傅春江，張秀麗，沈海堯，黎中原，楊 鴿，柳 翔，馮永祥

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

1 概述

大壩安全管理領(lǐng)域，以往通常是利用單測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)資料建立數(shù)學(xué)模型或制訂監(jiān)控指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)大壩安全評(píng)判。隨著對(duì)大壩安全狀態(tài)理解的深入，這種單測(cè)點(diǎn)、單源信息不足以描述大壩安全的狀態(tài)，很難對(duì)大壩安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、可靠的分析和評(píng)估。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)有一批200～300 m特高拱壩相繼建成并投運(yùn)，其中錦屏一級(jí)拱壩壩高（305 m）突破了300 m，成為當(dāng)今世界第一高拱壩。由于特高拱壩規(guī)模巨大、荷載和效應(yīng)復(fù)雜，無(wú)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)可供借鑒、參考，給運(yùn)行管理帶來(lái)前所未有的技術(shù)和管理挑戰(zhàn)。因此有必要針對(duì)特高拱壩開展在線安全評(píng)判工作的研究，以求實(shí)時(shí)、客觀掌握特高拱壩的安全狀況，為大壩安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 在線安全評(píng)判方法研究

2.1 在線安全評(píng)判模型

構(gòu)建的大壩在線安全評(píng)判模型見(jiàn)圖1，包括評(píng)判對(duì)象層、評(píng)判項(xiàng)目層、評(píng)判指標(biāo)層、評(píng)判信息層、評(píng)判方法層、評(píng)判結(jié)論層等6個(gè)層次。

評(píng)判對(duì)象層。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外拱壩破壞案例的研究，分析各類破壞的原因、機(jī)理、破壞過(guò)程及對(duì)應(yīng)的性態(tài)轉(zhuǎn)異特征。研究特高拱壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、存在的薄弱環(huán)節(jié)及可能發(fā)生的破壞模式，確定評(píng)判對(duì)象。評(píng)判對(duì)象應(yīng)包括整體結(jié)構(gòu)性態(tài)和重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)性態(tài)。整體結(jié)構(gòu)性態(tài)指特高拱壩的整體變形、滲流等典型性態(tài)；重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)性態(tài)是指結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、缺陷和隱患部位（斷面）性態(tài)等。

評(píng)判項(xiàng)目層。每個(gè)評(píng)判對(duì)象下設(shè)評(píng)判項(xiàng)目。一般來(lái)講，評(píng)判項(xiàng)目包括監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、巡視檢查項(xiàng)目及結(jié)構(gòu)安全度項(xiàng)目。

評(píng)判指標(biāo)層。不同的評(píng)判項(xiàng)目，設(shè)置不同的指標(biāo)，以識(shí)別異常。如監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的評(píng)判指標(biāo)以測(cè)點(diǎn)的量值和趨勢(shì)作為指標(biāo)。

評(píng)判信息層。要實(shí)現(xiàn)特高拱壩安全評(píng)判，所需的信息包括監(jiān)測(cè)、巡視檢查、水情、荷載、結(jié)構(gòu)安全度等多源信息。

評(píng)判方法層。將上述多源信息進(jìn)行組織、融合，得到評(píng)判的方法。主要包括監(jiān)測(cè)信息異常識(shí)別方法、巡檢信息異常識(shí)別方法及多源信息融合方法等。

評(píng)判結(jié)論層。通過(guò)評(píng)判方法得到大壩安全的分級(jí)評(píng)判結(jié)論。

圖1 大壩在線安全評(píng)判模型Fig.1 Online safety evaluation model for dam

2.2 在線安全評(píng)判方法

安全評(píng)判是一個(gè)充滿不確定性、多層次、多指標(biāo)的復(fù)雜非線性問(wèn)題。安全評(píng)判需要的信息包括：監(jiān)測(cè)信息、巡查信息、水情信息、荷載信息、結(jié)構(gòu)安全度信息及其他工程信息。需要尋求一種能融合不同來(lái)源、不同模式、不同表示形式的信息，同時(shí)符合拱壩結(jié)構(gòu)基本工程原理的方法，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全評(píng)判的目標(biāo)。

