趙志勇,廖建軍,張禮兵,張 帥

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

正如人類生老病乃至死亡階段需要看病就醫(yī)或定期體檢來評價身體狀態(tài)一樣,水電工程在規(guī)劃設計、工程建設、運維管理、退役拆除等全生命周期過程也需要依據(jù)國家、行業(yè)等規(guī)范要求[1-2]或企業(yè)管理需求等,開展設計審查、質(zhì)量監(jiān)督、安全鑒定、定期檢查與安全評價等工作,以便及時發(fā)現(xiàn)大壩設計施工缺陷及運行中病險隱患,保障工程安全運行。

針對水電工程安全評價問題,國內(nèi)許多專家學者從評價模型著手,基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊云理論、支持向量機、以熵權(quán)為基礎(chǔ)的改進物元可拓模型、云模型與證據(jù)理論、AHP(層次分析法)-信息熵理論等[3-10],相繼提出了大壩安全性態(tài)綜合評價模型,并進行了典型工程應用。顧沖時等[11-12]還從混凝土壩材料性能演化、隱患病害監(jiān)測與檢測、施工質(zhì)量控制、安全風險管理與評定等方面,論述了混凝土壩長效服役與風險評定理論、方法及其技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

但由于水電工程全生命周期數(shù)據(jù)信息來源多樣、格式差異大,有監(jiān)測、檢測、施工過程等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),也有文字報告、巡視檢查、專家經(jīng)驗、視頻監(jiān)控等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。當前來說,這些信息處于不同階段并在不同單位手中，兼之信息技術(shù)的滯后,信息相互獨立的“信息孤島”現(xiàn)象突出,未能有效融合更缺乏深度應用。

近年來隨著GIS、BIM、大數(shù)據(jù)、云存儲及人工智能算法等信息技術(shù)和建筑物智慧感知等硬件設備技術(shù)的發(fā)展,以智慧感知的信息為基礎(chǔ)、基于GIS+BIM技術(shù)與工程全生命周期的信息融合為手段、大數(shù)據(jù)及云存儲與人工智能算法的健康診斷為核心,使得打造工程與信息化融合的水電工程 “三甲醫(yī)院”成為可能。本文旨在從“醫(yī)院”視角，以工程為對象,采用邊緣性、交叉性前緣技術(shù)提供涉及水電工程全生命周期的多源異構(gòu)信息獲取、健康診斷、評價與整治于一體的一站式服務解決方案。

1 水電工程“三甲醫(yī)院”概念

1.1 定義

水電工程“三甲醫(yī)院”,是指以水電工程全生命周期安全為目標,按照“體檢、診斷、手術(shù)”醫(yī)院治病的思路,以大壩設計、施工過程等“出生”靜態(tài)信息為基礎(chǔ),以運行期監(jiān)測、檢測、檢查、管理等“成長”動態(tài)信息為核心,對大壩運行性態(tài)和安全狀況進行評價,對認定的病險工程進行消缺處理、除險加固等整治措施的過程。即相當于對大壩進行監(jiān)測感知、性態(tài)檢測、巡視檢查及運行管理為手段的“日常體檢”,基于體檢信息對運行性態(tài)和安全狀況進行評價的“醫(yī)生診斷”,評價認定的消缺處理、除險加固等“動手術(shù)”工程整治措施,實現(xiàn)工程全生命周期的多源信息有機融合與數(shù)據(jù)挖掘,為水電工程全生命周期安全運行提供一體化的一站式系統(tǒng)性服務解決方案,更加高效、高質(zhì)量地保障工程安全。

1.2 基本構(gòu)成

1.2.1 信息獲取——日常體檢

在施工期和運行期,現(xiàn)場檢查、安全監(jiān)測、水下缺陷探測、材料長期性態(tài)檢測等借助巡視檢查、底層傳感器、檢測儀器設備等手段,從不同維度獲取水電工程“成長”的動態(tài)信息,構(gòu)成與安全分析評價有關(guān)的信息專業(yè)數(shù)據(jù)庫,為實現(xiàn)深層次數(shù)據(jù)挖掘進而進行大壩性態(tài)健康診斷提供支撐。

