牛廣利 胡雨新 胡蕾 李天旸 方豪文

摘要：工程安全綜合評價是實現(xiàn)工程安全“四預”的核心和關鍵，然而傳統(tǒng)方法存在著難以全面、可靠、實時獲取工程安全狀態(tài)的問題。結合數(shù)字孿生水利工程建設，開展工程安全綜合評價模型研究工作，提出了工程安全綜合評價的總體技術路線，通過構建工程安全綜合評價體系，制定了測點評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則，通過融合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、結構計算成果和巡視檢查信息，綜合判別工程安全運行性態(tài)；同時基于數(shù)字孿生平臺框架，集成開發(fā)了工程安全綜合評價功能模塊。目前，研究成果已在數(shù)字孿生丹江口工程中實現(xiàn)了初步應用，模型評價結果合理，功能集成方案可行，可為同類數(shù)字孿生水利工程建設提供參考。

關鍵詞：工程安全； 綜合評價模型； 數(shù)字孿生； 丹江口水利樞紐

中圖法分類號： TV39；TP319

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.031

0引 言

水利工程是國家重要的基礎設施，中國是世界上水庫大壩數(shù)量最多的國家，工程安全事關國計民生和公共安全，具有重要的戰(zhàn)略意義［1］?！丁笆奈濉敝腔鬯ㄔO規(guī)劃》中提出“推進傳統(tǒng)水利工程向新型水利基礎設施轉型，加快已建水利工程智能化改造，推進數(shù)字孿生水利工程建設，為水利工程安全高效運行提供有力保障”［2］。《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則（試行）》（以下簡稱“導則”）中要求：數(shù)字孿生水利工程應以工程安全為核心目標，保證數(shù)字孿生體與物理體條件及其響應的同步和一致性，突出數(shù)字孿生體前瞻性預演作用；構建安全性態(tài)預測、安全風險預警、安全狀態(tài)預演、安全處置預案“四預”功能，實現(xiàn)工程安全智能分析預警，守住工程安全底線［3］。

目前，基于監(jiān)測資料建立的單測點監(jiān)控模型［4］或擬定的監(jiān)控指標［5］，僅能體現(xiàn)特定部位或部分監(jiān)測項目的安全性態(tài)及變化規(guī)律，難以反映工程整體安全性態(tài)；而依據(jù)規(guī)程規(guī)范開展的安全評價和安全鑒定工作［6］，又由于流程復雜、涉及面廣，往往歷時較長，難以發(fā)揮實時評價預警的作用。因此，如何綜合評價工程安全狀態(tài)，并與數(shù)字孿生應用實現(xiàn)有效集成，是實現(xiàn)工程安全“四預”亟需解決的關鍵技術問題。

本文結合數(shù)字孿生水利工程建設及工程安全運行需要，開展工程安全綜合評價模型研究，以求全面、可靠、實時地掌握工程安全狀態(tài)，為工程安全風險預警和安全狀態(tài)預演業(yè)務提供“算法”支撐，為工程調度運行提供決策支持。

1總體技術路線

數(shù)字孿生水利工程主要由信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系和保障體系構成［7］；其中，工程安全智能分析預警應用作為數(shù)字孿生水利工程建設中的核心業(yè)務應用之一，可有效提升工程安全運行保障水平與突發(fā)事件應急處置能力［8］。

基于數(shù)字孿生總體框架，針對工程結構特點、安全隱患與薄弱環(huán)節(jié)，開展工程安全綜合評價模型研究，構建工程安全綜合評價體系，制定測點級評判規(guī)則和逐級融合評判規(guī)則；基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，融合結構仿真計算、巡視檢查等多源多維度信息，在工程安全智能分析預警業(yè)務應用中實現(xiàn)工程安全運行狀態(tài)的綜合評價，支撐工程安全風險預警和安全狀態(tài)預演業(yè)務實現(xiàn)。

構建的工程安全綜合評價模型其總體技術路線如圖1所示。

（1） 收集工程資料。

收集工程設計、施工以及運行相關資料，尤其是安全監(jiān)測布置、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、整編分析報告、專題研究報告等各類資料，并納入數(shù)字孿生知識庫進行統(tǒng)一管理。