2.2.1 信息融合方法綜述

將多源信息進(jìn)行組織、融合，對(duì)評(píng)判對(duì)象性態(tài)精確描述的過(guò)程屬于“信息融合”的研究范疇?！靶畔⑷诤稀保ɑ蚍Q“數(shù)據(jù)融合”）的概念最早于20世紀(jì)70年代末被提出，目前其應(yīng)用已從最初的軍事領(lǐng)域拓展到智能制造、智能交通、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域[1-3]。

比較常用的信息融合方法（模型）主要有：基于Dempster-Shafer證據(jù)推理法[4-5]、基于粗糙集理論法[6]、基于貝葉斯估計(jì)法[7]、基于卡爾曼濾波法[8-11]、基于加權(quán)平均法[12]、基于模糊數(shù)學(xué)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、基于規(guī)則推理法[13-16]。

上述方法中，除了基于規(guī)則推理法，其余均屬量化方法（模型）。在大壩安全評(píng)判領(lǐng)域，量化方法無(wú)法規(guī)避以下問(wèn)題：（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)需要確定權(quán)重，而權(quán)重很難準(zhǔn)確確定；（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)確定權(quán)重的前提是指標(biāo)獨(dú)立，實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)。而規(guī)則推理法作為事件因果關(guān)系的推理表達(dá)，符合工程師對(duì)大壩安全評(píng)判的邏輯，同時(shí)也能規(guī)避上述問(wèn)題。

2.2.2 規(guī)則推理法

規(guī)則推理法是由美國(guó)數(shù)學(xué)家波斯特（E.POST）在1934年首先提出，其基本原理為：IF[P]THEN[Q]。式中，P表示一組前提條件或狀態(tài)，Q表示若干結(jié)論或動(dòng)作。規(guī)則的含義就是：如果前提P滿足，則可推出結(jié)論Q（或應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作Q）。推理系統(tǒng)一般由三個(gè)基本部分組成：規(guī)則庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of production system

規(guī)則庫(kù)用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的產(chǎn)生式集合。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)又稱為事實(shí)庫(kù)，是存放輸入的事實(shí)、中間結(jié)果（事實(shí)）和最后結(jié)果的工作區(qū)。推理機(jī)是一組程序，用來(lái)控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫(kù)與綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行，包含了推理方式和控制策略。

規(guī)則推理法已經(jīng)成了人工智能中應(yīng)用廣泛的一種知識(shí)表示模式，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以模擬工程師來(lái)靈活表達(dá)大壩安全評(píng)價(jià)的各種推理過(guò)程，推理得到的大壩安全評(píng)價(jià)結(jié)論是客觀的，其前提是要建立符合工程實(shí)際的規(guī)則庫(kù)。

2.2.3 信息融合的流程

基于規(guī)則推理的信息融合模型，本質(zhì)上是要將反映大壩性態(tài)的監(jiān)測(cè)信息、巡視檢查信息、結(jié)構(gòu)安全度信息等有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，是一個(gè)以多源信息為基礎(chǔ)的、具有多指標(biāo)和多層次結(jié)構(gòu)的融合分析診斷問(wèn)題。構(gòu)建的大壩結(jié)構(gòu)評(píng)判信息融合模型見(jiàn)圖3。

圖3 信息融合模型Fig.3 Information fusion model

2.3 安全評(píng)判規(guī)則庫(kù)

規(guī)則庫(kù)是在線安全評(píng)判最核心的內(nèi)容。規(guī)則庫(kù)應(yīng)包括工程技術(shù)類規(guī)則和管理類規(guī)則。

工程技術(shù)類規(guī)則確定依據(jù)為DL/T 5313-2014《水電站大壩運(yùn)行安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)則），按評(píng)判流程可分為：?jiǎn)沃笜?biāo)評(píng)判規(guī)則、單層（監(jiān)測(cè)層、巡視檢查層等）融合評(píng)判規(guī)則、多層（單項(xiàng)目）融合評(píng)判規(guī)則、多項(xiàng)目融合評(píng)判規(guī)則和多對(duì)象融合評(píng)判規(guī)則。管理類規(guī)則主要涉及評(píng)判工作中人機(jī)交互部分，如評(píng)判結(jié)果的發(fā)布、確認(rèn)和處理等。

