張宏禎，張鵬舉，徐寶山

（甘肅省疏勒河流域水資源局,735211,玉門）

水庫大壩安全監(jiān)測與數(shù)據(jù)資料整編分析是大壩日常管理的一項(xiàng)重要工作。為準(zhǔn)確掌握大壩運(yùn)行狀態(tài)，各個(gè)水庫大壩都會根據(jù)大壩類型和規(guī)模設(shè)計(jì)監(jiān)測項(xiàng)目，或者參考大壩安全監(jiān)測規(guī)范開展大壩安全數(shù)據(jù)監(jiān)測。由于數(shù)據(jù)分析主要依靠人工實(shí)現(xiàn)，造成觀測數(shù)據(jù)不能及時(shí)有效處理，為水庫大壩安全運(yùn)行埋下隱患。近年，隨著水利信息化的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到水利行業(yè)的范圍越來越廣，水庫大壩自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法也取得了一定進(jìn)展。目前，大部分水庫大壩開始對安全監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行更新改造，從原來的人工觀測轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)觀測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，在數(shù)據(jù)采集方面發(fā)揮了巨大的作用。但是,安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)涉及信息化專業(yè)領(lǐng)域，相關(guān)人員缺乏水利業(yè)務(wù)知識，行業(yè)和領(lǐng)域之間缺乏深度結(jié)合，在數(shù)據(jù)分析方面依然存在許多問題和不足，僅僅停留在簡單統(tǒng)計(jì)匯總上，不能為水庫管理單位提供專業(yè)指導(dǎo)和智能評判。

一、基本情況

疏勒河灌區(qū)內(nèi)建有昌馬、雙塔兩座大（2）型水庫和赤金峽1座中型水庫，總庫容4.72億m3。昌馬水庫于2001年建成并蓄水，總庫容1.934億m3，是疏勒河流域的龍頭工程。水庫開工建設(shè)至運(yùn)行至今，只有極少部分安全監(jiān)測設(shè)備能夠正常運(yùn)行且只有手工觀測記錄數(shù)據(jù)而無分析成果，其余部分都處于廢置狀態(tài)。雙塔水庫始建于1958年，原設(shè)計(jì)總庫容2.4億m3，2016年對雙塔水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固維修改造工程，已經(jīng)更新改造全部設(shè)施設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)觀測和記錄，但仍無法實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)分析和處理，僅僅停留在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)層面。赤金峽水庫始建于1958年，水庫大壩安全監(jiān)測手段整體落后，全部采用傳統(tǒng)人工觀測和統(tǒng)計(jì)分析。因此，疏勒河流域三座水庫大壩安全觀測設(shè)備和觀測數(shù)據(jù)都未能達(dá)到規(guī)范要求，均不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測和自動(dòng)分析，不能有效為水庫的安全運(yùn)行提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐和設(shè)備保障。

為保障水庫大壩自身安全及下游灌區(qū)用水安全，本文通過對水庫大壩安全監(jiān)測綜合系統(tǒng)的分析研究，以解決水庫工程安全隱患為目標(biāo)，開發(fā)一種基于云桌面超融合技術(shù)下大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集存儲系統(tǒng)，為水庫運(yùn)行調(diào)度、防洪抗旱指揮提供直接、可靠、及時(shí)的信息及決策依據(jù)。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)構(gòu)架組成

疏勒河智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要基于疏勒河干流水資源監(jiān)測和調(diào)度管理綜合信息系統(tǒng)桌面云平臺開發(fā)，桌面云超融合平臺是通過虛擬化技術(shù)，將計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能（安全及優(yōu)化）深度融合到一臺標(biāo)準(zhǔn)X86服務(wù)器中，形成的標(biāo)準(zhǔn)化超融合單元。多個(gè)超融合單元通過網(wǎng)絡(luò)方式匯聚成數(shù)據(jù)中心整IT基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過統(tǒng)一的WEB管理平臺實(shí)現(xiàn)可視化集中運(yùn)維管理，IT架構(gòu)可根據(jù)用戶隨需應(yīng)變、平滑演進(jìn)。

桌面云以服務(wù)器虛擬化為基礎(chǔ)，允許多個(gè)用戶桌面以虛擬機(jī)的形式獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)共享CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接和存儲器等底層物理硬件資源。

智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測并以圖、文信息進(jìn)行發(fā)布，支持有權(quán)限的遠(yuǎn)程用戶利用瀏覽器及移動(dòng)端進(jìn)行瀏覽查詢。對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)模型、應(yīng)力應(yīng)變、滲壓系數(shù)和監(jiān)控指標(biāo)等方面進(jìn)行分析，利用數(shù)據(jù)在線評判功能模塊，結(jié)合傳統(tǒng)閾值比對獨(dú)立預(yù)警和層次分析法，借助人工智能前沿成果，構(gòu)建大壩安全目標(biāo)綜合評價(jià)體系，提供準(zhǔn)確的大壩運(yùn)行工況信息，輔助水庫大壩運(yùn)行預(yù)警，為管理人員提供決策支持信息。

該系統(tǒng)模塊統(tǒng)一集成到疏勒河干流水資源監(jiān)測和調(diào)度管理綜合信息系統(tǒng)平臺，以實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化和信息網(wǎng)絡(luò)化，存儲高效、擴(kuò)展性強(qiáng)，為領(lǐng)導(dǎo)部門提供決策支持信息，使平臺成為權(quán)威性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息中心。

（1）基于GIS的綜合展示

平臺能提供地理信息底圖服務(wù)、工程部位、設(shè)備標(biāo)注服務(wù)，實(shí)時(shí)預(yù)警狀態(tài)顯示服務(wù)。通過加載GIS底圖，實(shí)時(shí)顯示工程及傳感器所在地圖位置，查看監(jiān)測儀器具體位置和相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并依靠圖標(biāo)閃動(dòng)等方式提示測站異常警告等信息。

