胡 波，陳 軍，李 新，滕 敏，凌 騏

[1.南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 210003；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省南京市 210003；3. 中國水利水電第八工程局有限公司湖南省長沙市 410000；4.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000]

0 引言

大壩工程建設(shè)通常規(guī)模大、面臨的工程力學(xué)問題復(fù)雜，工程一旦失事，后果不堪設(shè)想，因此確保大壩安全顯得尤為重要。大壩安全監(jiān)測是監(jiān)視工程結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)性態(tài)分析和安全狀態(tài)評價(jià)的重要基礎(chǔ)資料[1，2]。

隨著科技及管理觀念的發(fā)展，人們的治水理念正從傳統(tǒng)的重土建逐漸向數(shù)字化、信息化、智能化、實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用過渡。在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域，利用自動(dòng)化測控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、水工分析等技術(shù)，研發(fā)一套大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，對大壩及其他水工結(jié)構(gòu)物的安全實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、及時(shí)分析、輔助決策，更加及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的評估工程結(jié)構(gòu)物安全狀況，提高工程安全的管理和決策水平，已是當(dāng)今社會(huì)和技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。信息管理及分析系統(tǒng)能夠提供一種很好的數(shù)據(jù)管理和分析手段，是整個(gè)安全監(jiān)測系統(tǒng)的大腦和靈魂。好的管理系統(tǒng)不僅能充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)視工程安全方面的作用，而且可以極大地提高工程安全管理的效率和質(zhì)量[3]。

本文以馬來西亞第二能源計(jì)劃的重要工程沐若水電站為依托，介紹該電站大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建設(shè)情況。擬從系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能等幾個(gè)方面展開討論。

1 工程概況

沐若水電站地處馬來西亞砂撈越州，壩址位于拉讓河流域源頭的沐若河，距下游的巴貢水電站約70km，電站總裝機(jī)容量944MW，控制流域面積約2750km2，是拉讓河上游四級梯級開發(fā)中的第二個(gè)電站[4]。

工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身表孔溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電廠房、生態(tài)流量引水發(fā)電系統(tǒng)等部分組成。碾壓混凝土重力壩軸線為曲線形式，壩頂長度473m，最大壩高141m。水庫正常蓄水位540m，死水位515m，總庫容120.43億m3，調(diào)節(jié)庫容54.75億m3。

鑒于工程的重要性，設(shè)計(jì)并建設(shè)了一套大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，以保障工程安全運(yùn)行、充分發(fā)揮效益，工程采用了南京南瑞集團(tuán)公司研發(fā)的大壩安全信息管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以業(yè)務(wù)需求為根本出發(fā)點(diǎn)，明確目標(biāo)，突出重點(diǎn)，兼顧實(shí)用性和先進(jìn)性，主要設(shè)計(jì)原則有：

（1）目標(biāo)明確，需求驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)以大壩安全管理的業(yè)務(wù)需求為根本出發(fā)點(diǎn)，按照需求來進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)、功能及性能、操作流程等設(shè)計(jì)。

（2）技術(shù)的可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性。系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件平臺(tái)選型、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等多方面首先要做到可靠、實(shí)用，確保系統(tǒng)在多種環(huán)境下正常、可靠地運(yùn)行；同時(shí)應(yīng)力求先進(jìn)，充分利用當(dāng)前先進(jìn)的平臺(tái)技術(shù)，使系統(tǒng)在技術(shù)上保持一定的超前[5]。

（3）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范設(shè)計(jì)。采用國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建涵蓋數(shù)據(jù)采集、通信、存儲(chǔ)、管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)的全面的技術(shù)體系，以提高系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性[6]。

（4）開放通用、實(shí)用合理。盡量采用通用和開放的接口，提升各模塊間的信息共享和協(xié)同互動(dòng)能力，同時(shí)保障不同廠家之間的業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠高效集成，使得系統(tǒng)具備良好的開放性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性。

（5）恰當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)合理性。在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求以最少的投入取得最好的應(yīng)用效果[7]。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)由軟件和相應(yīng)的硬件構(gòu)成。硬件通常由服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等）、客戶機(jī)（采集客戶機(jī)、專業(yè)客戶機(jī)、Web客戶機(jī)等）、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備（交換機(jī)、防火墻等）、電源設(shè)備、通信線路、電源線路等設(shè)備構(gòu)成。典型的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型物理結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Typical physical structure diagram

