大壩安全預警信息管理系統的應用

摘 要：水電站大壩安全自動預警一直是從事安全監測人員較為關注的問題，華能瀾滄江水電有限公司聯合國內知名院校和勘測設計單位開發了一套工程安全評價與預警信息管理系統，通過內置監測模型和嵌入數值計算及反演分析，實現了大壩安全監測數據分析、趨勢預測、數值計算及反演分析、安全監控指標預警等功能。結合該系統的實際用用情況，介紹該系統的組成、功能、特點及實際應用效果。

關鍵詞：大壩安全指標；預警；趨勢預測；嵌入式數值計算

前言

水電站大壩的安全歷來備受重視，某工程作為云南省內最大的水電站，各項技術指標超出國內現行規范，為確保大壩安全，共布置有多種類型的觀測儀器，已實現自動化采集，但監測數據信息量大，如何及時有效的發揮監測數據的作用，減少監測數據基礎處理和人工分析的工作量，在監測數據發生異常時能夠及時提醒和預警，是迫切需要加以解決的現實問題。為此，針對該工程的特點，開發符合實際需要的安全預警信息管理系統是必要的。

1 系統概述

該系統創新性地將監測數據管理、嵌入式數值計算和反演分析、安全評價和預警預案等有機地集成于一體，利用網絡與信息化的手段，將科研、設計、管理、數據監測與施工生產緊密結合。嵌入了數值計算模塊和反演分析模塊，包含大壩穩定分析、靜動力結構分析、滲流分析和裂縫等計算分析和反演分析功能。建立多層次、多級別、多來源和多目標的安全指標體系，開發了簡明實用且綜合完備的大壩安全預警及應急預案模塊。

該系統主要由7個模塊構成，系統結構如圖1所示：系統管理模塊，是本系統的樞紐；監測數據與工程信息管理模塊、數值計算模塊和反演分析模塊，是本系統的核心；安全預警模塊和應急預案模塊，是本系統的目標；巡視記錄與文檔管理模塊，是對系統基本信息的重要補充；數據庫與數據管理模塊，是本系統的資料基礎。

2 各模塊的功能及應用

2.1 系統管理模塊

系統管理模塊主要實現本系統各使用單位、部門以及各單位、部門下用戶的規范化定義，通過對角色的權限進行定義，對用戶賦予不同角色，實現用戶不同權限范圍的授權訪問，確保系統使用安全。

2.2 監測數據和工程信息模塊

該模塊可以對大壩的PBS結構、大壩安全監測規劃的監測斷面、安全監測所用的儀器類型以及監測儀器的埋設路徑等基礎信息進行定義，實現基礎業務數據的維護功能，為安全監測的綜合分析提供基礎數據。同時，根據編入的數據分析模型，對大壩各類動態信息（環境量、效應量及工程信息等）進行查詢、統計分析、可視化展示及報表編制等。重點實現內容包括：

（1）實現儀器埋設參數的統一維護、管理。（2）支持各類人工監測數據的批量導入；制作高度復雜和格式多變的報表。（3）可制作年、季、月、旬、周、日報表，可以輸出單點測值、多點測值和相對取值，取值方式豐富。（4）監測數據分析圖形的動態繪制：包括過程線圖、分布圖、相關圖、方塊圖、浸潤線圖等，各種圖形都可隨意定制，設置和生成簡便快捷，可供選用的外觀風格豐富；圖形坐標的范圍、比例可根據繪圖數據自動確定，還可依需要手動設定和更改。（5）實現基于三維可視化模型的監測成果交互式查詢與分析；支持監測成果的導出，包括圖片、CAD或Excel數據表格等。

該模塊內嵌有多種監測資料定量分析計算方法：如多元線性逐步回歸、全回歸、偏最小二乘回歸等；可建立監測量的物理模型：包括統計模型、人工神經網絡模型，可建立變形監測系統的分布模型；可分解監測量物理模型中的各組成成分，分析分量間的對比關系，揭示監測量的變化規律和原因；可根據監測結果的預報模型和預計的環境量數據，預測監測量的估計值；提供監測數據合理性判斷與趨勢預測功能。

