閆小平

（四川江源工程咨詢有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

大壩安全監(jiān)測是大壩運行管理的耳目，是監(jiān)測大壩運行性態(tài)、提前預(yù)判大壩安全風險的基本手段。由于大壩安全監(jiān)測測點數(shù)量多、種類繁雜，目前仍采用人工測讀的方式進行數(shù)據(jù)采集，難以保證數(shù)據(jù)的可靠、實時和一致性，達不到安全實時監(jiān)控的目的。在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段蓬勃發(fā)展的背景下，水電站大壩安全管理，正在從傳統(tǒng)模式向數(shù)字化、智慧化過渡。大壩安全智慧監(jiān)測，是國家、行業(yè)及企業(yè)大壩安全管理的迫切需求與發(fā)展趨勢[1]。本文結(jié)合岷江犍為航電樞紐大壩安全智慧監(jiān)測規(guī)劃，初探其主要功能和應(yīng)用價值。

1 航電樞紐大壩安全監(jiān)測概述

大壩安全監(jiān)測是通過儀器觀測和巡視檢查對水利水電工程主體結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、兩岸邊坡、相關(guān)設(shè)施以及周圍環(huán)境所作的測量及觀察?！氨O(jiān)測”既包括對建筑物固定測點按一定頻次進行的儀器觀測，也包括對建筑物外表及內(nèi)部大范圍對象的定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。不同類型、規(guī)模的大壩，根據(jù)安全監(jiān)測重要程度，有著各自適用的監(jiān)測內(nèi)容。以犍為航電樞紐大壩為例，工程監(jiān)測范圍主要包括重力壩、魚道、發(fā)電廠房、儲門槽壩段、泄水閘、船閘等。主要的監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）巡視檢查：壩體、壩基、壩肩及近壩庫岸。

（2）變形監(jiān)測：包括壩體位移，壩基位移、船閘位移監(jiān)測。

（3）滲流監(jiān)測：包括揚壓力或壩基滲透壓力、滲漏量、繞壩滲流、船閘翼墻后的繞流、閘底板滲流和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲流等監(jiān)測。

（4）應(yīng)力應(yīng)變及溫度：壩體應(yīng)力、應(yīng)變、混凝土溫度、壩基溫度等監(jiān)測；船閘墻后土壓力、混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力等監(jiān)測；船閘地基和回填土（包括墻后回填土）深層應(yīng)力監(jiān)測。

（5）應(yīng)力監(jiān)測：閘室墻和底板、閘首邊墩和底板等大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

（6）環(huán)境量：上、下游水位，氣溫，降水量等環(huán)境量監(jiān)測。

（7）其他監(jiān)測：強震監(jiān)測及自動化監(jiān)測。

2 航電監(jiān)測現(xiàn)狀及智慧航電建設(shè)優(yōu)勢

2.1 監(jiān)測自動化程度不足，實時監(jiān)控難度大

大壩安全監(jiān)測測點數(shù)量多、種類繁雜，目前絕大多數(shù)電站仍采用人工測讀的方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，使得監(jiān)測精度和頻次很受限制，難以保證數(shù)據(jù)的可靠、實時和一致性。不但后期運行管理工作量極大，達不到安全實時監(jiān)控的目的，同時也不能達到大壩安全管理相關(guān)法律法規(guī)的要求。

2.2 數(shù)據(jù)分析依靠人工經(jīng)驗，質(zhì)量難以保證

目前，各工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要依靠人工的參與，導(dǎo)致一線業(yè)務(wù)人員工作量大，且分析評價質(zhì)量嚴重依賴個人經(jīng)驗，智能化程度較弱，誤判率較高。為保證數(shù)據(jù)處理分析的質(zhì)量，有必要利用大數(shù)據(jù)、機器學習等技術(shù)手段，實現(xiàn)自動識別錯誤數(shù)據(jù)、智能提醒并智能提供修改方案。

2.3 運行管控多、業(yè)務(wù)協(xié)同困難

雖然目前各工程己建成了各類系統(tǒng)，但系統(tǒng)間無法有效協(xié)同、聯(lián)動和反饋，無法有效整合、共享數(shù)據(jù)資源，導(dǎo)致了極大的浪費和重復(fù)建設(shè)，又導(dǎo)致了各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)不全面的問題，無法達到綜合分析的目的。例如當發(fā)生超限洪峰過境、高烈度地震等緊急事件，無法觸發(fā)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)加密觀測?，F(xiàn)行狀態(tài)均依賴于一線業(yè)務(wù)人員人為通知、協(xié)作，極大影響了應(yīng)急響應(yīng)的實時性，無法發(fā)揮多專業(yè)協(xié)同聯(lián)動的優(yōu)勢。

