華電福新能源有限公司古田溪水力發(fā)電廠 鄭 煒

隨著數(shù)字大壩技術(shù)的日益成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)對水電廠大壩施工的質(zhì)量實時監(jiān)控和在線控制。數(shù)字大壩技術(shù)對水利水電科技進步提供了重要助力，體現(xiàn)出在線實時監(jiān)測、反饋和控制的應(yīng)用優(yōu)勢。

為此，本文結(jié)合古田溪水電廠的實際建設(shè)需求，引入先進的數(shù)字大壩技術(shù)，構(gòu)建古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)，形成動態(tài)精細化的可感知、可控制、可分析的智能大壩建設(shè)體系，對古田溪水電廠建設(shè)施工過程進行在線實時監(jiān)測，加強對古田溪水電廠大壩施工進度和質(zhì)量控制，實現(xiàn)古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)的智能化。

1 古田溪水電廠工程概況

古田溪一級大壩的控制流域面積為1325km2，水庫總庫容6.417億m3。電站正常蓄水位382.0m，汛期限制水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位分別為381.0m、382.63m、384.0m，并有相應(yīng)的最大下泄流量要求，其中設(shè)計洪水位的最大下泄流量為2530m3/s，校核洪水位的最大下泄流量為3190m3/s。該二等大型工程包括有攔河大壩、高頭嶺副壩，主壩全長分別為412m、110m；最大壩高分別為71m、18m；壩頂高程分別為384.5m、384.7m。工程平面布置圖如圖1所示。

圖1 古田溪一級大壩樞紐平面布置圖

當(dāng)前古田溪水電廠一級大壩盡管建立了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，然而尚未實現(xiàn)完全自動化智能化采集，局限于滲流、溫度及部分變形測點的自動化觀測和數(shù)據(jù)采集，對于壩頂水平位移和垂直位移尚需要人工進行定期觀測，并無法較好地適應(yīng)水位、降雨、地震等外部環(huán)境的變化。在進行水電廠大壩建設(shè)施工的檢查方面，尚未實現(xiàn)智能化的巡檢方式，主要依賴于人工巡檢。在對大壩數(shù)據(jù)進行分析的過程中，還主要依賴于簡單的分析軟件和數(shù)據(jù)處理工具，尚無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能化分析。另外，當(dāng)前古田溪水電廠大壩運行狀態(tài)的空間可視化及應(yīng)用自動化擴展較少，無法實時直觀地展示監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

為此，要將數(shù)字大壩引入到古田溪水電廠建設(shè)之中，以“數(shù)字華電建設(shè)”作為戰(zhàn)略引領(lǐng)，以新型信息化技術(shù)為依托，構(gòu)建動態(tài)化、精細化、智能化大壩安全運行體系，突顯其可感知、可分析、可控制的應(yīng)用優(yōu)勢，實現(xiàn)對古田溪水電廠的智能巡檢、智能診斷、優(yōu)化檢修、數(shù)字技術(shù)監(jiān)督和數(shù)字大壩管理，提高古田溪大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的整體可靠性，降低水工人員的工作量和工作強度，提高古田溪大壩安全運行管控水平，降低古田溪大壩安全運行風(fēng)險[1]。

2 古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)要秉持科學(xué)合理、先進實用、安全高效、可擴展的原則進行設(shè)計和應(yīng)用，通過系統(tǒng)總體設(shè)計和模塊化設(shè)計的方式，完成古田溪水電廠數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)診斷分析、運行狀態(tài)可視化和應(yīng)用擴展設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計與應(yīng)用

古田溪數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)將上位機直接部署于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的虛擬機各節(jié)點，從現(xiàn)地采集系統(tǒng)獲取觀測數(shù)據(jù)，在線自動采集數(shù)字大壩數(shù)據(jù)，基于這一前提進行數(shù)據(jù)智能化安全分析，直觀可視地呈現(xiàn)數(shù)字大壩的運行狀態(tài)，并實現(xiàn)應(yīng)用擴展自主化。系統(tǒng)總體框架主要涵蓋以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)感知層。主要獲悉數(shù)字大壩的應(yīng)力應(yīng)變、變形、滲流、氣象環(huán)境、水情信息、地震等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理層。該層主要負責(zé)數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)編碼的服務(wù)，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量治理；數(shù)據(jù)應(yīng)用層。該層主要實現(xiàn)數(shù)字大壩的監(jiān)測決策、在線監(jiān)控、安全分析、預(yù)警報警、統(tǒng)計評價、模型分析等；數(shù)據(jù)展示。該層可以直觀展示數(shù)字大壩的儀表、圖形、3D 圖像、報告報表等。

