数字化质量控制在抽水蓄能电站中的应用

数字化质量控制在抽水蓄能电站中的应用

刘彪

身份证号：610423198902082030

单位名称：中国水电建设集团十五工程局有限公司

一、工程概况

    镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河镇境内。电站距镇安县城74km，距西安市134km。为一等大（1）型工程，主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物（护坡、挡土墙等）按3级建筑物设计，临时性水工建筑物按4级建筑物设计。电站总装机容量1400MW（4×350MW），设计年发电量23.41亿kW•h，年抽水电量31.21亿kW•h。

下水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝址位于东阳村上游1.6km的月河干流上，大坝基岩为花岗闪长岩，坝顶高程949m，最大坝高95.00m，坝顶长302.34m，坝顶宽10.00m，坝顶上游设4.20m高的“L”型防浪墙，顶高程950.20m。校核洪水位947.50m，死水位910.00m，正常蓄水位945.00m，相应库容1220万m³。

二、数字化控制方法

填筑采用数字化（北斗）质量控制，对填筑面实时监控碾压机械的行驶速度、运行轨迹、碾压遍数及激振力等，全面实现碾压过程参数的连续、实时、自动、高精度监控。

2.1碾压质量监控系统

坝体填筑施工中，针对碾压工艺采用北斗全球定位系统进行实时监控和数据采集以保证填筑质量，填筑碾压采用数字化大坝（北斗）质量控制系统。

2.1.1监控系统操作流程

（1）碾压面边界测量

测量队及时对拟碾压施工的控制边界进行测量，测量时必须按逆时针或顺时针顺序跑点，并将测量数据大地坐标转换成工程坐标，碾压前1小时将测量数据（纸质版和电子版）提交给质量管理人员。

（2）《监控系统开碾压计划表》填写和提交

质量管理人员填写《监控系统碾压计划表》，然后提交给监理工程师。鉴于《计划表》内“监控区域边界控制点坐标”一栏数据较多，以及方便监理工程师准确输入，可以将碾压面边界控制点坐标测量数据电子版提交监理工程师。

（3）输入信息

监理工程师根据碾压计划表，向系统输入有关信息，进行碾压面设置和碾压面坐标输入，完成碾压面规划。

碾压面设置输入信息包括：碾压面名称、碾压标准、最大限速、设计铺料厚度、容许误差、碾压机械等方面内容。

输入坐标时，坐标点应按逆时针或顺时针顺序输入。如果碾压面中有由于修路或者埋设监测仪器等原因造成不能碾压的区域，在碾压前将不能碾压区域排除。不能碾压区域排除应通过系统“排除碾压区域”界面操作。

（4）碾压

振动碾进入碾压面，各项准备工作就绪后碾压。碾压面碾压开始，进入碾压面碾压监控。

2.2现场部署

通过在碾压设备上安装的北斗定位监测设备装置、工业显示装置、振动频率采集装置等，对碾压施工机械进行实时自动监控，监控对碾压质量有影响的相关数据。

通过在驾驶室安装的碾压过程监控终端，使驾驶员形象直观的掌握自身驾驶作业情况，如行车轨迹、错距等，指示漏碾、欠碾及区域，操作员可根据终端指示调整碾压作业。系统主要功能如下：

（1）实现填筑碾压设备的碾压运行轨迹、速度、激振力状态、碾压遍数等数据信息动态监测；

（2）实现填筑碾压遍数、压实厚度、压实后高程等信息自动计算和统计与实时可视化显示；

（3）碾压设备工作时，司机室内工业平板实时同步显示图形化轨迹与碾压覆盖区域，引导操作手进行碾压施工操作，避免漏碾或错碾；

（4）当运行速度、振动频率、碾压遍数等不达标时，系统会自动发送报警信息；

（5）单元碾压结束后，系统支持碾压单元成果分析报告的输出，输出内容包括碾压轨迹图、行车速度分布图、碾压遍数图（无振和有振）、压实后高程分布图等，作为质量验收的辅助材料；

（6）碾压过程回放设置。除了实时观测碾压的实际情况外，由于所有的数据都已经储存在数据库中，因此还可以对已经碾压的全过程实际情况进行回放，作为施工效果的评价依据。

2.3系统软件平台架构

填筑碾压质量实时监控系统作为针对碾压过程监控的软件，根据本监控平台的运行特点及功能需求，软件系统规划分为4个部分。分别是监控中心、监控工作站软件、集成于施工过程管理系统的碾压质量分析平台及车载终端软件。