2.4 安全管控成本高、效率低

目前，多數(shù)電站工程安全業(yè)務(wù)管控整個流程均由人工完成，人工采集和處理數(shù)據(jù)、人工輸出報表，全流程無法自行流轉(zhuǎn)聯(lián)動，需要人工參與，增加人工管理成本且效率不足。有必要研究一套自動化流程，每日可定時采集數(shù)據(jù)，并自動觸發(fā)數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析功能，同時依據(jù)管理制度，自動生成周報、月報和年報，并自動上報相關(guān)數(shù)據(jù)，以提升管理效率。

3 航電樞紐大壩智慧監(jiān)測建設(shè)目標和原則

3.1 總體建設(shè)目標

基于航電工程已建立的安全監(jiān)測體系，進行內(nèi)、外觀測自動化改造，智能匯集大壩安全監(jiān)控各項數(shù)據(jù)，抽取、清洗、管理及應(yīng)用各類安全運行數(shù)據(jù)，結(jié)合航電工程航運調(diào)度、安全監(jiān)測、巡視檢查、運行維護等業(yè)務(wù)及管理要求，打造航電工程安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)工程安全監(jiān)控數(shù)據(jù)匯集智能化、業(yè)務(wù)綜合管理高效化、管控預(yù)警智慧化，打造建設(shè)航電工程安全智能監(jiān)控的示范、標桿工程。

3.2 建設(shè)原則

3.2.1 問題導(dǎo)向原則

系統(tǒng)建設(shè)以滿足智能化管控工作和相關(guān)業(yè)務(wù)的實際需求為導(dǎo)向，以解決安全智能監(jiān)控要求為依據(jù)，以切實解決工程運行的業(yè)務(wù)痛點為檢驗標準，旨在提升工程安全監(jiān)控的自動化、智能化水平。

3.2.2 統(tǒng)籌規(guī)劃原則

安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)需統(tǒng)籌規(guī)劃，整合己有硬件設(shè)施、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和信息資源，本著互聯(lián)互通、信息共享的原則，統(tǒng)籌全局，保證系統(tǒng)建設(shè)“一盤棋”，使有限的資源發(fā)揮最大價值，避免重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)孤島。

3.2.3 安全可靠原則

大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及大壩安全，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足國家及行業(yè)對信息安全的要求，確保系統(tǒng)運行安全。既考慮信息資源的充分共享，也考慮對信息的保護；對系統(tǒng)各個層次訪問進行控制，設(shè)置嚴格的操作權(quán)限。同時使用可靠的技術(shù)體系，建立完善的項目建設(shè)管理體系，保證系統(tǒng)建設(shè)可靠、穩(wěn)定。

3.2.4 適當超前原則

安全智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)采用成熟技術(shù)且要保持適度領(lǐng)先，避免建成即被淘汰的局面，并正確處理發(fā)展與安全的關(guān)系，綜合平衡成本和效益。

4 智慧監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

4.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

安全智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯集與分析、應(yīng)用服務(wù)三個層次，最終達到數(shù)據(jù)的自動或智能化采集、基于大數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)一管理、基于多模型和方法的分析評估、基于可視化技術(shù)的成果展現(xiàn)與交互，為安全與運維管理提供決策支持。安全智能監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程見圖1。

圖1 業(yè)務(wù)流程框架

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

安全智能監(jiān)控系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)施層（數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層和應(yīng)用層。以犍為航電樞紐大壩為例的系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 智慧監(jiān)測管理平臺建設(shè)

4.3.1 Web 管理網(wǎng)站

（1）功能一：首頁綜合展示。主要包括大壩主要業(yè)務(wù)信息展示，如在線監(jiān)測、安全監(jiān)控、巡視檢查和隱患管理等。

（2）功能二：在線監(jiān)測。主要包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、離線分析、基本設(shè)置等功能。

（3）功能三：在線監(jiān)控。主要包括設(shè)置監(jiān)控方案，根據(jù)監(jiān)控方案實時融合分析，實時評判大壩安全，并對評判結(jié)果進行相應(yīng)的可視化展示。