（2） 分析監(jiān)控重點。

針對工程結構特點，分析重點部位和薄弱環(huán)節(jié)，確保能夠全面反映大壩安全運行性態(tài)。

（3） 構建評價體系。

構建由監(jiān)控對象、監(jiān)控部位、監(jiān)控項目和監(jiān)控測點組成的工程安全綜合評價體系，體系覆蓋工程安全性態(tài)的重要監(jiān)控內(nèi)容和重點關注問題。

（4） 制定測點評判規(guī)則。

針對具體監(jiān)控測點，建立測點級評判規(guī)則，將測點實測數(shù)據(jù)與預設的測點監(jiān)控指標進行對比，判別實測數(shù)據(jù)是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點級安全性態(tài)。

（5） 制定逐級評判規(guī)則。

根據(jù)工程安全綜合評價體系結構，建立監(jiān)控測點→監(jiān)控項目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象的逐級評判規(guī)則，為綜合評判提供依據(jù)。

（6） 綜合評價計算。

基于工程安全綜合評價體系、測點評判規(guī)則、逐級評判規(guī)則，融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、仿真結果和巡檢結果，實現(xiàn)綜合評價計算，最終得到工程安全運行性態(tài)。

本文所構建的工程安全綜合評價模型，其主要目的是得到基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的大壩安全運行性態(tài)，便于運行管理人員及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測異常現(xiàn)象，并及時針對性地開展專項分析和現(xiàn)場核查，必要時可啟動會商研判機制，確定進一步處置措施。

2評價體系建立

工程安全評價體系作為綜合評價模型的基礎，應根據(jù)工程結構特點、監(jiān)測項目布置以及實際運行情況分析確定，充分體現(xiàn)安全監(jiān)測儀器設施作為工程安全的“耳目”作用［9］，并覆蓋重點監(jiān)控內(nèi)容，反映重點關注的工程安全問題。

工程安全評價體系一般可劃分為工程安全狀態(tài)層、監(jiān)控對象層、監(jiān)控部位層、監(jiān)控項目層和監(jiān)控測點層共計5個層級。其中，最頂層為最終得到的工程安全狀態(tài)，最底層為具體的監(jiān)測儀器設施，上下層之間具有關聯(lián)隸屬關系，形成一個多層遞階的體系結構。

通用化工程安全綜合評價體系見表1，具體工程可參照并經(jīng)針對性修改后確定。

3評判規(guī)則制定

評判規(guī)則是工程安全綜合評價模型的核心，包括測點評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則。通過確定評判規(guī)則，實現(xiàn)監(jiān)控測點→監(jiān)控項目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象逐級安全狀態(tài)的定量化度量，得到工程安全運行性態(tài)結果。

3.1測點評判規(guī)則

監(jiān)控測點層作為工程安全評價體系的最底層，具體測點的評判結果是綜合評價模型的基礎數(shù)據(jù)。通過制定明確的測點評判規(guī)則，擬定測點安全監(jiān)控指標［10］，判別測點實測值是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點級安全性態(tài)。

測點評判規(guī)則主要包括固定限值評判規(guī)則、特征值評判規(guī)則和監(jiān)控模型評判規(guī)則。

（1） 固定限值評判規(guī)則。固定限值監(jiān)控指標一般根據(jù)規(guī)范標準、設計成果、儀器量程范圍等進行確定，也可以通過典型小概率法、結構仿真等方法計算得出；固定限值包括測值上限、測值下限或測值區(qū)間，可針對測值的絕對值、變化量、變化速率分別設置固定限值。

（2） 特征值評判規(guī)則。將測點監(jiān)測物理量的統(tǒng)計特征值、特定工況測值作為特征值監(jiān)控指標，如歷史最大值、近3 a最大值、歷史最高水位工況下的實測值等。

（3） 監(jiān)控模型評判規(guī)則。針對測點監(jiān)測物理量建立數(shù)理統(tǒng)計模型，定量分析測值的歷史變化規(guī)律，解析其水壓分量、溫度分量和時效分量組成，并采用置信區(qū)間法確定監(jiān)控指標。

