黃躍文，牛廣利，李端有，韓 笑，周華艷

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010； 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

水庫(kù)大壩是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，水庫(kù)大壩建設(shè)及運(yùn)行安全是國(guó)家戰(zhàn)略需求，受到各級(jí)政府、主管部門和運(yùn)行管理單位的高度重視[1]。大壩安全監(jiān)測(cè)作為水庫(kù)大壩運(yùn)行狀態(tài)的耳目，通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)和巡視檢查等技術(shù)手段，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的處理措施，是工程安全運(yùn)行的重要保障[2]。

根據(jù)水利部2016年組織開展的全國(guó)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果顯示，近年來(lái)我國(guó)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)水平明顯進(jìn)步，但仍普遍存在著法規(guī)制度不健全、專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)投入偏低、監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善、監(jiān)測(cè)分析預(yù)警薄弱等不足[3]，水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施技術(shù)陳舊、數(shù)據(jù)采集傳輸穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性不足、安全監(jiān)測(cè)信息化軟件功能單一、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘利用不充分等問(wèn)題突出，亟需進(jìn)一步提升水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)工作水平。

目前，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展[4]，有力促進(jìn)了傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)也為智慧水利建設(shè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，促進(jìn)了水治理能力的現(xiàn)代化[5]。與此同時(shí)，在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，迫切需要大力推進(jìn)新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)專業(yè)的深度融合，有效提升大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知水平與智慧應(yīng)用能力。

近年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的支持下，長(zhǎng)江科學(xué)院搶抓信息化發(fā)展機(jī)遇，積極探索技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，深入開展了大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與智慧管理技術(shù)研究及應(yīng)用工作，為支撐水利大壩工程建設(shè)及運(yùn)行安全做出了積極貢獻(xiàn)。

2 總體技術(shù)框架

大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與智慧管理技術(shù)總體框架如圖1所示，主要?jiǎng)澐譃楦兄獙?、傳輸層、?shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和用戶層，并遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、保障環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)安全體系。

圖1 技術(shù)總體框架Fig.1 General technical framework

(1)感知層：主要通過(guò)安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)施實(shí)現(xiàn)變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等大壩安全性態(tài)信息感知，并利用智能采集單元進(jìn)行感知層數(shù)據(jù)采集。

(2)傳輸層：通過(guò)以太網(wǎng)、4G、5G、LoRa(長(zhǎng)距離傳輸)、NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))等通信技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)匯聚。

(3)數(shù)據(jù)層：作為數(shù)據(jù)資源池，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，并為智慧應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，涵蓋安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、施工過(guò)程數(shù)據(jù)及相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

(4)平臺(tái)層：包括智慧使能平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)，可為應(yīng)用層提供專業(yè)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警模型和BIM(建筑信息模型)+GIS等平臺(tái)支撐。

(5)應(yīng)用層：為大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)的具體應(yīng)用，涵蓋安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、管理、整編、分析、監(jiān)控預(yù)警等全方位業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(6)用戶層：包括水行政主管部門、監(jiān)督管理部門、運(yùn)行管理單位以及第三方咨詢或服務(wù)單位。

3 智能感知技術(shù)

長(zhǎng)江科學(xué)院綜合運(yùn)用新一代傳感與采集技術(shù)，研發(fā)了智能傳感器、智能采集單元和物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)，構(gòu)建了全生命周期大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知全景信息模型，實(shí)時(shí)獲取并分析建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 智能傳感器

基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)[6]的智能傳感器相比于傳統(tǒng)工藝傳感器，具備體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可靠性和智能化程度，非常適用于大壩安全監(jiān)測(cè)智能傳感器領(lǐng)域。

長(zhǎng)江科學(xué)院開展了MEMS傳感器濾波、溫度補(bǔ)償和儀器標(biāo)定算法研究，研發(fā)了基于MEMS的地表傾角儀、固定測(cè)斜儀和陣列式位移計(jì)3種新型智能傳感器，將其主要應(yīng)用于大壩、邊坡、洞室的變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