1.2.2 安全評價——健康診斷

以“日常體檢”獲取的信息為基礎(chǔ),結(jié)合工程地質(zhì)、水工與金屬結(jié)構(gòu)、監(jiān)測與檢測等基本專業(yè)知識,以辨識安全風險、發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時防范為目標,基于專家知識與經(jīng)驗,從大壩防洪、抗震、壩基與壩體結(jié)構(gòu)安全、近壩庫岸和工程邊坡安全、泄洪消能設施安全、金屬結(jié)構(gòu)設備安全等方面進行水電工程大壩安全復核或評價,對水庫、擋水建筑物、泄水建筑物、水工金屬結(jié)構(gòu)、近壩庫岸與工程邊坡、監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況提出評價意見,綜合復核成果、運行性態(tài)、后果危害性評價大壩安全等級,并對存在的主要問題與隱患提出處理建議[13]。

1.2.3 缺陷修復——動手術(shù)

工程健康診斷結(jié)果一旦出現(xiàn)諸如防洪標準不夠、泄流能力不足、壩體壩基變形與滲流破壞、閘門啟閉失效等嚴重健康問題,應根據(jù)工程健康診斷結(jié)果的嚴重程度,對質(zhì)量缺陷進行消缺處理,對防洪安全、結(jié)構(gòu)破損等病險大壩采取除險加固,包括壩體加固(如裂縫修補,尤其水下裂縫處理)、壩面保護、壩體防滲及排水處理、泄洪設施改擴建、金屬結(jié)構(gòu)更換修復等工程整治措施,以繼續(xù)發(fā)揮水庫的正常效益。

1.3 主要特征

1.3.1 多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)

涉及水電工程安全的信息種類有工程地質(zhì)、水文氣象、設計資料、施工質(zhì)量、安全監(jiān)測、性態(tài)檢測、視頻信息等,這些數(shù)據(jù)有靜態(tài)的、有動態(tài)的,有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、也有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),還有相對模糊的專家經(jīng)驗與知識,通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行存儲、融合、重構(gòu),為水電工程“三甲醫(yī)院”提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3.2 全生命周期服務

跑出樹林后，我坐在河邊喘了好一陣氣，估計沒有危險了，便又悄悄地返回樹林里，檢閱我的“戰(zhàn)果”。我看到馬蜂窩躺在樹下的一片水洼里，馬蜂們正驚慌失措地在上面爬來爬去，透明的翅膀不規(guī)則地顫動著，一副可憐的樣子。

水電工程“三甲醫(yī)院”貫穿于水電工程設計、工程建造和運行維護管理全生命周期各階段,通過工程設計、工程建造“出生”信息結(jié)合運行維護管理的智慧感知“成長”信息及基于專業(yè)知識的分析,實時評價工程的安全情況及預測變化趨勢,可真正確保對水電工程的全方位把控,保障安全運行。

1.3.3 全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

水電工程“三甲醫(yī)院”,不僅能看病,還能治病。國內(nèi)設計咨詢企業(yè)、水電施工建設企業(yè)、設備制造企業(yè)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)企業(yè)相互攜手,從安全信息采集、安全評估、缺陷修復、智慧信息系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈與全過程進行水電工程大壩安全監(jiān)控、評估與修復,為客戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈集成、一體化的一站式系統(tǒng)性服務解決方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 監(jiān)測與檢測技術(shù)

2.1.1 安全監(jiān)測技術(shù)