下文主要介紹規(guī)則庫(kù)中較為核心的單指標(biāo)評(píng)判規(guī)則、單層融合評(píng)判規(guī)則和多層融合評(píng)判規(guī)則。

2.3.1 監(jiān)測(cè)層信息融合規(guī)則

監(jiān)測(cè)層內(nèi)的信息融合，基于單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單個(gè)指標(biāo)的異常識(shí)別，其指標(biāo)包括趨勢(shì)的異常識(shí)別和量值的異常識(shí)別。趨勢(shì)的異常識(shí)別主要識(shí)別結(jié)構(gòu)向不利方向的發(fā)展，其方法主要為通過(guò)時(shí)效分量增量變化識(shí)別趨勢(shì)異常程度。量值異常程度的識(shí)別主要通過(guò)設(shè)定分級(jí)監(jiān)控指標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)，分級(jí)監(jiān)控指標(biāo)設(shè)定方法主要有：正反分析計(jì)算值、設(shè)計(jì)取用值（反算值）、可能發(fā)生的不利荷載組合計(jì)算值、工程經(jīng)驗(yàn)值等。

監(jiān)測(cè)層內(nèi)的信息融合路徑一般考慮：?jiǎn)蝹€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)單個(gè)指標(biāo)→單個(gè)測(cè)點(diǎn)多個(gè)指標(biāo)→多個(gè)單測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)組）→多個(gè)測(cè)點(diǎn)組的融合，其代表的工程意義分別為局部、一定范圍和整體，表征異常的分布程度。根據(jù)工程實(shí)際情況，以上述方法制訂不同異常程度對(duì)應(yīng)評(píng)判等級(jí)的規(guī)則。

2.3.2 巡視檢查層信息融合規(guī)則

大壩巡視檢查工作是大壩管理人員為掌握大壩安全狀況而最廣泛采用的實(shí)用技術(shù)。傳統(tǒng)巡視檢查采用紙質(zhì)方式記錄巡檢結(jié)果，存在巡查工作質(zhì)量很難管控、巡查成果利用率低等問(wèn)題。本課題研究開發(fā)移動(dòng)設(shè)備巡視檢查系統(tǒng)[17]，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置巡檢對(duì)象和路線，采用手機(jī)或平板等移動(dòng)設(shè)備掃描設(shè)置在巡檢對(duì)象的芯片，系統(tǒng)引導(dǎo)巡視檢查工作開展，并記錄巡視檢查成果（語(yǔ)音、視頻、文字等），實(shí)現(xiàn)了巡查結(jié)果的數(shù)字化，便于對(duì)其進(jìn)行對(duì)比及分析。

參考《導(dǎo)則》和工程經(jīng)驗(yàn)，制訂巡視檢查成果分級(jí)評(píng)判的規(guī)則，分兩級(jí)對(duì)巡查結(jié)果進(jìn)行分級(jí)評(píng)判。第一級(jí)由現(xiàn)場(chǎng)檢查人員評(píng)為正常、異常、無(wú)法判斷三類，第二級(jí)由技術(shù)人員對(duì)第一級(jí)評(píng)判中除正常以外的其余類別進(jìn)行判斷，形成分級(jí)評(píng)判結(jié)論。

2.3.3 多層信息融合規(guī)則

根據(jù)在線結(jié)構(gòu)評(píng)判模型，單個(gè)評(píng)判對(duì)象（或部位）的評(píng)判結(jié)論由監(jiān)測(cè)層、巡視檢查層或結(jié)構(gòu)安全度層評(píng)判結(jié)論融合得到。根據(jù)《導(dǎo)則》和工程經(jīng)驗(yàn)，確定上述各層以或、與、非等各種邏輯關(guān)系的融合規(guī)則，以表征不同等級(jí)的異常。

大壩安全綜合評(píng)判等級(jí)，由所有評(píng)判對(duì)象的評(píng)判結(jié)論融合，其融合規(guī)則參考《導(dǎo)則》的規(guī)定，基本邏輯為“木桶短板效應(yīng)”，即大壩的綜合評(píng)判等級(jí)由其最薄弱部位的安全評(píng)判等級(jí)決定。