(1)地表傾角儀是為了監(jiān)控邊坡表面崩塌前兆而研發(fā)的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備。研發(fā)集成MEMS傾角傳感器、加速度傳感器、LoRa無(wú)線通信模塊、低功耗CPU和鋰亞電池為一體的智能傳感器，實(shí)現(xiàn)傾斜變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

(2)固定式測(cè)斜儀[7]適用于面板壩、邊坡、滑坡體、基坑等深部變形監(jiān)測(cè)。采用基于MEMS的雙軸傾角芯片作為核心測(cè)量元件，通過(guò)CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線方式進(jìn)行通信，提高固定測(cè)斜儀的實(shí)時(shí)性與可靠性，并具有誤差修正、溫度補(bǔ)償和故障自檢等功能。

(3)陣列式位移計(jì)是具有多個(gè)單位長(zhǎng)度的傳感器測(cè)量單元，運(yùn)用柔性關(guān)節(jié)連接相鄰的兩個(gè)傳感器測(cè)量單元，利用MEMS三軸加速度傳感器計(jì)算每節(jié)傳感器三維姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)整體位移監(jiān)測(cè)，主要應(yīng)用于洞室收斂變形、大壩沉降和邊坡水平位移監(jiān)測(cè)。

3.2 智能采集單元

基于物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)和研發(fā)了CK系列大壩安全監(jiān)測(cè)智能采集成套設(shè)備，包括自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元[8]、無(wú)線低功耗采集單元[9]、手持振弦差阻讀數(shù)儀[10]，三款智能采集設(shè)備能夠滿足水庫(kù)大壩施工期及運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)高效可靠采集的工作需求。

3.2.1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元

針對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的數(shù)據(jù)采集傳輸穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性不足等問(wèn)題，基于嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)了CK-MCU自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元，能夠進(jìn)行振弦式、差阻式、電流、電壓等不同原理和類型傳感器的多通道復(fù)用測(cè)量和人工比測(cè)，具備RS232、RS485、以太網(wǎng)和藍(lán)牙等多種接口，支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量、定時(shí)自動(dòng)巡測(cè)、智能觸發(fā)召測(cè)等功能。自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元及其接口如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元及其接口示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic data acquisitionunit and its interface

自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元支持多終端配置模式，能夠使用手機(jī)藍(lán)牙、內(nèi)置Web網(wǎng)頁(yè)、云平臺(tái)系統(tǒng)等多種方式進(jìn)行配置操作，通過(guò)以太網(wǎng)、光纖組建大型通訊網(wǎng)絡(luò)，適用于運(yùn)行期永久性安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)工程，具有很好的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。

自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元具有振弦波形分析功能，能夠準(zhǔn)確測(cè)量振弦回波信號(hào)的幅值、信噪比、衰減率和干擾頻率指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了埋入式振弦儀器回波信號(hào)質(zhì)量分析，為埋入式振弦儀器鑒定提供了新方法。

3.2.2 無(wú)線低功耗采集單元

在大壩施工期或工程邊坡等野外環(huán)境下，為解決由于現(xiàn)場(chǎng)缺少穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)和有線通信媒介而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)采集的難題，研發(fā)了一套基于LoRa技術(shù)的CK-LAT無(wú)線低功耗采集單元，采用協(xié)處理器技術(shù)有效解決了低功耗和高性能的沖突問(wèn)題，既保障了采集所需的高性能資源，又滿足了設(shè)備低功耗運(yùn)行需求。

如圖3所示，無(wú)線低功耗采集單元分為數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集儀2個(gè)部分。數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集儀均內(nèi)置LoRa通訊模塊，數(shù)據(jù)集中器通過(guò)LoRa無(wú)線傳輸方式向數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送指令，數(shù)據(jù)采集儀接收控制指令，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，并且將采集數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器收集多個(gè)采集儀的數(shù)據(jù)并傳送至物聯(lián)感知平臺(tái)，最終匯聚至安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，用戶通過(guò)電腦或者手機(jī)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及分析。