监控中心服务程序是运行在施工现场监控中心的后台服务，负责接收前端硬件发送过来的数字信号，进行转换和初步处理后存储。

监控工作站运行在施工现场或后方营地监控室内的集中、实时监控程序，他通过与监控服务中心进行通讯，获取监控中心实时采集的信息，进行数据分析（运行轨迹、覆盖区域、运行速度）与动态显示、成果输出与报警。

碾压质量分析平台是与施工过程管理平台相结合的综合质量分析与成果发布平台，包括后台系统与前台系统，实现与监控中心的数据通讯，碾压过程的综合监控成果的动态分析，三维可视化查询、历史回溯与质量数据统计。

车载终端软件是一个在碾压司机室工业平板上的嵌入式程序，可实现司机登录、碾压任务下达、碾压轨迹、覆盖区域的实时跟踪显示，并提供施工引导与异常预警，辅助司机驾驶操控。

2.4系统特点

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，支持远程查询的需要。

通过有效的过程质量控制，保证大坝的整体施工质量，保证大坝的安全性与耐久性。

2.5基础信息管理

碾压施工单元是在填筑施工过程管理平台中对工程PBS结构统一管理的基础上，针对碾压施工的特点，对施工部位进行细化管理，以满足碾压施工质量监控的要求。碾压施工单元信息主要反映单元的高程信息（起高程、止高程）、时间信息（起始时间、停工时间）、碾压边界信息等，按照设计图纸进行碾压施工单元的定义。为了更加科学有效地分析碾压质量，系统还支持对碾压施工单元内部的埋件或仪器进行定位管理，在碾压质量分析、统计时将这些部位剔除。

质量控制参数管理，碾压施工质量控制参数是指用来指导或控制施工过程的相关技术与评价参数。包括不同的碾压施工规则，主要包括如下内容：

不同填筑料分区的设计碾压遍数，包括振动碾压、无振碾压遍数；

碾压设备的运行最大、最小速度，速度范围；

不同部位的压实度参数指标；

不同部位的碾压层厚要求，填筑料摊铺厚度、最终厚度及误差范围；

系统支持定义不同的施工规则，并针对具体的碾压施工单元引用不同的规则，作为现场碾压质量控制的基准。

碾压设备信息，碾压机信息管理主要是对碾压设备的基本信息进行管理，包括：

设备基本参数：机械类型、机械型号、编号、机械重量、碾轮质量、碾轮宽度、有效碾压宽度、标称速度范围、档位信息等；

设备监控参数：仪器编码、定位天线安装部位（横向、纵向偏移值、天线高度等）等。

2.6填筑料碾压过程实时监控

2.6.1填筑料碾压施工管理流程

填筑料碾压作业时，信息系统将通过安装在碾压机械上的北斗数据终端，实时连续采集碾压设备运行轨迹数据、高程数据、运行速度、碾压遍数、振动状态、激振力、振动频率等数据，并与系统设定参数进行比对，同时将比对信息回传至碾压设备工业平板予以显示，此时碾压设备操作司机可实时看到所操控设备运行状况，从而根据引导信息和比对信息进行轨迹、运行速度、振动状态等的控制。

当碾压设备运行参数超出设定参数范围时，信息中心将自动报警，并向操作司机及现场质控人员报警提示不达标的详细内容，另外监控端会弹出报警窗口，并以短信或信息推送的方式向手持式数据终端发送报警信息，以提醒相关人员对违规设备进行有效管理。之后若操作司机无调整修正，系统中心可通过语音系统向操作人员强制提醒。