系統(tǒng)供電采用220V 及太陽能電池板多種供電方式，采用獨立供電系統(tǒng)分兩路進行統(tǒng)一供電。為了保證電源供電的穩(wěn)定可靠性，在計算機中控室和觀測房各取電端安裝一臺UPS 或隔離穩(wěn)壓保護裝置。同時，要做好系統(tǒng)的防雷接地，將自動化系統(tǒng)電源接地均接入古田溪水電站各測站可靠接地網(wǎng)，做好機房及建筑物的接地保護。

2.2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計與應(yīng)用

古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)采用集成化、模塊化的設(shè)計理念，結(jié)合系統(tǒng)的實際使用需求，主要設(shè)計和應(yīng)用以下功能模塊：

2.2.1 圖像處理分析模塊

原有的圖像處理分析主要依賴于人工手動識別和分析，工作人員的勞動強度和勞動量繁重，對工作人員的專業(yè)水平提出更高的要求。在數(shù)字大壩系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用之中，利用先進的圖像識別技術(shù)進行圖像自動對比分析和信息提取，通過分析巡檢路線和部位采集的大量圖像信息，及時察覺工程項目存在缺陷，如裂縫、滲水、滑坡等，對其進行定量分析和定性分析，進而提高圖像分析的效率和質(zhì)量。具體來說，該模塊的主要功能體現(xiàn)于以下方面：

圖像預(yù)處理。采用去噪、平滑、變換等方式，對數(shù)字大壩的采集圖像進行預(yù)處理，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)字大壩建設(shè)中的異常缺陷；圖像對比分析。主要利用機器視覺和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)進行圖像識別、處理和分析，根據(jù)不同模式的對象和目標(biāo)進行針對性的處理，采用比對分析的策略進行數(shù)據(jù)自主學(xué)習(xí)、識別和判斷，提高圖像處理分析的精準(zhǔn)度和智能化。

圖像深度學(xué)習(xí)。在機器視覺和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的依托下，可以對數(shù)字大壩建設(shè)相關(guān)圖像數(shù)據(jù)進行深度解讀、分析和處理，形成覆蓋古田溪水電廠數(shù)字大壩全部巡檢區(qū)域的全景數(shù)據(jù)圖像，直觀可視地呈現(xiàn)數(shù)字大壩巡檢所有區(qū)域的運行狀態(tài)，多維度、全視角地進行圖像數(shù)據(jù)的評估和應(yīng)用。同時，還可以構(gòu)建數(shù)字大壩圖像數(shù)據(jù)信息質(zhì)量評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)字大壩巡檢區(qū)域的實際特點和需求，設(shè)計和應(yīng)用具有自主學(xué)習(xí)和迭代功能的模塊，推進系統(tǒng)的成熟和深度智能化應(yīng)用[2]。

2.2.2 在線監(jiān)控模塊

通過在線監(jiān)控模塊實時在線監(jiān)測古田溪水電廠建設(shè)狀況，充分考慮古田溪水電廠數(shù)字大壩結(jié)構(gòu)和實際運行狀態(tài)，選擇適宜的監(jiān)測項目和觀測點，確立合理可行的監(jiān)控指標(biāo)，對其進行細化和分解，使之與古田溪一級大壩的實際狀況相契合，從局部或整體的不同視角直觀呈現(xiàn)數(shù)字大壩的運行規(guī)律和特征，減少盲目監(jiān)測或隨機監(jiān)測的現(xiàn)象，規(guī)避不確定性因素對監(jiān)測的干擾和影響，能夠更好地實施融合診斷。同時，考慮到混凝土重力壩的監(jiān)測效應(yīng)量涉及諸多參數(shù)，可以通過各個監(jiān)測點的監(jiān)測指標(biāo)分析古田溪水電廠數(shù)字大壩的表面變形、壩基揚壓力、壩段間測點與外在環(huán)境之間的關(guān)系。

在利用在線監(jiān)控模塊進行監(jiān)測分析的過程中，可以結(jié)合數(shù)字大壩實際情況選擇以下方法：單測點的監(jiān)控分析方法。引入置信區(qū)間法、典型小概率法和極限狀態(tài)法，建立單測點監(jiān)控分析模型，及時高效地察覺各個監(jiān)測點的變化規(guī)律、區(qū)間和趨勢，并提出各測點的相關(guān)參數(shù)值，如周期、最大值、特征值等；多測點多因素綜合評判方法。由于單個測點無法綜合反映數(shù)字大壩的實際狀況，為此要綜合考慮監(jiān)測量的空間分布及內(nèi)在機理，構(gòu)建統(tǒng)計模型進行監(jiān)測量的統(tǒng)計分析和對比分析，還可以構(gòu)建混合模型進行監(jiān)測量的相關(guān)性分析，運用確定性模型進行監(jiān)測量的趨勢，通過多維多測點的監(jiān)控模型和方法獲悉數(shù)字大壩的運行狀況，并進行定量分析和定性分析，得出相關(guān)分析結(jié)果。