沐若大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)共布置了9個(gè)測站，其中8個(gè)測站位于大壩內(nèi)，1個(gè)位于電站后緣邊坡，共接入13個(gè)DAU2000數(shù)據(jù)采集單元，振弦式、智能信號模塊25塊。大壩壩體和壩肩邊坡內(nèi)外部的電測傳感器通過敷設(shè)的觀測電纜，采取就近原則接入到各測站內(nèi)。所有測站內(nèi)傳感器電纜與數(shù)據(jù)采集單元相連，經(jīng)數(shù)據(jù)控制總線連接等方式，引至布設(shè)在生態(tài)電站里的監(jiān)測管理站內(nèi)，再通過現(xiàn)場機(jī)電通信光纜引至電站地面廠房的監(jiān)測中心站，接入信息管理系統(tǒng)。電站后緣邊坡的測站，直接引至電站地面廠房的監(jiān)測中心站，接入信息管理系統(tǒng)。監(jiān)測中心站布設(shè)在廠房內(nèi)，配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、決策分析及應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、通信服務(wù)器各1臺(tái)，客戶機(jī)5臺(tái)以及相應(yīng)的外部設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、UPS、打印機(jī)、掃描儀等）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)工程規(guī)模及業(yè)務(wù)需求可選用C/S結(jié)構(gòu)、B/S結(jié)構(gòu)或C/S、B/S混合結(jié)構(gòu)。沐若大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)的C/S、B/S混合結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)平臺(tái)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、人機(jī)界面層三層結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的定義、維護(hù)、訪問及管理等，響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)層的請求，通過數(shù)據(jù)總線對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器部署在數(shù)據(jù)層。業(yè)務(wù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)聯(lián)系人機(jī)界面層和數(shù)據(jù)平臺(tái)層，響應(yīng)用戶發(fā)來的請求，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析、事件報(bào)警、執(zhí)行工作任務(wù)等業(yè)務(wù)處理。應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器部署在業(yè)務(wù)層。人機(jī)界面層負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互接口，主要用于數(shù)據(jù)輸入和表示信息?？蛻魴C(jī)部署在表示層。

信息管理系統(tǒng)采用分布式的面向服務(wù)的組件模式，提供統(tǒng)一的服務(wù)容器管理，具有良好的開放性，能很好地滿足系統(tǒng)集成和應(yīng)用不斷發(fā)展的需要；層次化的功能設(shè)計(jì)，能有效對數(shù)據(jù)及軟件功能模塊進(jìn)行良好的組織，為應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行提供理想環(huán)境。

4 系統(tǒng)功能

沐若大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)基于對沐若水電站的原型監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)大壩、廠房等被測對象安全監(jiān)測海量信息的全過程、統(tǒng)一集中管理，整合模型庫、實(shí)時(shí)庫、歷史庫、方法庫等信息資源，以理論知識(shí)和專家實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，以綜合分析推理為手段，獲得對被測對象的歷史運(yùn)行性態(tài)的基本認(rèn)識(shí)，進(jìn)而對這些監(jiān)測對象當(dāng)下的安全狀況做出評估，對未來的（或特定條件下的）安全狀況做出預(yù)測，并將上述認(rèn)識(shí)、評估和預(yù)測結(jié)果予以反饋，為工程施工、運(yùn)行調(diào)度和維護(hù)管理提供決策支持。

系統(tǒng)功能主要包括：數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)、人工數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)、成果計(jì)算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結(jié)構(gòu)物安全狀況評價(jià)、安全狀況預(yù)測、預(yù)警及應(yīng)急管理、移動(dòng)應(yīng)用、基礎(chǔ)信息管理、信息發(fā)布、用戶權(quán)限管理等，主要功能模塊如圖3所示。

4.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)

大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)作為監(jiān)測自動(dòng)化的控制中樞，需具有自動(dòng)化設(shè)備資源管理、測量控制和數(shù)據(jù)采集等功能，主要包括：①自動(dòng)化采集裝置測控參數(shù)設(shè)置和查詢，包括時(shí)鐘、定時(shí)測量周期、測點(diǎn)群、測量方式等；②分布式遠(yuǎn)程測量控制；③傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置故障檢查診斷；④發(fā)送測控指令，多測點(diǎn)巡測或單測點(diǎn)重復(fù)測量等；⑤從自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置收取測量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫；⑥數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，對越限數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。

圖2 沐若大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Structure map of automation system for Murum dam safety monitoring

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊Fig．3 System function modules

4.2 人工數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)