安全監(jiān)測是利用已埋設安裝的監(jiān)測傳感器或安裝的監(jiān)測裝置,基于全方位、全過程、信息化的動態(tài)理念,全面捕捉水工建筑物不同工況下的變形、滲流、應力應變及溫度、降水量等效應量及環(huán)境量。依據(jù)變形、滲流、應力應變等監(jiān)測儀器設備獲得的實時數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),進行監(jiān)測設施與監(jiān)測資料評價。目前監(jiān)測技術(shù)總體朝著光纖傳感器、非接觸、自動化等方向發(fā)展。如隨著3S技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感、GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))變形監(jiān)測、合成孔徑雷達、激光三維掃描變形監(jiān)測等非接觸表面變形監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛的應用(圖1),克服了傳統(tǒng)表面變形監(jiān)測固有的測讀不方便、無法長距離及大范圍監(jiān)測、環(huán)境影響嚴重等缺陷。

圖1 先進的非接觸測量技術(shù)和GIS應用

2.1.2 檢測與探測技術(shù)

檢測及探測是利用水、陸、空等先進的檢測儀器設備(如水下聲吶、淺地層剖面儀、三維激光掃描系統(tǒng)、無人機等),對擋水建筑物、泄洪消能建筑物、洞室建筑物、金屬結(jié)構(gòu)及庫區(qū)的運行狀況進行檢測和探查。如依據(jù)多波束、水下機器人等檢測設備獲得的測量數(shù)據(jù),進行混凝土缺陷、泥沙淤積、金屬結(jié)構(gòu)等項目探測。主要有基于紅外熱成像、地質(zhì)雷達的面板脫空探測技術(shù);基于多波束探測系統(tǒng)的水下全覆蓋探查技術(shù);基于三維激光掃描系統(tǒng)的庫岸邊坡、壩體(水上)、泄洪洞/道等部位混凝土全覆蓋掃描技術(shù);基于水下無人潛器,搭載多種外部傳感器(聲吶等),工程外觀質(zhì)量水下詳查技術(shù);基于淺地層剖面儀,水下淤積厚度與結(jié)構(gòu)探查技術(shù)等,可快速直觀地得到相關(guān)設施的運行狀態(tài)信息(圖2)。

圖2 水下綜合探測及BIM技術(shù)結(jié)合的運行狀態(tài)探測

2.2 健康診斷技術(shù)

根據(jù)水電工程安全評價項目的具體設置,結(jié)合不同工程的具體特點,建立水電工程大壩健康狀態(tài)診斷的指標體系,在相關(guān)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上,確定大壩健康狀態(tài)等級。主要有基于統(tǒng)計分析、數(shù)模計算、定性評價并結(jié)合設計計算成果、規(guī)范允許值等的監(jiān)控指標綜合擬定技術(shù);基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的單測點閾值評判技術(shù);基于實測資料、模糊層析分析法的大壩安全評價技術(shù)等。

應嘗試研究基于人工智能領(lǐng)域中的深度學習、認知與推理等學科,借助融合人工智能、傳統(tǒng)數(shù)學物理模型與專家系統(tǒng)的智慧模型進行大壩安全健康診斷。

2.3 大壩缺陷修復技術(shù)

主要包括病險壩除險加固技術(shù)、大壩改擴建技術(shù)以及大壩維護技術(shù),在保障工程安全運行的同時,獲得最大的收益。其中,水下結(jié)構(gòu)缺陷處理技術(shù)已成為大壩安全領(lǐng)域一項亟待研究的重要技術(shù)。常見的水下工程缺陷有:擋水壩體滲漏、結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)沖坑破損、水下透水事故、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕老化等。與之對應的有潛水安全作業(yè)技術(shù)(圖3，世界最大規(guī)模的氦氧混合氣潛水作業(yè)),壩體滲漏處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)缺陷處理技術(shù)、水下透水通道封堵技術(shù)、水下防腐技術(shù)、水下焊接技術(shù)等。

圖3 某電站大壩深水缺陷治理

2.4 大壩安全風險管理及應急技術(shù)

影響大壩安全的風險因素主要包括工程風險因素、人為風險因素、環(huán)境風險因素三部分。結(jié)合大壩風險調(diào)查,利用數(shù)理統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)挖掘工具確立可能引起大壩失事的潛在風險源,進而對風險等級進行評估[11-12],選擇合適的風險處理方案。對于風險可接受的大壩,其暫時可不進行加固處理;對于風險可容忍的大壩,應采用“最低合理可行”原則分析判斷是否采取措施降低風險;對于風險不可接受的大壩,應立即采取措施降低大壩風險。