2.3 數值計算模塊

該模塊可對大壩性態進行分析預測，是本系統的關鍵部分之一。系統平臺可對大壩在不同條件下的應力、變形、水壓、滲流、裂縫、穩定性和動力響應等計算的輸入數據及計算結果進行儲存、查詢、瀏覽、二三維可視化展示及報表等，并可操作嵌入計算。

提供針對靜力計算、滲流計算、穩定計算、裂縫計算、動力計算等任務的管理；可進行各種計算模型的導入和管理；提供計算參數的調整；系統指定計算結果的統一格式，并提供計算結果的導入功能；可進行計算結果與監測數據過程曲線的對比；可進行數值計算結果查詢，主要包括：過程線、分布圖、相關圖、包絡圖等分析和查詢。

2.4 反演分析模塊

根據所要反演參數的類型及數量，確定所需要的信息；通過有限元計算生成訓練樣本；訓練和優化用于替代有限元計算的神經網絡，并進行壩料參數的反演計算。將反演參數、誤差以及必要的過程信息存入數據庫供其他單元調用。

2.5 安全預警與應急預案模塊

提出高心墻堆石壩滲透穩定、沉降、壩坡穩定、應力應變、動力反應等方面的控制標準，建立大壩的綜合安全指標體系。根據動態監測信息以及計算成果，進行大壩安全分析，建立大壩安全評價模型；結合安全指標體系，針對不同的異常狀態及其物理成因，對異常狀態進行分級并建立預警機制。該模塊可進行分級實時報警，并可給出預警狀態信息。根據安全預警與預案判別分析結果，對可能出現的安全問題，建立相應的應急預案與措施，確保工程安全、順利、高質量實施，并可人工修改應急方案。

本模塊包括安全預警項目、安全指標體系、應急預案管理和安全預警信息四個部分。安全預警項目包括三類，即整體項目、分項項目和定制項目。整體項目是指從壩前蓄水位、滲透穩定、整體變形、壩坡穩定等宏觀方面評價大壩安全的項目。此外，大壩裂縫在已見高土石壩中普遍存在，且是廣受關注的可能造成安全隱患的誘因，因而在本系統中也被列為一個整體安全預警項目。分項項目與典型監測點對應，包括水平位移、沉降、滲流量、孔壓、土壓和裂縫等幾個方面。對每個項目的管理均包括項目的添加、對應監測項目和測點的選取、判別基準值和安全指標的設定、應急預案的建議等。

通過設定好的設計監控指標，系統自動發出報警信號，報警信號可以采用桌面提醒、郵件提醒和短信提醒。不同級別的預警響應的應急預案不同，通過設定好的應急方案與預警級別之間的關系，系統自動提出應急方案以供運行人員執行。

2.6 巡視記錄與文檔管理模塊

對大壩安全巡視過程中產生的視頻、圖片、文檔等資料進行管理，并可進行查詢操作。文檔管理主要是對大壩建設和運行過程中各環節相關的圖片、文檔等資料進行管理，并可進行添加和查詢操作。

2.7 數據庫管理模塊

主要用于數據的錄入、修改及查詢等操作，本模塊僅限于系統管理員用戶。包括系統基本數據和多個模塊共用的公用數據。數據分為兩類，一次數據（原始數據）為研究對象的基本信息；二次數據是經系統分析等對一次數據處理得到，以便于各模塊的調用。

3 結束語

該系統的功能豐富，操作界面友好，特別是將監測數據管理、嵌入式數值計算和反演分析、安全評價和預警預案等有機地集成于一體，可以實現與現場其他的生產過程管理系統的緊密集成，支持計算分析結果的發布及大壩性態的動態反演，實現計算、計劃、執行、反演與優化過程的閉環管理。納入了數值計算模塊和反演分析模塊，包含了大壩穩定分析、靜動力結構分析、滲流分析和裂縫等計算分析和反演分析功能，實現了大壩性態的安全分析及預警。從實際應用來看，非常適合水電站運行管理人員及時、深入的掌握大壩的工作性態。

參考文獻

[1]張宗亮，等.工程安全評價與預警信息管理系統研究開發報告[Z].2003.

作者簡介：徐小坤（1978-），男，工程師，主要從事水工建筑物運行、安全監測資料分析工作。