沐若水電廠部分重要的測點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，但仍設(shè)計(jì)有一定的人工監(jiān)測項(xiàng)目作為補(bǔ)充或校驗(yàn)。系統(tǒng)具備人工觀測數(shù)據(jù)錄入功能，能將人工觀測數(shù)據(jù)通過鍵盤錄入、文件導(dǎo)入、專用程序讀取等方式采集并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。

4.3 成果計(jì)算和處理

沐若水電廠監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測手段和監(jiān)測儀器眾多，因而將原始電測值讀數(shù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)物理量的過程也較為復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了固定公式、自定義公式、查表計(jì)算、相關(guān)點(diǎn)計(jì)算等復(fù)雜計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)成果的轉(zhuǎn)換。

原始數(shù)據(jù)中難免會(huì)存在各種原因造成的誤差或錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)了誤差檢驗(yàn)和處理功能，采用自動(dòng)與人工干預(yù)相結(jié)合的方式對誤差或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、修正或剔除。

能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測成果的查閱、編輯、保存、按標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出、刪除、備份、還原等功能。

4.4 圖表繪制及定性分析

直接對監(jiān)測數(shù)據(jù)本身進(jìn)行觀察、分析和判斷是十分困難的，需借助圖表化、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，以便從海量、枯燥的數(shù)字中提煉出直觀展示結(jié)構(gòu)物基本性態(tài)和安全狀況的信息，幫助分析人員做出正確的分析和判斷。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包括時(shí)間演化過程線圖、空間分布圖、相關(guān)圖、等值線圖以及特征值統(tǒng)計(jì)表、成果報(bào)表等各類圖表在內(nèi)的監(jiān)測成果加工展示功能，可依據(jù)相關(guān)規(guī)范格式要求自動(dòng)生成，或依不同個(gè)性化需要自訂制，為監(jiān)測成果定性分析提供堅(jiān)實(shí)的支撐手段。

4.5 建模分析及定量解析

在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖、制表并進(jìn)行定性分析，初步了解掌握了水工結(jié)構(gòu)物的變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等的基本狀況后，還需進(jìn)行更深入的模型分析和定量解析工作，以準(zhǔn)確定量地描述各種不同的影響因素（如水位、氣溫、雨量等）對結(jié)構(gòu)的影響方式和作用大小。這種定量化分析是結(jié)構(gòu)物安全評估和預(yù)測預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了豐富的回歸算法和建模方法，包括多元線性逐步回歸法、偏最小二乘回歸法、統(tǒng)計(jì)模型、混合模型、確定性模型等。通過從方法庫中調(diào)用合適的回歸和建模方法，可以產(chǎn)生大量描述監(jiān)測成果基本規(guī)律、反映結(jié)構(gòu)物基本性態(tài)的監(jiān)測物理量模型方程，它們被存儲(chǔ)在模型庫中，供對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行安全評估或預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí)使用。

4.6 結(jié)構(gòu)物安全狀況評價(jià)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)物安全狀況評價(jià)功能。在對各工程結(jié)構(gòu)物的歷史監(jiān)測成果進(jìn)行定性和定量分析的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用壩工和巖土理論知識(shí)及專家實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立監(jiān)測成果異常評判、結(jié)構(gòu)物局部異常評判以及工程整體安全狀況評價(jià)三級評價(jià)體系。

根據(jù)工程實(shí)際情況、依據(jù)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立起來的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系具有開放性，可以隨著對水工結(jié)構(gòu)物認(rèn)知的不斷深入完善以及內(nèi)外部條件的變化而適當(dāng)調(diào)整。應(yīng)用初擬的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系包括：基于監(jiān)測量成果的各類一級評價(jià)準(zhǔn)則綜合加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)準(zhǔn)則包括歷史極值準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則、監(jiān)控模型準(zhǔn)則等，評價(jià)結(jié)論為“正?！焙汀爱惓！?；基于一級評價(jià)結(jié)論的二級評價(jià)綜合加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)結(jié)論為“正?！薄拜p度異?！薄爸卸犬惓！薄爸囟犬惓！保换诙壴u價(jià)結(jié)論的整體評價(jià)綜合加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)結(jié)論為“正?！薄盎菊！薄熬植慨惓！薄皣?yán)重異常（險(xiǎn)情）”。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容和參數(shù)在建立系統(tǒng)時(shí)通過對工程勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行中所表現(xiàn)出的各種特征的認(rèn)識(shí)，對業(yè)已獲得的各類監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的分析判斷予以擬定。

4.7 結(jié)構(gòu)物安全狀況預(yù)測

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對工程結(jié)構(gòu)物在未來或特定工況條件下安全狀況的預(yù)測預(yù)警功能。

