李嘯嘯，張 晨，傅春江，馮 濤

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

0 引言

進入21世紀，我國有一批200～300 m特高拱壩相繼建成并投運，其中錦屏一級拱壩壩高（305 m）突破了300 m，是當今世界第一高拱壩。由于特高拱壩規(guī)模巨大，無過往經(jīng)驗可供借鑒參考，給大壩運行管理帶來前所未有的技術挑戰(zhàn)和管理風險，因此，有必要針對特高拱壩開展在線安全監(jiān)控工作的研究，以實時、客觀地掌握特高拱壩的安全狀況，為大壩安全管理提供科學依據(jù)。

在以往工作中，大壩安全監(jiān)控一方面由于監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差而易發(fā)生錯判；另一方面利用單測點的數(shù)學模型或制訂監(jiān)控指標不足以準確、可靠地評判大壩安全狀態(tài)。因此有必要研究、深化大壩安全在線監(jiān)控技術，并融合信息化技術，打造一款在線監(jiān)控的“利器”，以便及時、高效地發(fā)現(xiàn)和消除缺陷隱患，提升大壩安全日常管理和應急管理水平。

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣境內雅礱江干流上，樞紐建筑物包括拱壩、壩后水墊塘、泄洪洞及地下廠房等?；炷岭p曲拱壩壩高305.0 m。泄洪設施由壩身表孔、深孔、放空底孔及壩后水墊塘、右岸泄洪洞組成。引水發(fā)電建筑物由進水口、壓力管道、主廠房、主變室、尾調室、尾水隧洞組成，電站總裝機3 600 MW。電站于2005年11月開工建設，2014年7月機組全部投運，2014年8月首次蓄至正常蓄水位（1 880 m）。運行至今，工程已經(jīng)歷4次庫水位消漲完整運行周期，拱壩等樞紐建筑物及近壩庫岸邊坡運行情況總體良好。

為及時掌握工程運行狀態(tài)，錦屏一級水電站安全監(jiān)測范圍涵蓋樞紐建筑物、近壩庫岸邊坡等，主要監(jiān)測項目包括環(huán)境量、變形監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測等。所有監(jiān)測信息、水工巡查信息等均通過雅礱江流域大壩安全信息管理系統(tǒng)進行管理和應用。

2 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控方案

錦屏一級拱壩監(jiān)控方案包括：確定由大壩典型性態(tài)和重點部位組成的監(jiān)控對象集；提出在線監(jiān)控的技術方案和工作流程；研究開發(fā)實用可靠的在線監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

2.1 監(jiān)控對象確定

根據(jù)錦屏一級拱壩結構特點和存在的薄弱環(huán)節(jié)，確定監(jiān)控對象包括典型性態(tài)和重點部位。

典型性態(tài)指能表征錦屏一級拱壩綜合性態(tài)的項目，包括：拱梁變形、橫縫變形、垂直位移、墊座變形、壩體應力、壩基揚壓力、壩基滲漏量、拱座變形、拱座地下水位、兩岸邊坡變形等。

重點部位指結構關鍵部位、缺陷和隱患部位、薄弱部位、安全度偏低的部位（斷面）等，包括：壩體應力重點監(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。

2.2 在線監(jiān)控技術方案

大壩安全監(jiān)控工作的核心在于大壩安全結構評判。大壩結構評判是一個充滿不確定性、多層次、多指標的復雜非線性問題，需要識別與結構安全評判有關的監(jiān)測、巡視檢查和結構安全度等有效信息，通過尋求一種能融合上述不同來源、不同表現(xiàn)形式的信息并符合工程結構原理的實用方法，實現(xiàn)結構安全評判的目標。

在線監(jiān)控主流程見圖1。首先通過有效性檢驗技術，對監(jiān)測信息進行有效性檢驗，然后根據(jù)預設的條件啟動快速結構計算，最后通過多源信息融合技術，融合監(jiān)測、巡查和結構計算等信息，綜合評判大壩安全狀態(tài)。

