中将会具有十分广阔的应用前景。