（2）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)信息管理模塊是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障，主要實(shí)現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的基本維護(hù)管理工作。主要包括工程管理、用戶信息管理、修改密碼、操作日志、權(quán)限管理、文檔管理、基本資料管理等功能。

（3）設(shè)備管理

設(shè)備管理主要包括采集儀管理、傳感器管理等。主要對安全監(jiān)測的工程設(shè)備信息進(jìn)行配置管理,可以進(jìn)行設(shè)備的添加、查詢、編輯和刪除。

2.監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括統(tǒng)計(jì)模型分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、滲壓系數(shù)分析、監(jiān)控指標(biāo)分析、數(shù)據(jù)在線評判。

統(tǒng)計(jì)模型分析對選中的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，得到測點(diǎn)各影響因素權(quán)重及擬合公式，解釋監(jiān)測量的變化規(guī)律和原因，分解監(jiān)測量的組成成分，分析各影響量的對比關(guān)系，剔除粗差超限測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對比剔除粗差前后測值過程線，并根據(jù)擬合模型預(yù)測環(huán)境量及測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

應(yīng)力應(yīng)變分析對應(yīng)變類測點(diǎn)（多向應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算混凝土徐變應(yīng)力及主應(yīng)力。

滲壓系數(shù)分析對滲流類測點(diǎn)（滲壓計(jì)、測壓管）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算該測點(diǎn)的滲壓系數(shù)。

監(jiān)控指標(biāo)分析對變形類（垂線儀、引張線等）測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到測點(diǎn)的監(jiān)控指標(biāo)最大、最小值信息。

監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)對變形類測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型和監(jiān)控指標(biāo)分析結(jié)果，對數(shù)據(jù)測值進(jìn)行智能評價(jià)，為大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

3.智能化評價(jià)

（1）安全評價(jià)分析

針對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用灰色系統(tǒng)理論和過程突變理論，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)在線檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性和真實(shí)性進(jìn)行在線檢驗(yàn)，采用模糊測度和模糊積分算法，梳理監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確度高、能夠代表大壩安全運(yùn)行的評價(jià)大數(shù)據(jù)庫。依據(jù)鑒定標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測規(guī)范，對大壩安全進(jìn)行定期評價(jià)、實(shí)時(shí)評價(jià)和動(dòng)態(tài)評價(jià)，形成數(shù)據(jù)評價(jià)報(bào)告。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價(jià)報(bào)告，采用層次分析法確定權(quán)重向量和安全影響因子，通過權(quán)重融合原理將模糊一致判斷矩陣法和均方差法確定的兩種權(quán)重系數(shù)綜合得出診斷元素的最終權(quán)重。在確定模糊評價(jià)矩陣各因素的隸屬度過程中，針對定性因子采用逐級估量法和專家評分法進(jìn)行隸屬度確定，并應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立基于自學(xué)習(xí)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模型，預(yù)測預(yù)報(bào)大壩安全狀態(tài)演進(jìn)趨勢，建立具有邏輯推理功能的大壩安全監(jiān)測專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大壩安全智能決策支持功能。最終軟件系統(tǒng)對水庫大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合預(yù)評價(jià)，按預(yù)先設(shè)置的三種狀態(tài)（正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、險(xiǎn)情狀態(tài)）發(fā)布預(yù)警輸出和人機(jī)互動(dòng)。

圖1 華為桌面云架構(gòu)圖

（2）預(yù)警預(yù)報(bào)

正常狀態(tài)指大壩完成設(shè)計(jì)功能后不存在影響正常使用的明顯缺陷，且各主要監(jiān)測量的變化連續(xù)在允許區(qū)間內(nèi)；異常狀態(tài)指大壩工程的某些功能已不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，或主要監(jiān)測量頻繁出現(xiàn)異常而可能影響正常使用；險(xiǎn)情狀態(tài)指大壩工程出現(xiàn)危及安全的嚴(yán)重缺陷或環(huán)境監(jiān)測量中危及安全的因素正在加劇，致使主要監(jiān)測量出現(xiàn)較大異常，按設(shè)計(jì)條件繼續(xù)運(yùn)行將會出現(xiàn)大事故的狀態(tài)。

預(yù)警預(yù)報(bào)模塊主要包括發(fā)送配置、預(yù)警配置、模板管理和預(yù)警信息四部分。在三種狀態(tài)下，都有相應(yīng)的觸發(fā)閾值，一旦達(dá)到某種狀態(tài)，預(yù)警模塊可根據(jù)定制的發(fā)送規(guī)則，發(fā)送水庫大壩運(yùn)行狀態(tài)消息。管理人員可以根據(jù)生成的評價(jià)報(bào)告和狀態(tài)信息及時(shí)對水庫大壩安全運(yùn)行制定準(zhǔn)確的措施辦法，為水庫運(yùn)行調(diào)度提供直接、可靠、及時(shí)的信息及決策依據(jù)。

三、結(jié) 語

疏勒河智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建成能夠?qū)崿F(xiàn)在云桌面超融合技術(shù)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，存儲匯總后進(jìn)行自動(dòng)分析、對比、展示，并形成數(shù)據(jù)評價(jià)報(bào)告。系統(tǒng)借助評價(jià)數(shù)據(jù)庫和評價(jià)報(bào)告自動(dòng)評判水庫大壩運(yùn)行狀態(tài)，通過設(shè)置觸發(fā)閾值發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)消息，為強(qiáng)化水庫監(jiān)管、安全運(yùn)行和效益發(fā)揮提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。