2.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方案

錦屏一級在線監(jiān)控系統(tǒng)，是在已有的雅礱江流域大壩信息管理系統(tǒng)基礎上，增加在線監(jiān)測管理、結構安全評判、結構快速計算等模塊，并輔以結構性態(tài)直觀顯示、即時反饋等功能的在線監(jiān)控平臺。

特高拱壩在線安全監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理量大、結構復雜、算法要求高、專業(yè)技術性強等特點，為了有效達成主要功能目標，系統(tǒng)的技術性能要求穩(wěn)定可靠、實用高效、操作便捷、易于維護、方便擴展。

3 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控關鍵技術

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗技術[1]

監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗需要通過實用可靠的檢驗技術，篩除數(shù)據(jù)系列“噪聲”，避免結構安全評判出現(xiàn)錯判。為了提高檢驗技術的精準度和效率，提出了兩種新的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗技術：奇異譜法和局部鄰近度法。

基于Toeplitz SSA（以下簡稱TSSA）的奇異譜法，首先構造監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的軌跡矩陣，通過一定的算法重構數(shù)據(jù)序列，再求出重構序列與實測值的殘差，最后通過對殘差的分析識別異常值。奇異譜法的特點在于不需要人工預先建立數(shù)學模型，適用于非平穩(wěn)過程以及復雜監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的分析和異常值識別。

局部鄰近度法根據(jù)待評判數(shù)據(jù)距正常數(shù)據(jù)的鄰近距離是否大于正常測值的鄰近度來判斷該測值是否異常。首先需要選定基準數(shù)據(jù)序列，確定正常測值的局部鄰近度，即確定正常局部鄰近度閾值。局部鄰近度法的優(yōu)點在于所需要的前期數(shù)據(jù)序列長度較短，因而可適用于穩(wěn)定監(jiān)測時間不長的測點異常值識別。

同時對其他常用的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性技術（如統(tǒng)計原理法、統(tǒng)計模型法、灰色系統(tǒng)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡法、改進包絡線法等）的特點和適用性進行了分析研究。實際應用中，首先對監(jiān)測數(shù)據(jù)的系列特征進行分析，提煉出系列長度、數(shù)據(jù)序列形態(tài)、數(shù)據(jù)序列質量分布等因素，據(jù)此自動分析匹配合適的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗技術。

3.2 結構安全評判技術[2]

結構安全評判需要將不同來源、不同表現(xiàn)形式的信息進行組織、融合得到評判結論，其本質屬于“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70年代末被提出，目前其應用已從最初的軍事領域拓展到智能制造、智能交通、醫(yī)療診斷等領域[3-5]。比較常用的信息融合的方法（模型）主要有：Dempster-Shafer證據(jù)推理法、粗糙集理論法、貝葉斯估計法、卡爾曼濾波法、加權平均法、模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡法、規(guī)則推理法。

上述方法中，除了規(guī)則推理法外，其余均屬量化方法（模型）。在大壩安全評判領域，量化方法無法規(guī)避以下問題：（1）評價指標需要確定權重，而權重很難確定；（2）評價指標應相互獨立，實際很難實現(xiàn)。而規(guī)則推理法采用因果關系的表達符合大壩安全評判邏輯，同時也能規(guī)避上述問題。

規(guī)則推理法，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表示若干結論或動作。規(guī)則的含義就是：如果前提P滿足，則可推出結論Q（或應執(zhí)行動作Q）。推理系統(tǒng)一般由三個基本部分組成：規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機，見圖2。

圖2 產(chǎn)生式系統(tǒng)基本結構Fig.2 Basic structure of generation system

基于規(guī)則推理的大壩安全評判方法，其核心內容是規(guī)則庫，只有建立符合工程實際和工程師評判邏輯的規(guī)則，才能得到客觀真實的大壩安全評判結論，切實解決工程安全問題。鑒于此，規(guī)則庫的建立基于錦屏一級拱壩的結構特點和DL/T 5313-2014《大壩安全評價導則》（以下簡稱導則）等技術規(guī)范的相關規(guī)定，以保證推理得到的結論是準確客觀的。