圖3 基于LoRa的無(wú)線低功耗數(shù)據(jù)采集單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of wireless low-powerdata acquisition unit based on LoRa

數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)LoRa進(jìn)行無(wú)線通信，LoRa基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，并且LoRa信號(hào)對(duì)建筑物的穿透力很強(qiáng)，非常適合作為大壩安全監(jiān)測(cè)的無(wú)線通信手段；無(wú)線低功耗采集單元支持電池供電或其他能量收集方式供電，在內(nèi)置電池情況下可工作2～3 a，并且更換電池后可以繼續(xù)使用。

3.2.3 手持振弦差阻讀數(shù)儀

對(duì)于未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)的安全監(jiān)測(cè)儀器，需要進(jìn)行人工觀測(cè)；常規(guī)的工作方式是工作人員攜帶振弦式讀數(shù)儀或者差阻式讀數(shù)儀到現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)，手工將儀器編號(hào)和數(shù)據(jù)抄寫至紙質(zhì)記錄本，再將數(shù)據(jù)錄入至電子表格或者信息管理系統(tǒng)中。此類工作模式不僅效率較低，并且存在著數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤、工作人員隨意編造數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

為提高人工測(cè)讀工作效率，基于電子標(biāo)簽、藍(lán)牙通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制了CK-ZX-1手持振弦差阻讀數(shù)儀，并開發(fā)配套智能APP應(yīng)用；通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙與手持振弦差阻讀數(shù)儀通信，APP自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)手機(jī)NFC功能讀取儀器編號(hào)，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與儀器編號(hào)的對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和云端同步。

手持振弦差阻讀數(shù)儀不僅能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，還能夠通過(guò)手機(jī)APP識(shí)別工作人員身份，保證現(xiàn)場(chǎng)儀器的監(jiān)測(cè)頻次以及數(shù)據(jù)的真實(shí)性，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行監(jiān)督管理，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)管理工作的模式創(chuàng)新。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)

水庫(kù)大壩現(xiàn)場(chǎng)采用的安全監(jiān)測(cè)傳感器和采集設(shè)備類型多樣，傳輸協(xié)議各異，現(xiàn)場(chǎng)往往安裝多種類型的采集軟件，購(gòu)置成本高，且易形成數(shù)據(jù)孤島；另外，目前數(shù)據(jù)采集軟件多為單機(jī)版軟件，升級(jí)維護(hù)工作量大，應(yīng)用范圍小，不滿足大型或分布式安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用需求。

通過(guò)研發(fā)大壩安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)，基于可配置化通信協(xié)議與規(guī)范化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一接入多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議、多平臺(tái)、多地域安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，滿足高并發(fā)設(shè)備快速接入，涵蓋設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、指令下發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，并提供豐富的數(shù)據(jù)API接口，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面感知與開放物聯(lián)。

4 智慧管理技術(shù)

在大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與物聯(lián)傳輸技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)一步開展了大壩安全監(jiān)測(cè)智慧管理技術(shù)研究與開發(fā)工作，建設(shè)了統(tǒng)一的大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源池，研發(fā)了通用化安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)，搭建了專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)和綜合可視化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析及展示等全鏈路應(yīng)用[11]，為保障工程建設(shè)及運(yùn)行安全提供全生命周期智慧解決方案。

4.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源池

大壩安全監(jiān)測(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)資源復(fù)雜多樣，主要包括各類大壩安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)施基礎(chǔ)信息、原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、整編成果數(shù)據(jù)，水情、雨情、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)，開挖、支護(hù)、澆筑、灌漿等施工信息，強(qiáng)震、視頻、遙感等專項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及工程調(diào)度運(yùn)行、管理、巡查等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)格式包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)分散在各級(jí)管理部門、各專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，形成了“數(shù)據(jù)孤島”。