2.6.2填筑料碾压过程实时监控

碾压过程实时监控通过对碾压设备进行实时自动监测，实现对填筑碾压施工质量关键参数的有效监控，确保工程建设质量始终处于受控状态。碾压实时监控过程包括如下内容及环节：

通过高精度北斗卫星定位终端设备实时采集自身定位数据，并将自身定位数据通过实时发送至监控中心；

通过振动加速度传感器及采集器实时采集碾压振动频率及反馈的谐波频率与幅度数据，并将采集的数据实时发送至监控中心；

监控中心获取现场实时发送的数据，并存储、分析，通过动态数据解析、转换、属性匹配，形成质量监控数据，并发送至监控终端；

监控终端收到监控中心反馈的实时数据，进行实时的展现，包括碾压轨迹展现、覆盖范围展现、设备运行状态展现及其他状态、信息展现；

监控中心还集成实时预报警平台，以碾压控制参数为依据，对现场的数据进行实时分析，出现异常时自动报警；

当碾压设备操作人员、施工人员和现场质控人员接收到系统发布的报警，根据系统自动反馈的填筑施工质量监控信息（如：提示的不达标的详细内容以及所在空间位置等），碾压设备已进行必要处理（如：按提示指令，进行补碾，调整运行轨迹等），从而实现实时反馈与动态修正，提高施工过程质量。

2.6.3碾压轨迹监控

碾压设备工作时，实时同步显示图形化轨迹与碾压覆盖区域，引导操作人员进行碾压施工操作，避免漏碾或错碾。对于超出设计施工部位的运行轨迹或无规律无顺序的运行轨迹，鉴于北斗定位的精确定位功能，系统会自动标识，并向相对应的施工设备发送报警提示信息，使操作人员减少无效碾压工作。

除了实时观测碾压的实际情况外，由于所有的数据都已经储存在数据库中，因此还可以对已经碾压的全过程实际情况进行回放，作为施工效果的评价依据。

2.6.4碾压遍数监控

对碾压监控设备所传送的定位数据进行转换形成碾压后的轨迹图，统计出整个范围内碾压的遍数达标率以及碾压遍数合格范围，系统分析及统计功能包括：

碾压遍数分布图。根据碾压设备上的定位设备在碾压施工中所跟踪测量的数据在同一点不同时间位置的出现次数可以判断出对每个点的碾压次数，碾压轨迹以压轮轨迹宽度（有效宽度），每重复一次的地方就用不同的颜色进行标识，从而可以判断整个碾压区域的碾压遍数和碾压范围。

2.6.5碾压速度监控

跟踪某个碾压施工单元的碾压过程，动态显示其超速部位，统计其超速次数，超速距离。并可根据不同的设计要求单独分析统计。

2.7碾压成果分析与输出

2.7.1压实后层厚分布情况统计分析

压实后层厚分布的平整度情况，是反应碾压压实质量的重要指标，系统支持进行动态分析。

2.7.2碾压机振动情况统计与分析

系统实时跟踪设备碾压过程中的振动状态，可以分别对有振与无振碾压过程进行分析，分别分析其无振碾压和振动碾压遍数，判断其达标情况。

2.7.3碾压报告输出

单元碾压结束后，系统可自动生成质量分析报告，支持直接打印。

2.8实时预警与报警

当碾压设备行驶超速、碾压遍数不足或激振力不符合设定指标时，系统将自动、及时以“报警”方式通知碾压设备操作人员、施工人员和现场质控人员。

2.8.1运行超速报警

由于碾压设备运行时其位置在不断的变化，因而可以通过计算出每秒钟碾压车走过的距离来间接的计算出碾压车的行车速度。系统根据填筑区域不同，设置相应的运行速度控制标准值，当碾压设备行驶出现超速状况时，碾压设备驾驶室的工业智能平板电脑会提示司机减速，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等，另外监控端会弹出报警窗口，并以短信或信息推送的方式向手持式数据终端发送报警信息，以提醒相关人员对违规设备进行有效管理。

2.8.2激振力不达标报警

在碾压设备上安装高精度自动定位装置与激振力状态监测装置，实现对于碾压设备碾压作业过程中激振力状态的实时监测与反馈控制，当碾压设备的激振力状态不达标时，碾压机驾驶室的工业智能平板电脑会提示司机调整，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等，另外监控端会弹出报警窗口，并以短信或信息推送的方式向手持式数据终端发送报警信息，以提醒相关人员对违规设备进行有效管理。

2.8.3碾压遍数不达标报警

根据碾压设备运行轨迹及其在所测量数据的同一点不同时间位置的出现次数可以判断出对每个碾压区的碾压次数，系统根据设置好的碾区域碾压遍数控制标准值进行分析，当碾压面碾压遍数超标时，系统将自动发出报警，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等。