3.3 快速結構計算技術[6]

當出現(xiàn)不利工況組合、極端氣象條件以及結構出現(xiàn)性態(tài)異?；蚪Y構產(chǎn)生新的缺陷時，需要通過快速結構計算，以判斷結構是否安全及輔助決策。錦屏一級拱壩的快速結構計算采用三維非線性有限元方法作為基本計算方法。

錦屏一級拱壩運行期快速結構計算分析立足于“運行”和“快速”兩個關鍵詞展開。一是考慮當前實際環(huán)境條件、力學參數(shù)、荷載條件、結構特性等因素，進行真實工作性態(tài)下的拱壩結構計算分析；二是在不改變其他條件的情況下，實現(xiàn)參數(shù)、荷載、結構模型等的快速修正和計算，并實現(xiàn)分析成果的可視化展示。快速計算的實現(xiàn)主要從模型運算、計算條件以及計算結果處理等幾方面著手，并主要研究了以下方法和技術：

（1）增量有限元求解方法。拱壩結構計算需模擬施工過程，該步驟將消耗大量計算時間，為實現(xiàn)結構分析的快速性，對施工過程僅計算一次并存儲計算成果，后續(xù)分析以拱壩施工完成后所處的初始應力狀態(tài)為計算初始，實現(xiàn)增量求解。

（2）精準快速力學參數(shù)反演技術。針對拱壩真實力學參數(shù)反演問題，重點對標準遺傳算法進行改進，從而提高其搜索效率和精度。此外，還對初始種群的生成、遺傳選擇以及偽隨機數(shù)發(fā)生器的選擇進行了改進。

4 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控系統(tǒng)建設和應用

在線監(jiān)控系統(tǒng)由在線監(jiān)測管理、在線結構計算、在線結構安全評判共3個業(yè)務模塊組成。其業(yè)務流程見圖1。

4.1 在線監(jiān)測管理

在線監(jiān)測管理模塊主要提供監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、異常值識別、識別方法定義和設置、缺測反饋、異常值反饋、資料整編、過程線繪制、定期報表等功能。其中異常值識別與反饋是該模塊核心功能，系統(tǒng)提供了統(tǒng)計模型、灰色理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、奇異譜、局部鄰近度、改進包絡域等多種異常檢驗方法，由系統(tǒng)根據(jù)系列特征自動匹配異常檢驗方法進行數(shù)據(jù)異常值識別。系統(tǒng)識別的異常值將被統(tǒng)一標記為“疑似異常數(shù)據(jù)”。當單個測點持續(xù)出現(xiàn)疑似異常數(shù)據(jù)，則啟動反饋機制，通知工作人員檢查，查明異常原因。

4.2 快速結構計算

在線結構計算的觸發(fā)分兩類，一類是根據(jù)預設的條件自動觸發(fā)，另一類是以用戶提交任務的方式手動觸發(fā)。自動觸發(fā)由系統(tǒng)設置好對應觸發(fā)條件的分析類型和實時的計算荷載，提交至預設有限元模型的云服務器，服務器根據(jù)相關計算條件啟動后臺進行計算，計算完成后相應結果參與結構評判并可供查看和分析。手動觸發(fā)流程同自動觸發(fā)，計算類型及荷載可供用戶選擇和預設。該模塊界面見圖3。

錦屏一級拱壩的快速結構計算模塊提供了兩種計算模式，即快速計算和精細計算，其中快速計算（計算用時3～5 min）采用小模型（模型網(wǎng)格體量5萬），精細計算（計算用時3～4 h）采用大模型（模型網(wǎng)格體量25萬）。每種計算模式下又提供不同計算類型，快速計算模式下提供基本工況、水壓荷載、變形參數(shù)以及溫度荷載敏感性分析四種分析類型，精細計算模式下提供基本工況、水壓荷載、變形參數(shù)、缺陷（裂縫）敏感性分析四種分析類型。

