陳 豪，邱小弟，丁玉江，蔣金磊，許后磊，王龍寶，王海燕

(1.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650003；4.河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

我國水力資源總量居世界首位，水電開發(fā)在近30年的高速發(fā)展中實現(xiàn)了從“追趕者”到“引領者”的跨越。截至2017年底，中國水電裝機容量達3.4億kW，約占全國電力總裝機的20%，占全球水電裝機容量的26.9%；全球已建在建200 m及以上高壩96座，我國占34座；250 m以上高壩20座，我國占7座[1-2]。在有效發(fā)揮大量水利水電工程巨大經(jīng)濟效益和社會效益的同時，有效判別工程運行過程中的潛在隱患和安全風險，成為了各類大壩運行過程中的重點與難點。隨著信息技術在工程領域的快速發(fā)展，大壩安全管理由狀態(tài)監(jiān)測逐步過渡至狀態(tài)分析與診斷正成為提升大壩安全管控水平的新途徑[3]。國內(nèi)許多學者對大壩安全風險分析已做了一定的研究。谷艷昌等[4]建立了的混凝土壩變形預警指標擬定方法；王培成等[5]研究了基于BIM的大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)；張宗亮[6]開展了超高面板堆石壩監(jiān)測信息管理與安全評價理論方法研究；易魁等[7]開展了基于小灣特高拱壩研發(fā)，構建了首個工程安全分析與決策支持系統(tǒng)，并投入實際應用。但專門針對重力壩型水電站，重點面向水電站層級的水工運行維護管理需求，綜合考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測兩方面內(nèi)容并引入大壩安全綜合評價體系，實時對大壩運行工況進行分析診斷的研究尚無先例。鑒于此，本文以西南某水電站為攻關對象，構建水電站工程安全管理決策系統(tǒng)，以期全面提升水電站以大壩為代表的水工建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、工程安全評判和安全管控智能化水平。

1 工程概況及現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

某水電站位于我國西南地區(qū)北南走向河流中游，是該河干流上建設的首個大型水電站，總裝機容量1 670 MW，以發(fā)電為主，兼有防洪、通航等綜合利用效益。水庫正常蓄水位994.0 m，相應庫容9.2億m3，具備季調(diào)節(jié)能力。樞紐工程由混凝土重力壩、壩后廠房、開關站、壩后水墊塘、左岸泄洪洞及沖沙底孔等建筑物組成，其中混凝土重力壩最大壩高132.0 m，壩頂長418.0 m，共分19個壩段。為保證電站長期運行安全，電站專門設計部署了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并將包括環(huán)境量、大壩變形、滲流、應力應變等監(jiān)測項目接入了自動化采集系統(tǒng)。

1.2 現(xiàn)狀分析

電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集與存儲，為電站運行提供了長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，但在應用過程中也發(fā)現(xiàn)了如下有待改進與完善的問題：

(1)大壩工況信息數(shù)字化采集與融合能力不足。除了目前廣泛部署的大壩安全監(jiān)測儀器和設備外，作為發(fā)現(xiàn)工程缺陷最直觀手段的水工巡檢和物探檢測仍以眼看尺量填表錄像為主，作業(yè)受人員技能經(jīng)驗水平影響較大，形成的文字和影像等工程缺陷描述信息數(shù)字化提取和存儲能力欠缺，成果以紙質(zhì)報告為主[8]。此外，諸如內(nèi)外觀自動化監(jiān)測、GNSS、水雨情監(jiān)測、強震監(jiān)測等各類電測采集系統(tǒng)緣于基礎數(shù)據(jù)庫結構和通信接口的差異，形成數(shù)據(jù)孤島，存在各類監(jiān)測、檢測成果空間相關性融合對比與隱患缺陷信息歷史趨勢分析評判困難等問題[9]，無法滿足“冗余設置，相互驗證”工程安全監(jiān)測設計部署原則。

(2)與數(shù)據(jù)實時采集相匹配的大壩狀態(tài)分析和診斷能力未形成。近年來各類電測儀器的自動化采集能力不斷提升，可根據(jù)工程需要設定數(shù)據(jù)采集頻次并實時存儲，但單日最高可達數(shù)萬條測值數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及其反應的建筑物工況潛在異常遠遠超出人腦判識和處理能力，僅僅依靠電測類儀器設定固定上下限值的異常報警對于處于初蓄期或特殊工況的水工建筑物異常評判亦被證明并不適用。造成大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，既不能根據(jù)測值波動來及時甄別儀器或系統(tǒng)自身故障，也無法依據(jù)效應量變幅來為遭遇極端工況后的大壩狀態(tài)快速診斷提供依據(jù)。

(3)適應水電站水工安全業(yè)務管理和風險應急處置的支持功能缺乏。目前廣泛使用的監(jiān)測自動化采集系統(tǒng)缺乏對監(jiān)測和巡檢信息從實時分析，異常診斷到跟蹤復核，缺陷等級判定再到分級報送和措施處理的水電站水工缺陷全流程閉環(huán)管理的支持。在地震、洪水等極端工況條件下，沒有將大壩工況綜合評價、風險擴散趨勢分析與水電站大壩安全應急預案分級關鍵節(jié)點和路徑緊密關聯(lián)，無法針對電廠運維層、管理層和決策層各級人員職能分級抽取與定制推送決策支持信息。