2.4 在線安全評(píng)判流程

在線安全評(píng)判流程見(jiàn)圖4。具體步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)入庫(kù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)后，并行開展監(jiān)測(cè)層融合評(píng)判和巡視檢查層的融合評(píng)判，及時(shí)提醒管理人員存在的問(wèn)題。

（2）根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，決定是否啟用結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖4 在線安全評(píng)判流程圖Fig.4 Online security evaluation process

（3）進(jìn)行單個(gè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)層融合評(píng)判、巡視檢查層和結(jié)構(gòu)安全度層的融合評(píng)判。

（4）進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的融合評(píng)判。

（5）對(duì)評(píng)判結(jié)論為異常的進(jìn)行合理性檢查。

（6）發(fā)布通過(guò)合理性檢查的異常信息。

（7）對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行會(huì)商和處理。

3 在線安全評(píng)判平臺(tái)開發(fā)

3.1 平臺(tái)軟件架構(gòu)

特高拱壩在線安全評(píng)判的主要業(yè)務(wù)類型可分為兩種：一種是前臺(tái)交互類型的，例如信息查詢、管理等，當(dāng)用戶在前臺(tái)提交指令后，其處理結(jié)果需要返回至前臺(tái)；另一種是后臺(tái)處理類型的，例如結(jié)構(gòu)安全評(píng)判等，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)，后臺(tái)程序自動(dòng)觸發(fā)處理，其處理結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，程序界面可只顯示處理是否成功等概要信息。

對(duì)于在線安全評(píng)判平臺(tái)，前臺(tái)交互類型軟件主要采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，它將功能實(shí)現(xiàn)的核心部分以網(wǎng)站的形式集中部署到服務(wù)器上，客戶端只需安裝一個(gè)瀏覽器即可，這種架構(gòu)模式在方便多個(gè)用戶使用的同時(shí)，安裝部署和維護(hù)工作量大為降低。后臺(tái)處理類型軟件主要采用C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）架構(gòu)，它通過(guò)將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)端，使處理能力更強(qiáng)，速度更快。由于后臺(tái)處理軟件不需要在多處部署，因此，相比于采用B/S架構(gòu)，其安裝和后期維護(hù)工作量并未增加。

在線安全評(píng)判平臺(tái)整體開發(fā)環(huán)境為Windows7，所用服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server2008。B/S軟件前端用戶界面開發(fā)框架采用EasyUI，后端開發(fā)框架采用struts+spring+hibernate實(shí)現(xiàn)。C/S軟件開發(fā)平臺(tái)采用MicroSoft.Net，采用三層架構(gòu)模式，客戶端接受用戶的請(qǐng)求，客戶端向應(yīng)用服務(wù)提出請(qǐng)求，應(yīng)用服務(wù)從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)中獲得數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果提交給客戶端，客戶端將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

3.2 平臺(tái)功能

前臺(tái)客戶端功能，包括規(guī)則管理功能、模型管理功能、監(jiān)控指標(biāo)設(shè)置功能、結(jié)構(gòu)評(píng)判項(xiàng)目管理功能、異常管理功能、信息查詢及顯示功能。

后臺(tái)服務(wù)功能，包括信息有效性檢驗(yàn)功能、規(guī)則推理功能和異常報(bào)警功能。

4 應(yīng)用案例：錦屏一級(jí)特高拱壩工程

4.1 工程概況

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)規(guī)劃的“控制性”水庫(kù)梯級(jí)。大壩最大壩高305.0 m，水庫(kù)正常蓄水位1 880 m，死水位1 800 m。

4.2 結(jié)構(gòu)安全評(píng)判對(duì)象設(shè)置

錦屏一級(jí)高拱壩的結(jié)構(gòu)安全評(píng)判對(duì)象包括整體結(jié)構(gòu)性態(tài)和重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)性態(tài)。根據(jù)工程實(shí)際情況，確定評(píng)判對(duì)象如下。

整體結(jié)構(gòu)性態(tài)項(xiàng)目包括：拱梁變形、橫縫變形、垂直位移、墊座變形、壩體應(yīng)力、壩基揚(yáng)壓力、壩基滲漏量、拱座變形、拱座地下水位、兩岸邊坡變形。