圖2 古田溪水電廠一級大壩

2.3 系統(tǒng)可視化設(shè)計與應(yīng)用

考慮到古田溪水電廠大壩結(jié)構(gòu)尺寸較大，包括大壩本體、地基基礎(chǔ)、壩肩山體等，對此還要進行數(shù)字大壩建設(shè)系統(tǒng)的可視化設(shè)計和應(yīng)用，在各種可視化技術(shù)的支持下，三維可視化地展示大壩不同部位的幾何、物理特性，對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)進行三維立體可視化分析，多維度、全視角地挖掘和利用數(shù)字大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，為數(shù)字大壩建設(shè)提供決策支持。

同時，系統(tǒng)還可視化地展示數(shù)字大壩的運行狀態(tài)，實時動態(tài)地展示數(shù)字大壩的安全監(jiān)測信息、巡視檢查結(jié)果和安全分析成果，并生成不同的可視化處理圖[3]。另外，系統(tǒng)還進行應(yīng)用擴展設(shè)計，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺進行多功能模塊的配置，實現(xiàn)全方位、多粒度和權(quán)限管理和控制。并提供各功能組件的可視化定制，生成數(shù)字大壩安全監(jiān)測的專業(yè)圖元庫，如大壩立面圖、大壩剖面圖等。

3 古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)施工管控策略

3.1 注重施工前期準(zhǔn)備

古田溪水電廠數(shù)字大壩施工前期要組建數(shù)字大壩建設(shè)工程項目小組，內(nèi)設(shè)項目經(jīng)理、項目副經(jīng)理、技術(shù)負責(zé)人、專家顧問、職能部門等，相關(guān)人員分工負責(zé)，做好大壩建設(shè)施工前的準(zhǔn)備工作。同時，擬定數(shù)字大壩建設(shè)施工組織計劃和方案，做好人員及資源的投入準(zhǔn)備，為后期施工管理奠定基礎(chǔ)。

3.2 加強施工質(zhì)量控制

要嚴格按照質(zhì)量控制及檢驗標(biāo)準(zhǔn)進行施工，建立健全施工質(zhì)量管理制度和具體措施，包括質(zhì)量“三檢制”、工序分工責(zé)任制、工程質(zhì)量崗位責(zé)任制、質(zhì)量終身制、質(zhì)量獎懲制和質(zhì)量一票否決制，使施工全程處于受控狀態(tài)。同時，要對關(guān)鍵工序和技術(shù)復(fù)雜部位采用旁站制，注重施工質(zhì)量自檢、巡檢和監(jiān)督，做好施工過程的質(zhì)量檢測觀測等工作，確保觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠和連續(xù)性。

3.3 加強施工進度管控

古田溪水電廠數(shù)字大壩施工預(yù)計時間為190天，采用橫道圖確定古田溪數(shù)字大壩進度計劃表，其中：自動化系統(tǒng)改造的計劃工期為85天、系統(tǒng)功能模塊開發(fā)的計劃工期為105天、數(shù)據(jù)診斷分析開發(fā)的計劃工期為75天、三維可視化開發(fā)的計劃工期為90天、應(yīng)用擴展開發(fā)的計劃工期為85天、功能測試的計劃工期為15天、培訓(xùn)計劃時間為10天[4]。

3.4 落實施工安全管理

要構(gòu)建古田溪水電廠數(shù)字大壩安全管理體系，明確施工安全管理目標(biāo)，成立合理可行的安全管理保證體系，完善施工安全管理制度，包括安全生產(chǎn)責(zé)任制度、群防群治制度、安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)制度、安全生產(chǎn)檢查制度、事故處理報告制度、安全責(zé)任追究制度等。并要做好項目施工的安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案，注重施工期間的環(huán)境安全保護，包括固體廢棄物的處理、防火防爆處理和防機械傷害等。另外，還要對數(shù)字大壩系統(tǒng)進行考核和驗收，重點檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)監(jiān)測及報警等功能，使之滿足穩(wěn)定可靠性的使用需求，并做好系統(tǒng)試運行期的安全維護和管理工作，確保系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。

4 結(jié)語

數(shù)字大壩在電站建設(shè)中日益推廣和普及，本文結(jié)合古田溪水電廠的實際建設(shè)需求，探討數(shù)字大壩在古田溪水電廠建設(shè)中的具體應(yīng)用，利用直觀可視的信息化技術(shù)搭建古田溪水電廠數(shù)字大壩系統(tǒng)，實現(xiàn)對大壩建設(shè)施工的實時在線監(jiān)控和反饋，較好地加強古田溪水電廠數(shù)字大壩建設(shè)施工質(zhì)量和效率，保證數(shù)字大壩施工的進度和安全。