2.5 基于GIS+BIM的管理及預警信息平臺

圖4 水電站安全監(jiān)測可視化管理及預警系統(tǒng)

隨著社會信息化的發(fā)展,水電工程信息化已經(jīng)成為水電工程現(xiàn)代化建設的基礎(chǔ)和重要標志。集數(shù)字化、信息化、可視化于一體且結(jié)合工程實際的水電工程全生命周期安全信息三維可視化平臺(圖4),集成水情、監(jiān)測、運行調(diào)度等信息化管理系統(tǒng),融合結(jié)構(gòu)仿真計算、健康診斷、風險分析等的輔助決策模塊,能夠有效提升水電工程管理的技術(shù)水平。

黨的十九大報告提出,推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。應嘗試將VR/AR、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)引入水電工程領(lǐng)域,將傳統(tǒng)水電技術(shù)和人工智能結(jié)合,打造普適性、開放性、包容性的智慧信息平臺。

3 分級管理體系

正如醫(yī)院需要依據(jù)功能、設施、技術(shù)力量等指標,進行資質(zhì)評定、分級分等一樣(醫(yī)院分一、二、三級,每級再劃分為甲、乙、丙三等,其中三級醫(yī)院增設特等),宜從企業(yè)資歷、信譽和業(yè)績、技術(shù)條件、技術(shù)裝備及管理水平等方面對從事大壩安全服務的機構(gòu)分級分等,便于開展實際工作。其中,級別跟隨企業(yè)自身勘察、設計、施工或咨詢資質(zhì),如綜合甲級、設計甲級、乙級等,承擔對應工程項目的主體工程及其配套工程的設計、施工、咨詢等安全業(yè)務,而后根據(jù)企業(yè)大壩安全服務的技術(shù)人員、技術(shù)裝備、相關(guān)業(yè)績、社會評價等方面進行分一等、二等。

針對缺陷檢測、水下修復等水電工程大壩安全業(yè)務,還需要相關(guān)行業(yè)或協(xié)會專項資質(zhì),在分級分等時亦需考慮。如水下檢測時,技術(shù)人員需持有水下工程檢測員證、潛水員證等[14],實施機構(gòu)需具備對應水下工程檢測機構(gòu)能力等級;進行信息系統(tǒng)集成開發(fā)時,機構(gòu)需具備相應計算機信息系統(tǒng)集成資質(zhì)。

已獲得級別、等別的服務機構(gòu),對滿足條件的可申請高一等級的評估。級別跟隨企業(yè)資質(zhì)晉升,根據(jù)申報等級相符的技術(shù)人員、技術(shù)裝備、相關(guān)業(yè)績、社會評價等進行晉等評估。

4 結(jié) 語

水電工程作為支撐全球可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設施,其安全事關(guān)工程效益、事關(guān)下游人民群眾生命財產(chǎn)安全和當?shù)厣鐣舶踩?如何進一步做好安全管理工作,尤為重要。工程與信息融合的水電工程“三甲醫(yī)院”,基于“體檢-開方-動手術(shù)”的思路,綜合利用監(jiān)測檢測技術(shù)、健康診斷技術(shù)、缺陷修復技術(shù)、風險管理與應急處置等,對水電工程進行實時監(jiān)控、定期檢查、安全評價、除險加固與綜合整治,并借助數(shù)字化、信息化、可視化于一體且結(jié)合工程實際的三維可視化平臺,系統(tǒng)性、全方位、全過程提供安全服務,保障工程安全運行。

應當指出,在水電工程“三甲醫(yī)院”建立及運營中,仍會面臨諸多問題,如應急處置體系、分級體系指標量化、安全信息智慧平臺,需要人們不斷研究并推廣。