2 關鍵技術研發(fā)

2.1 水工安全運維數(shù)據(jù)資源整合技術

針對水電站水工安全運行數(shù)據(jù)多源異構分布存儲的特點，建立面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，構建數(shù)據(jù)資源目錄，對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一標準化的整理、抽取、轉(zhuǎn)換、遷移、重構，實現(xiàn)電站安全監(jiān)測元數(shù)據(jù)的管理，合理存儲和管理各種數(shù)據(jù)源；提出動態(tài)可配置的元數(shù)據(jù)映射機制，以及分布式流數(shù)據(jù)ETL框架與實時數(shù)據(jù)同步與訪問策略，研發(fā)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)匯集方法，建立安全監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換與集成、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)庫維護等功能，實現(xiàn)對所有涉及工程安全監(jiān)測與分析的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化統(tǒng)一管理，見圖1。

2.2 基于BIM的多源異構空間信息融合技術

構建可承載水工建筑全生命期各階段數(shù)據(jù)、過程和資源的電站樞紐區(qū)工程BIM模型，關聯(lián)映射大壩及測點相關屬性信息，通過空間插值算法網(wǎng)格化離散監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)展示水工建筑實際物理工況；利用空間數(shù)據(jù)引擎，在大壩三維可視化場景中融合安全監(jiān)測、水工巡檢、大壩壩基、壩體物探檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了海量多源異構數(shù)據(jù)的綜合深度融合，為后期數(shù)據(jù)聚合分析、關聯(lián)分析提供基礎；采用信息輕量化分層分級加載技術，實現(xiàn)三維場景下各類模型分層次加載。

圖1 水電站水工數(shù)據(jù)資源應用流程

2.3 基于實測數(shù)據(jù)的測點快速評判與大壩工況綜合評價技術

結合力學結構計算、自適應統(tǒng)計模型、歷時特征值、規(guī)范標準限值、變化速率等方法對不同儀器類型和工程部位測點的適用性與準確性進行分析，研發(fā)針對各類監(jiān)測儀器的單測點安全閾值；結合長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，遴選大壩安全關鍵測點，采樣典型小概率和置信區(qū)間法建立關鍵測點監(jiān)控指標，構建測點異常測值的快速甄別、跟蹤復核、動態(tài)評判系統(tǒng)機制[10-11]。抽象現(xiàn)行的監(jiān)測資料分析評價流程，按照監(jiān)測測點、監(jiān)測項目、工程局部至大壩整體逐級歸屬原則，建立測點效應量邏輯關聯(lián)性和空間關聯(lián)性，結合工程和監(jiān)測測點多年運行工程經(jīng)驗和可靠性統(tǒng)計，進行各層級的權重賦值，與巡檢、物探等成果綜合比對建立大壩監(jiān)測安全分級診斷模型，實現(xiàn)對大壩運行工況的綜合評價，見圖2。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構

結合關鍵技術與主要功能，將保障機制貫穿系統(tǒng)整體，并將系統(tǒng)邏輯架構自底向上劃分為5個層次，如圖3所示。

(1)運行環(huán)境。包括存儲設備、通訊網(wǎng)絡、計算資源、安全設施、通用軟件等各類軟、硬件環(huán)境。

(2)保障設施。包括標準體系、建設運行管理、安全管控和開發(fā)運行團隊等保障系統(tǒng)建設和運行所需投入的非技術類設施。

(3)信息采集層。由各系統(tǒng)定期采集監(jiān)測、巡檢數(shù)據(jù)，經(jīng)計算整編后轉(zhuǎn)換為監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集對各類多源監(jiān)測檢測成果數(shù)據(jù)進行實時匯聚。

(4)數(shù)據(jù)資源層。由成果數(shù)據(jù)庫、分析方法庫、CAE仿真庫、三維模型庫來提供對所有安全監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)的規(guī)范化統(tǒng)一管理及相應工具，為各類應用服務提供數(shù)據(jù)支撐與共享。

(5)應用支撐層。包括公共基礎、應用支撐和資源服務管理，負責向上層各業(yè)務應用系統(tǒng)提供公共統(tǒng)一的運行環(huán)境和主體支撐框架，將抽取出的各子系統(tǒng)功能模塊服務化，形成松耦合的服務群。

(6)業(yè)務應用層。由安全監(jiān)測信息查詢、安全綜合評價與預警、信息分級發(fā)布系統(tǒng)等多個業(yè)務應用組成，其核心是以工程安全分析方法庫為基礎的決策支持技術，為水工運維提供服務和支持。