利用存儲(chǔ)在系統(tǒng)模型庫中的歷史監(jiān)測成果模型對結(jié)構(gòu)物性態(tài)的發(fā)展趨勢或特定條件下結(jié)構(gòu)物的安全狀況做出預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果給出必要的預(yù)警信息，為工程運(yùn)行維護(hù)提供決策支持。

4.8 預(yù)警及應(yīng)急管理

系統(tǒng)具有建模分析和預(yù)測功能，能夠基于監(jiān)測數(shù)據(jù)建立分析預(yù)警模型，并制定相應(yīng)的應(yīng)急機(jī)制，為掌握監(jiān)測部位的趨勢性變化或異常狀態(tài)提供輔助判斷工具，為事故應(yīng)急提供決策支持。

當(dāng)工程安全性狀、氣象水文條件等出現(xiàn)超限險(xiǎn)情或異常時(shí)，由現(xiàn)地系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警，提醒用戶當(dāng)前所需要重點(diǎn)關(guān)注的情況，并給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級與響應(yīng)措施。參照工程險(xiǎn)情處理預(yù)案、工程安全趨勢分析進(jìn)行決策，提供自動(dòng)化測點(diǎn)復(fù)測、人工交互確認(rèn)等方式來確認(rèn)和處理險(xiǎn)情。

4.9 移動(dòng)應(yīng)用

在預(yù)警功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)移動(dòng)互聯(lián)終端應(yīng)用，進(jìn)一步提高監(jiān)測信息發(fā)布和響應(yīng)的效率，使有關(guān)人員更加便捷、快速獲取監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵信息，便于工程人員及時(shí)開展隱患排查、預(yù)警發(fā)布、應(yīng)急處置等工作，也可利用移動(dòng)互聯(lián)終端系統(tǒng)承擔(dān)部分應(yīng)急知識(shí)培訓(xùn)功能。

4.10 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理主要是針對水工結(jié)構(gòu)物、附屬建筑物及水工機(jī)械設(shè)施的基本信息管理，具體內(nèi)容包括：①壩高、壩型、庫容、裝機(jī)、工程級別、大壩等級、調(diào)節(jié)性能、注冊狀態(tài)等工程屬性；②大壩建設(shè)情況、重要節(jié)點(diǎn)信息、工程日志；③大壩結(jié)構(gòu)、泄洪建筑、水工機(jī)械及啟閉設(shè)施的組成、尺寸、運(yùn)行方式；④各電站樞紐區(qū)的水工建筑物重要設(shè)計(jì)、施工、竣工圖、鳥瞰圖、二維、三維效果圖等圖紙資料；⑤各電站大壩運(yùn)行管理組織機(jī)構(gòu)信息，主要安全管理人員、水工監(jiān)測人員信息；⑥地震、防洪等設(shè)計(jì)復(fù)核資料。主要功能包括：GIS地圖瀏覽、基礎(chǔ)信息編輯查詢、信息輸入輸出等。

4.11 信息發(fā)布

按照預(yù)設(shè)的信息發(fā)布方案，將與大壩安全管理有關(guān)的文本、圖片、視頻、音頻、數(shù)據(jù)、表格等各類信息，通過網(wǎng)頁或短信等方式向相關(guān)人員報(bào)送發(fā)布。信息內(nèi)容主要包括國家新頒布的法律法規(guī)、制度標(biāo)準(zhǔn)、流域水情信息、大壩安全重點(diǎn)監(jiān)測信息、分析和性態(tài)評價(jià)結(jié)論、通知公告等。

4.12 用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)提供靈活的用戶管理與授權(quán)機(jī)制，能夠根據(jù)用戶所在單位以及角色不同分別授權(quán)，實(shí)現(xiàn)多層級、多粒度的權(quán)限控制，確保系統(tǒng)訪問和應(yīng)用按照用戶各自的權(quán)限進(jìn)行。

5 結(jié)束語

本文首先簡要地介紹了大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的作用和地位，然后以馬來西亞特大水電工程沐若大壩為依托，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)情況，重點(diǎn)介紹了監(jiān)測成果計(jì)算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結(jié)構(gòu)物安全狀況評價(jià)、安全狀況預(yù)測、預(yù)警及應(yīng)急管理、移動(dòng)應(yīng)用、信息發(fā)布等功能模塊。該系統(tǒng)能夠?qū)μ卮蠊こ贪踩O(jiān)測信息實(shí)施有效地管理，為后續(xù)的深入分析和輔助決策提供了有力的技術(shù)支撐。

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