（4）功能四：巡檢管理。主要功能包括：建立數(shù)字化巡檢方案、制定巡檢計劃和任務(wù)、通過手機APP 開展引導(dǎo)式檢查、巡檢報告自動生成、巡檢結(jié)果審核與發(fā)布、缺陷查詢與跟蹤。

（5）功能五：缺陷管理。主要功能包括：缺陷填報和缺陷處理流程追蹤。

（6）功能六：資料整編。根據(jù)資料整編規(guī)范中規(guī)定的格式，以及用戶自定義格式的各類數(shù)據(jù)報表、分布圖等圖表的生成、組合、輸出、打印等功能，以完成規(guī)范規(guī)定的定期的監(jiān)測資料整編工作。

（7）功能七：信息共享。發(fā)布信息、查詢信息與收藏信息功能。

（8）功能八：系統(tǒng)管理。通過軟件進行用戶管理、數(shù)據(jù)庫和文件備份、軟件升級、重啟系統(tǒng)、服務(wù)管理等功能，以保證系統(tǒng)正常運行和系統(tǒng)安全。

4.3.2 手機APP 軟件

設(shè)計手機APP 軟件，現(xiàn)場巡檢人員可通過巡視檢查APP 實現(xiàn)數(shù)字化巡檢。

（1）巡檢任務(wù)接收與創(chuàng)建。支持接收Web 建立的巡檢任務(wù)，支持在巡檢APP 中隨時創(chuàng)建檢查任務(wù)功能。

（2）數(shù)字巡檢。按照巡視檢查方案的檢查內(nèi)容和要求，利用NFC 技術(shù)，通過手機APP 引導(dǎo)式開展現(xiàn)場檢查，可記錄檢查文字、圖片、視頻。

（3）信息查詢?？刹榭此袡z查任務(wù)及記錄、缺陷詳情。

（4）巡檢工作統(tǒng)計。自動統(tǒng)計巡檢步數(shù)和時長，以量化巡檢工作量。

（5）數(shù)據(jù)上傳。支持巡檢數(shù)據(jù)在有網(wǎng)環(huán)境下自動同步到后臺的功能；如無網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可采用離線巡檢，聯(lián)網(wǎng)后通過手動同步數(shù)據(jù)到后臺。

4.3.3 自動化數(shù)據(jù)集成軟件

實現(xiàn)對本電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)等已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動快速接入功能，同時亦可對數(shù)據(jù)的導(dǎo)入進行人工干預(yù)。

4.3.4 信息報送軟件

實現(xiàn)電站大壩安全監(jiān)測信息、汛情信息、巡檢信息向國家大壩安全監(jiān)測主管部門自動報送的功能。

4.3.5 其他功能

Web 網(wǎng)站應(yīng)使用Java 語言，并采用微服務(wù)架構(gòu)進行開發(fā)。網(wǎng)站應(yīng)具備文檔預(yù)覽功能，支持大體積文件分步加載、快速瀏覽。應(yīng)具備任務(wù)提醒、消息通知等功能。系統(tǒng)應(yīng)建立細致完備的日志系統(tǒng)，對用戶在系統(tǒng)中進行的所有動作進行記錄，用戶日志應(yīng)可進行快速查詢。

手機APP 應(yīng)支持主流智能手機。APP 應(yīng)可適應(yīng)于無網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，支持在無網(wǎng)環(huán)境下的正常使用，并在切換至有網(wǎng)環(huán)境時自動上傳相關(guān)存儲記錄。

5 結(jié)束語

在當前國家加快布局新一代人工智能發(fā)展的新形勢下，智能化的安全風險管控，是大壩安全管控的發(fā)展趨勢[2-3]。國內(nèi)巨型電站，如三峽、白鶴灘、烏東德、小灣、糯扎渡等均已開始建設(shè)智慧電站，通過智慧監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，能夠充分保障大壩的運行安全，提高監(jiān)測工作效率和可靠性，從而實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測管理的自動化、數(shù)字化、智能化和高效化。大壩安全智慧監(jiān)測，應(yīng)從流域角度整體謀劃，既要實現(xiàn)流域內(nèi)更大的降本增效的目的，滿足大壩安全工作的需要，也要滿足內(nèi)部監(jiān)督管理的需要。隨著物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、大數(shù)據(jù)、計算機視覺及云計算等先進科學技術(shù)的日益成熟,并在大壩建設(shè)中廣泛應(yīng)用，我國全面實現(xiàn)大壩智慧建設(shè)已成必然趨勢[4]。