為實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源的整合匯聚和融合應(yīng)用，在充分調(diào)研和梳理的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)據(jù)資源目錄和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了數(shù)據(jù)集成接口服務(wù)，打破業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成；基于分布式文件系統(tǒng)構(gòu)建了統(tǒng)一的大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源池，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)匯聚、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)治理與資源共享，為大壩安全智慧應(yīng)用提供數(shù)據(jù)底座。

4.2 通用云服務(wù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)多數(shù)為單機(jī)版軟件，僅具備數(shù)據(jù)采集及整編管理功能，一般需要專用軟硬件環(huán)境進(jìn)行安裝部署，并配備專人進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)；普遍存在著信息資源開發(fā)利用不夠、運(yùn)行維護(hù)成本較高、重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題。

基于SaaS(Software-as-a-Service，軟件即服務(wù))云計(jì)算模式和微服務(wù)架構(gòu)，研發(fā)了通用化大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)，以按需購(gòu)買、按量付費(fèi)的模式提供給用戶，用戶只需瀏覽器即可訪問(wèn)系統(tǒng)，無(wú)需安裝專用客戶端軟件；大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在云計(jì)算環(huán)境中集中進(jìn)行部署和維護(hù)，避免了軟硬件環(huán)境的重復(fù)建設(shè)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。

大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)支持用戶自定義工程信息、測(cè)點(diǎn)信息、測(cè)點(diǎn)類型、成果形式與分析方法，具備多級(jí)權(quán)限控制體系及分布式應(yīng)用模式，適用于單個(gè)水庫(kù)大壩、流域梯級(jí)水庫(kù)大壩、區(qū)域水庫(kù)大壩、引調(diào)水工程等各類應(yīng)用場(chǎng)景，滿足安全監(jiān)測(cè)統(tǒng)一管理和集中分析需求，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)信息現(xiàn)地管理到集中管控的模式創(chuàng)新。

傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)與安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)的主要特征對(duì)比見表1。

表1 傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與云服務(wù)系統(tǒng)對(duì)比Table 1 Comparison between traditional securitymonitoring system and cloud service system

4.3 專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)

為提高大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用價(jià)值，在大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依據(jù)安全監(jiān)測(cè)規(guī)范規(guī)程，融合安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控與分析評(píng)價(jià)理論與方法，開發(fā)專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)，包括專項(xiàng)分析計(jì)算模塊、模型分析預(yù)測(cè)模塊和監(jiān)控預(yù)警模塊。

專項(xiàng)分析計(jì)算模塊按照變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分類，并針對(duì)重力壩、拱壩、土石壩、地下洞室等建筑物類型進(jìn)行定制開發(fā)；支持環(huán)境量、監(jiān)測(cè)物理量之間的相關(guān)性計(jì)算及趨勢(shì)分析；在變形監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)了垂線、引張線、靜力水準(zhǔn)、多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)斜儀等各類變形監(jiān)測(cè)儀器的成果聯(lián)合計(jì)算以及水平網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算功能；在滲流監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)了壩體浸潤(rùn)線、壩基揚(yáng)壓力分布、滲漏水匯總等分析計(jì)算功能；在應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力計(jì)回歸分析、應(yīng)變計(jì)組應(yīng)力計(jì)算等分析計(jì)算功能。

模型分析預(yù)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等主要監(jiān)測(cè)物理量的統(tǒng)計(jì)模型分析及預(yù)測(cè)功能，支持多元線性回歸、逐步回歸、主成分回歸等回歸算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自回歸小波等多種智能算法。

監(jiān)控預(yù)警模塊支持采用典型小概率法、置信區(qū)間法擬定大壩安全監(jiān)控指標(biāo)，建立大壩安全狀態(tài)分級(jí)預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)在線安全監(jiān)控。

4.4 綜合可視化應(yīng)用

在大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知、匯聚管理、數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，運(yùn)用豐富的圖表控件及GIS+BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)成果的綜合可視化表達(dá)，并在大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用。