圖2 大壩監(jiān)測安全分級診斷模型

圖3 系統(tǒng)總體框架

(7)應用展示層。通過網(wǎng)絡門戶為電站各級運管人員提供統(tǒng)一訪問和交互接口，通過BIM模型實現(xiàn)安全監(jiān)測成果和綜合評判信息的集中發(fā)布、共享與展示。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)水工巡檢。水工巡檢信息通過手機或PAD等移動終端代替紙質(zhì)表格、手持光源、攝像設備、測距儀器等工具，按照個性定制的巡檢區(qū)域和路線，現(xiàn)場記錄巡檢情況[8]。巡檢完畢后將巡檢數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)Service端，自動對巡檢、缺陷信息分類整編，統(tǒng)一管理，形成適應于水電站水工業(yè)務流程的缺陷臺賬和巡檢報表，如圖4所示。

圖4 水工巡檢移動端APP及Service端信息管理

(2)數(shù)據(jù)匯集。通過定期巡訪將分布存儲于各業(yè)務主題數(shù)據(jù)庫中的各類自動采集成果數(shù)據(jù)遷移至成果數(shù)據(jù)庫，并整合人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時水雨情、巡視檢查、物探檢查、工程檔案等數(shù)據(jù)資源，進行集成與存儲，實施統(tǒng)一標準化的數(shù)據(jù)整理、遷移及重構，消除數(shù)據(jù)孤島，為數(shù)據(jù)共享、綜合分析提供基礎支撐。此外，數(shù)據(jù)匯集平臺還可統(tǒng)計當天、累計一周和累計一月的測點采集缺失和計算成果缺失等類型的異常數(shù)據(jù)，并定位到對應DAU采集單元和模塊位置，提升自動化系統(tǒng)維護效能，如圖5所示。

圖6 電站樞紐區(qū)與監(jiān)測系統(tǒng)三維模型構建

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集過程與異常測點查詢

(3)BIM構建。結合電站工程設計和監(jiān)測設計資料，構建包括大壩及內(nèi)部廊道、壩后廠房、水墊塘、灌漿及排水洞室，以及各類安全監(jiān)測儀器和大壩芯樣，巡檢缺陷等的外觀和空間位置三維水工BIM模型，為各類監(jiān)測、物探、檢測、巡檢成果數(shù)據(jù)提供空間查詢、檢索、定位等多種可視化展示，并為進一步開展異常測點的空間聚類分析和重要缺陷巡檢路線規(guī)劃提供基礎支持。電站樞紐區(qū)與監(jiān)測系統(tǒng)三維模型構建示意如圖6所示。

(4)測點閾值分析與大壩綜合評判。首先，采用多層感知機MLP、差分自回歸移動平均模型、基于注意力機制的LSTM等7種長序列訓練數(shù)據(jù)擬合模型，四分位距法異常檢測、孤立森林等5種短期預測樣本數(shù)據(jù)異常處理模型，基于3σ評判準則對單測點數(shù)據(jù)進行閾值計算和閾值評判，融合結構計算、統(tǒng)計模型、歷時特征值、規(guī)范標準限值和關鍵測點監(jiān)控指標等多種方法，對工程監(jiān)測測點異常測值的快速甄別、跟蹤復核、動態(tài)評判。然后，建立基于工程經(jīng)驗和監(jiān)測系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定性權重賦值的大壩監(jiān)測安全分級綜合評價模型，實現(xiàn)適用于電站水工運維技術人員的大壩運行工況的快速評價。安全監(jiān)測閾值分析及綜合分析分級預警系統(tǒng)示意見圖7。

圖7 安全監(jiān)測閾值分析及綜合分析分級預警系統(tǒng)

(5)信息發(fā)布與業(yè)務支持。水工業(yè)務基礎管理門戶向電站各級水工運維技術人員提供了一體化工作臺，實現(xiàn)了各類監(jiān)測采集系統(tǒng)的一站式訪問和遠程控制。同時，結合電廠工程安全管控業(yè)務流程與關注重點，集中提供了水工巡檢、關鍵測點、數(shù)據(jù)匯集、閾值分析，綜合評判等側(cè)重于管理流程的統(tǒng)計成果和抽取信息，為電站運維層、管理層、決策層等多級用戶提供分層次、多形式的電站安全管理信息。水工業(yè)務基礎管理門戶示意見圖8。

圖8 水工業(yè)務基礎管理門戶

4 結 語

重力壩型水電站大壩安全診斷關鍵技術研究與系統(tǒng)開發(fā)過程中，在充分依托研究項目開展具探索性、創(chuàng)新性的關鍵技術研究的同時，緊密契合電站實際，從破解水電站大壩安全監(jiān)管與運維技術難題，滿足電站一線水工運維技術人員提質(zhì)增效工作需求出發(fā)，開展了科技研究到系統(tǒng)應用一步轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)研發(fā)工作。目前，系統(tǒng)已初步投入運行，正逐步轉(zhuǎn)變電站的現(xiàn)場水工安全管控模式。在后續(xù)工作中，項目還將結合工程特性和調(diào)度運行特點，研發(fā)地震、洪水等極端工況下的大壩工況快速診斷方案與應急管控決策支持模塊，進一步提升一線水工運維功效。