4.3 在線結構評判

在線結構評判模塊主要實現(xiàn)監(jiān)控對象設置、評判規(guī)則管理、監(jiān)控結果可視化展示和異常反饋功能?？梢暬故疽妶D4。

監(jiān)控對象類型分為建筑物、部位、項目和問題等，通過不限節(jié)點級數(shù)的節(jié)點樹對所有對象進行設置和管理，用戶可以單測點、測點組、巡檢項目、結構安全度項目及其任一組合來靈活設置評判規(guī)則。

圖3 在線監(jiān)控系統(tǒng)快速結構計算界面Fig.3 Fast structure calculation interface of on-line monitoring system

圖4 在線監(jiān)控系統(tǒng)可視化展示界面Fig.4 Visual display interface of on-line monitoring system

4.3 應用情況

錦屏一級拱壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)通過在線監(jiān)測管理、在線結構計算、在線結構安全評判3個模塊的建立，實現(xiàn)在線監(jiān)控拱壩安全的目標。以測值有效性自動檢驗與反饋為核心的在線監(jiān)測管理，大幅降低了以往人工審核數(shù)據(jù)質量參差不齊、審核不及時的問題，提高了在線結構評判的可靠性；拱壩結構安全度的快速計算，提供了在線結構評判的依據(jù)及輔助決策；實時評判拱壩結構安全，及時反饋了水工結構不安全征兆并采取相應管控措施，進一步提高了大壩運行安全管理工作水平。

系統(tǒng)運行以來，整體穩(wěn)定、性能良好、操作便捷，其采用的架構和模塊化設計思想，后續(xù)可應用于雅礱江流域已投運的其他電站。

5 結語

文章給出了錦屏一級拱壩安全在線監(jiān)控技術的設計方案，對包括監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗、快速結構計算、在線結構評判等大壩在線監(jiān)控關鍵技術進行了研究，研發(fā)了集在線監(jiān)測管理、快速結構計算和在線結構評判等功能于一體的在線監(jiān)控系統(tǒng)，并經(jīng)錦屏一級水電站拱壩工程實際應用，效果良好。

研究和應用表明：在線監(jiān)控系統(tǒng)能有效助力于實現(xiàn)在線監(jiān)控技術和管理的有機結合，是管理人員和專家高效發(fā)揮作用的輔助工具，但專業(yè)技術人員的作用目前仍不可完全替代。大壩安全在線監(jiān)控工作是大壩安全工作的重要組成部分，大壩運行管理單位應據(jù)此修編和制定相關工作制度和考核辦法，以確保大壩安全在線監(jiān)控工作的正常開展?！?/p>

[1]崔何亮,張秀麗,王玉潔,等.水電站大壩在線監(jiān)測管理平臺的探索與實踐[C].中國水力發(fā)電工程學會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運行安全管理機制理念創(chuàng)新”學術交流會論文集,2017:115-122.

[2]傅春江,張秀麗,沈海堯,等.特高拱壩在線安全評判研究與應用[C].中國水力發(fā)電工程學會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運行安全管理機制理念創(chuàng)新”學術交流會論文集,2017:133-142.

[3]Waltz E L,Buede D M.Data Fusion and Decision Support for Command and Control[J].IEEE Transactions on Sys?tems Man&Cybernetics,2007,16(6):865-879.

[4]Comparato V G.Fusion——the Key to Tactical Mission Success[M].International Society for Optics and Photonics,1988.

[5]Hamilton M K.ATR architecture for multisensor fusion[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,1996,2755:126-133.

[6]孫輔庭,張秀麗,沈海堯,等.拱壩在線快速結構分析平臺研究與應用[C].中國水力發(fā)電工程學會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運行安全管理機制理念創(chuàng)新”學術交流會論文集,2017:123-132.