根據(jù)測點監(jiān)測物理量偏離安全監(jiān)控指標的絕對值或者百分比，定量評估測值的異常程度，可將測點級安全狀態(tài)劃分為正常、輕微異常、一般異常和嚴重異常4個等級，具體定量評價規(guī)則可根據(jù)實際工程情況進行調整。

3.2逐級評判規(guī)則

在測點評判的基礎上，制定逐級評判規(guī)則，實現(xiàn)監(jiān)控測點→監(jiān)控項目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象的逐級融合評判，以及逐級安全狀態(tài)的定量化度量，最終得到工程安全運行性態(tài)結果。

逐級評判具體可采用加權評分、綜合推理等評判規(guī)則。

（1） 加權評分評判規(guī)則?？刹捎弥饔^賦權法或客觀賦權法［11］確定監(jiān)控體系中各個監(jiān)控對象、監(jiān)控部位、監(jiān)控項目和監(jiān)控測點的權重；根據(jù)各監(jiān)控測點的安全評判結果，計算監(jiān)控測點層評分；根據(jù)各層監(jiān)控體系權重，逐級向上計算各個評價指標的加權評分，最終得到工程安全狀態(tài)的綜合評分，從而確定工程安全狀態(tài)等級。

（2） 綜合推理評判規(guī)則。通過與、非、或3種邏輯運算符號，建立綜合評價體系中各個層級之間的評判規(guī)則表達式，采用規(guī)則推理的方法［12］，利用下一層的安全狀態(tài)推理得到上一層的安全狀態(tài)，并將巡視檢查信息、結構安全計算結果納入評價體系，實現(xiàn)多源信息融合的綜合推理評判。

另外，還可引入云模型、D-S證據(jù)理論等方法，充分考慮綜合安全評價的不確定性，通過計算工程安全狀態(tài)的概率分布，克服安全狀態(tài)等級之間的模糊性和隨機性問題，從而降低綜合安全評判的主觀性影響［13-14］。

4數(shù)字孿生應用實現(xiàn)

基于工程安全綜合評價模型算法邏輯和評價流程，遵循數(shù)字孿生水利工程總體技術框架，利用數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺等數(shù)字孿生引擎，集成可視化模型和相關技術體系，在工程安全智能分析預警業(yè)務應用中開發(fā)綜合評價模塊，為工程安全風險預警和安全狀態(tài)預演提供基礎支撐。

（1） 數(shù)據(jù)底板集成。數(shù)據(jù)底板匯聚了地理空間數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了水情自動測報系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、巡視檢查系統(tǒng)等采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。工程安全綜合評價模塊通過接口調用的方式，從數(shù)據(jù)底板中獲取安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)、巡視檢查信息等數(shù)據(jù)資源，為工程安全綜合評價模型運行提供“算據(jù)”基礎。

（2） 模型平臺集成。模型平臺實現(xiàn)了水利專業(yè)模型的統(tǒng)一管理、發(fā)布、配置和運行；工程安全綜合評價模型通過標準化接口注冊至模型平臺，明確模型輸入?yún)?shù)與輸出結果格式，并與工程安全分析預測模型、監(jiān)控預警模型、結構計算模型實現(xiàn)關聯(lián)與調用，為工程安全綜合評價模塊提供“算法”支撐。

（3） 知識平臺集成。知識庫包括預報調度方案庫、工程安全知識庫和業(yè)務規(guī)則庫等內(nèi)容，并通過知識引擎實現(xiàn)知識的抽取、存儲、表達及應用［15］；將測點評判規(guī)則、逐級評判規(guī)則、結構計算成果等多源異構工程安全知識統(tǒng)一納入知識平臺進行管理，并利用知識圖譜實現(xiàn)多層級工程安全綜合評價體系的關系表達；在工程安全綜合評價計算時，通過接口調用的方式，從知識平臺中動態(tài)獲取模型所需的知識信息，為工程安全綜合評價模型運行提供“知識”資源。