在表格方面，實(shí)現(xiàn)各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表、特征值表的定制與生成，滿足周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)及各類專題報(bào)告生成需求；在圖形方面，支持以過(guò)程線圖、柱狀圖、餅狀圖、二維云圖、基于圖形的矢量分布圖等各類形式進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)成果表達(dá)；另外，基于GIS+BIM技術(shù)，在三維GIS場(chǎng)景中，將建筑物、監(jiān)測(cè)儀器設(shè)施等BIM技術(shù)與安全監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)成果的三維可視化表達(dá)。

為提高安全監(jiān)測(cè)決策支持能力，聚焦水行政主管部門、水庫(kù)運(yùn)行管理部門、專業(yè)技術(shù)人員多個(gè)層次的用戶需求，通過(guò)提煉關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，構(gòu)建多層級(jí)安全監(jiān)測(cè)綜合展示數(shù)據(jù)大屏，協(xié)助用戶快速獲取主要監(jiān)測(cè)成果；支持用戶定制所關(guān)注的監(jiān)測(cè)成果內(nèi)容，并結(jié)合智能推薦算法，實(shí)現(xiàn)可視化展示內(nèi)容由“千人一面”到“千人千面”的演變。

5 工程應(yīng)用

大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與智慧管理技術(shù)研究成果已在烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、大藤峽、丹江口、小浪底、珠三角水資源配置工程等100余項(xiàng)水利工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全面應(yīng)用，為反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工、保障工程建設(shè)及運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。

長(zhǎng)江科學(xué)院承擔(dān)了溪洛渡水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，累計(jì)安裝CK系列智能采集單元近400臺(tái)，接入內(nèi)觀自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)7 700余個(gè)，為國(guó)內(nèi)已建成規(guī)模最大的基于光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，并基于大壩安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)了溪洛渡水電站安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，與自動(dòng)化采集系統(tǒng)、水文氣象系統(tǒng)、強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，滿足溪洛渡水電站大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理分析與監(jiān)控預(yù)警需求[12]。

溪洛渡水電站安全監(jiān)測(cè)模型分析成果頁(yè)面如圖4所示。

圖4 溪洛渡水電站安全監(jiān)測(cè)模型分析成果頁(yè)面Fig.4 Page of analysis results of safety monitoring model for Xiluodu Hydropower Station

長(zhǎng)江科學(xué)院在新疆某長(zhǎng)距離調(diào)水工程中采用了2條150余米的陣列式位移計(jì)進(jìn)行土石壩壩基不均勻沉降監(jiān)測(cè)，是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度最大的陣列式位移計(jì)應(yīng)用工程，實(shí)現(xiàn)了施工期大壩壩基沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警，為工程建設(shè)安全提供決策支持。該工程土石壩不均勻沉降監(jiān)測(cè)成果圖如圖5所示。

圖5 新疆某工程土石壩不均勻沉降監(jiān)測(cè)成果頁(yè)面Fig.5 Page of monitoring results of uneven settlement of an earth rock dam in Xinjiang

6 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)總結(jié)了長(zhǎng)江科學(xué)院近幾年開展的大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與智慧應(yīng)用技術(shù)研究及應(yīng)用工作，詳細(xì)介紹了技術(shù)總體框架，通過(guò)研發(fā)系列化智能傳感器、智能采集單元和物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)，建設(shè)統(tǒng)一的大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源池，開發(fā)通用化安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)，搭建專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)和綜合可視化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)感知、傳輸、管理、分析及展示全鏈路應(yīng)用，形成了大壩安全監(jiān)測(cè)全生命周期智慧解決方案。

在下一步研發(fā)工作中，擬深入開展人工智能技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，同時(shí)結(jié)合水庫(kù)大壩安全監(jiān)管和長(zhǎng)效運(yùn)行管護(hù)需求，積極拓展系統(tǒng)功能模塊與應(yīng)用場(chǎng)景，更好地服務(wù)于大壩安全管理工作。