重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)性態(tài)項(xiàng)目包括：壩體應(yīng)力重點(diǎn)監(jiān)控部位、左抗力體置換洞及抗剪洞、谷幅變形、變形尚未穩(wěn)定的左岸邊坡、解放溝邊坡、三灘變形體等。

4.3 規(guī)則設(shè)置

每個(gè)評(píng)判對(duì)象即為推理目標(biāo)，通過(guò)監(jiān)測(cè)信息、巡視檢查信息或結(jié)構(gòu)安全度信息及其組合的評(píng)判融合規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5為建立三灘變形體評(píng)判對(duì)象中的“三灘變形體變形”評(píng)判項(xiàng)目為推理目標(biāo)，其由邏輯關(guān)系為“和”的“X向（河床向）變形”和“變形體拉裂縫巡查”的評(píng)判規(guī)則組成。

圖5 規(guī)則設(shè)置界面Fig.5 Rule setting interface

4.4 成果展示

根據(jù)錦屏一級(jí)拱壩的結(jié)構(gòu)特性，建立大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)判對(duì)象的樹狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)對(duì)象分別關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的評(píng)判規(guī)則，根據(jù)規(guī)則得到評(píng)判的結(jié)論，以列表（圖6）或圖形（圖7）的方式全局展示。點(diǎn)擊評(píng)判對(duì)象，可以列表或圖形的方式展示單個(gè)對(duì)象的評(píng)判結(jié)論，點(diǎn)擊單測(cè)點(diǎn)顯示具體規(guī)則及評(píng)判推理過(guò)程和結(jié)論（圖8）。

圖6 結(jié)構(gòu)安全評(píng)判對(duì)象列表展示界面Fig.6 List display of evaluation object

圖7 結(jié)構(gòu)安全評(píng)判全局圖形展示界面Fig.7 Global graphical display of structural safety evaluation

圖8 結(jié)構(gòu)安全評(píng)判單項(xiàng)圖形展示界面Fig.8 Graphic display for single item in structural safety evalua?tion

通過(guò)錦屏一級(jí)拱壩的實(shí)際評(píng)判結(jié)果來(lái)看，因規(guī)則推理體系建立基于《導(dǎo)則》，故推理得到的大壩安全評(píng)判結(jié)論符合結(jié)構(gòu)的基本工程原理和《導(dǎo)則》的規(guī)定。目前已利用在線安全評(píng)判平臺(tái)對(duì)在國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心注冊(cè)的557座大壩進(jìn)行了在線監(jiān)控，取得了較好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)特高拱壩在線安全評(píng)判進(jìn)行研究和應(yīng)用，主要內(nèi)容如下：

（1）通過(guò)分析拱壩破壞案例，研究目標(biāo)特高拱壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到了含評(píng)判對(duì)象層、評(píng)判項(xiàng)目層、評(píng)判指標(biāo)層、評(píng)判信息層、評(píng)判方法層、評(píng)判結(jié)論層等6個(gè)層次的特高拱壩在線安全評(píng)判模型。

（2）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外信息融合方法的梳理比較，認(rèn)為規(guī)則推理法在大壩安全領(lǐng)域的適用性最強(qiáng)。

（3）基于《導(dǎo)則》建立了多源信息融合評(píng)判的規(guī)則推理體系，該體系符合工程結(jié)構(gòu)的基本原理，注重異常發(fā)展趨勢(shì)，以單測(cè)點(diǎn)評(píng)判為基礎(chǔ)，融合多測(cè)點(diǎn)、多相關(guān)信息（含巡檢、結(jié)構(gòu)安全度計(jì)算等）進(jìn)行綜合評(píng)判。

（4）開發(fā)在線安全評(píng)判平臺(tái)，前臺(tái)交互類型軟件主要采用B/S架構(gòu)，后臺(tái)處理類型軟件主要采用C/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從“監(jiān)”到“控”的全流程信息化。

（5）通過(guò)對(duì)錦屏一級(jí)特高拱壩在線安全評(píng)判的應(yīng)用實(shí)例，表明在線安全評(píng)判平臺(tái)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確評(píng)判大壩安全狀況。目前研究成果已成功運(yùn)用于在國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心注冊(cè)的391座大壩的在線監(jiān)控工作中。 ■

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