（4） 業(yè)務應用開發(fā)。工程安全綜合評價模塊基于通用化設計和模塊化開發(fā)理念，遵循數(shù)字孿生水利工程技術開發(fā)體系，綜合運用B/S開發(fā)模式、微服務架構、輕量化BIM以及GIS平臺等主流開發(fā)框架，引入游戲引擎等可視化渲染技術，結合數(shù)字孿生三維場景，動態(tài)呈現(xiàn)工程安全綜合評價計算結果，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅動的工程安全運行性態(tài)高保真展示、模擬仿真與交互操作［16］。

5工程應用

5.1丹江口工程概況

丹江口水利樞紐位于漢江與丹江匯合口下游800 m處，是漢江開發(fā)治理的關鍵性工程，具有防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等綜合利用效益。為充分發(fā)揮丹江口水利樞紐的綜合效益，在南水北調中線水源工程建設過程中，對初期混凝土壩培厚加高，大壩壩頂高程由162.00 m抬升至176.60 m，加高后水庫總庫容增加至319.5億m3，并于2021年10月首次蓄水至正常蓄水位170.00 m。

丹江口水利樞紐混凝土壩劃分為58個壩段，由右岸聯(lián)接段、深孔壩段、溢流壩段、廠房壩段及左岸聯(lián)接段等部分組成；其中，右1號壩段、7號壩段、10號壩段、17號壩段、21號壩段、31號壩段及34號壩段等7個壩段為重點監(jiān)控壩段。

5.2數(shù)字孿生建設概況

數(shù)字孿生丹江口工程被列為“十四五”期間首批重點水利工程數(shù)字孿生先行先試建設項目之一，也是數(shù)字孿生長江試點建設任務［17］。數(shù)字孿生丹江口工程以大壩安全、供水安全、水質安全、庫區(qū)安全為需求導向，通過構建智慧水源管理體系，保障工程綜合效益的持續(xù)發(fā)揮。

在數(shù)字孿生丹江口工程建設過程中，充分利用已有安全監(jiān)測感知體系［18］，實時獲取變形、滲流、應力應變等安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程安全“四預”應用提供“算據(jù)”支撐。

5.3綜合評價模型應用

為有效支撐丹江口大壩安全風險預警和安全狀態(tài)預演功能實現(xiàn)，針對丹江口大壩加高工程結構特點以及工程安全薄弱環(huán)節(jié)，重點從強度、抗滑穩(wěn)定性以及新老混凝土結合面穩(wěn)定性3個方面建立了工程安全綜合評價體系，確定了關聯(lián)監(jiān)控測點，制定了測點評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則，開發(fā)了綜合評價功能模塊，初步實現(xiàn)了丹江口工程安全運行性態(tài)的綜合評價。

具體以21號壩段為例，該壩段為溢流壩段，壩段長24 m，壩頂高程176.6 m，壩段設置兩個8.5 m寬的溢流表孔。在21號壩段中布置了水平位移測點、精密水準點、測縫計、滲壓計、應變計、鋼筋計、溫度計等監(jiān)測儀器設施，所建立的綜合安全評價體系如圖3所示，所制定的逐級評判規(guī)則如表4所列。

工程安全綜合評價功能模塊界面如圖4所示，已無縫集成至數(shù)字孿生丹江口工程應用平臺，具體實現(xiàn)了綜合評價模型的體系構建、規(guī)則設置、計算調用及成果展示等功能，可融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡檢成果和結構計算成果，通過綜合推理的方式，實現(xiàn)丹江口大壩安全運行性態(tài)的綜合評價，并且模型評價結果與實際工程安全會商結論一致，驗證了綜合評價模型的可靠性，支撐了工程安全“四預”應用實現(xiàn)，為大壩運行管理提供了決策支持。

6結 語

本文結合數(shù)字孿生水利工程建設，圍繞工程安全綜合評價模型開展研究工作，提出了工程安全綜合評價體系建立及評判規(guī)則制定方案，開展了工程安全綜合評價功能模塊開發(fā)，并在數(shù)字孿生丹江口工程中初步實現(xiàn)了集成應用。

下一階段，將進一步結合工程安全結構仿真計算模型，充分考慮不利工況組合和極端荷載條件，預演工程安全性態(tài)的變化過程，持續(xù)為工程運行安全保駕護航。

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（編輯：胡旭東）