小灣水電站工程安全分析與決策支持系統研究與構建

易 魁,陳 豪,2,趙志勇,毛鶯池

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南昆明650214；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南昆明650001；4.河海大學計算機與信息學院,江蘇南京211100)

小灣水電站工程安全分析與決策支持系統研究與構建

易 魁1,陳 豪1,2,趙志勇2,3,毛鶯池4

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南昆明650214；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南昆明650001；4.河海大學計算機與信息學院,江蘇南京211100)

小灣水電站安全監測自動化系統實現了數據自動化采集與存儲,為電站建設運行提供了長序列監測數據。針對監測系統在運行中出現的問題,對工程安全分析與決策支持系統進行了優化。介紹了小灣水電站工程安全分析與決策支持系統的研發背景、關鍵技術、系統架構和功能實現,為類似水電工程提升水工建筑物運行期安全評判和異常工況預警能力提供了參考和示范。

工程安全監測；安全分析；數據處理；小灣水電站

0 引 言

由華能瀾滄水電股份有限公司承擔的國家“十二五”科技支撐計劃課題“瀾滄江流域水電開發安全與高效利用系統集成與示范”于2013年啟動,課題下設“瀾滄江流域工程安全分析與決策支持系統”研究專題。該專題研究以瀾滄江上的小灣水電站為試點,開展工程安全監測系統關鍵技術研究,以期解決梯級水電站運行階段安全監測數據共享性差、實時處理困難等問題,全面提升以大壩為主的水工建筑物監測數據分析、水電站工程安全評判和異常工況預警能力。

1 工程安全監測現狀及需求分析

1.1 工程概況及監測現狀

小灣水電站系瀾滄江中下規劃8個梯級中的第2級,以發電為主兼有防洪等綜合效益,裝機容量4 200 MW。工程屬一等大(I)型工程,主要水工建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞和右岸地下引水發電系統組成,其中雙曲拱壩最大壩高294.5 m,為世界首座300 m級高拱壩。水庫總庫容150億m3,具有多年調節能力,2012年10月首次蓄至正常蓄水位。

小灣水電站實施了全國規模最大的工程安全監測項目,安裝埋設儀器10 761支。監測范圍涵蓋大壩及壩肩抗力體、引水發電系統、泄洪設施、樞紐區工程邊坡、導流及擋水等各類施工臨建設施、水庫地震和庫區失穩體,監測項目包括變形、滲流滲壓、應力應變及溫度、支護效應、地震反應、環境量等。相應地,小灣水電站建成了包括南瑞DIMS4.0監測系統、壩頂GNSS變形監測系統、三維激光變形測量系統、大壩強震監測系統、光柵光纖式橫縫動態監測系統等在內的全國規模最大的安全監測自動化系統,接入自動化系統6500余支,并在籌劃實施繞壩滲流水位孔和量水堰、大壩壩后馬道表觀點等自動化監測改造。

1.2 需求分析

目前,小灣水電站安全監測自動化系統實現了數據自動化采集與存儲,為電站建設運行提供了長序列監測數據,但在系統應用過程中,也發現了幾個尚待改進與完善的問題：

(1)水工巡檢作業的自動化程度較低。水工建筑物巡視檢查是發現工程缺陷的最直觀手段。但長期以來,水工巡檢仍以尺量拍照手工填表、事后整編制作臺賬為主。巡檢成果不僅受巡檢人員技能經驗水平等主觀因素影響,且還存在從現場巡檢到成果發布全過程時效低,難以實現缺陷歷史數據實時查詢,無法與高頻次的自動化儀器監測數據匹配校驗等問題。

(2)各異構監測系統之間形成數據孤島。各類以滿足傳感器數據采集與通信存儲為主要功能的安全監測系統源于不同廠商,存在基礎數據庫數據結構差異、通信方式不一,成果數據難以實時共享和對比校驗,無法滿足“冗余設置,相互驗證”工程安全監測設計部署原則。

(3)未形成與高頻次自動化監測相適應的數據實時分析與評判能力。監測自動化系統可據工程需要設定數據采集頻次并實時存儲,但單日2.5萬條以上的海量數據粗差及其反饋的建筑物工況異常卻無法依靠人工判識,而通過設定固定上下限值的數據超限報警對于處于初蓄等高危風險期或特殊工況的水電站亦被證明并不適用,導致每日采集的大量數據既不能根據測值波動來及時甄別儀器故障,也無法依據效應量變幅來快速判識工程異常。

(4)工程工況綜合評判預警信息化機制未建成。因缺乏監測異常測值實時甄別與有效抽取能力,導致無法進行大壩等水工建筑物工況的綜合評判與安全預警。

(5)缺乏高效友好的數據成果管理與發布手段。現有的安全監測系統成果數據可視化程度較低,無法提供水工建筑物、監測儀器與主要水工缺陷空間相關性的有效查詢與定位,且成果信息未針對運維層、管理層和決策層各級人員職能進行分級篩選與推送。

2 系統研發的關鍵技術

2.1 技術路線

開發基于移動終端的水工巡檢系統,全面提升水工巡檢作業的自動化和數字化水平；構建統一的監測成果數據庫,開發工程安全監測數據自動匯集平臺,構建有效兼容、統一存儲的監測數據集中管控機制；研發監測數據安全閾值模型和異常測值評判規則準則,對各測點每個測次測值進行實時甄別與評判,達到與實時采集相匹配的數據分析與評判能力；在此基礎上,結合各類工程安全評價模型、評價方法、以及安全評價的輔助信息,研發基于實測數據的工程工況安全綜合評價模型和預警指標體系,為電站運行提供決策支持；構建基于BIM三維模型的大壩安全監測可視化平臺和門戶發布系統,實現監測測點及其測值數據的查詢,實現綜合安全分析與評價信息、分級預警提供三維可視化展示與分級發布報送。

2.2 關鍵技術

(1)水工巡檢信息一體化采集管理技術。結合工程實際與業務流程,將水工巡檢作業按工程部位進行任務分組化,按巡檢路線進行業務定制化,按工作內容進行流程通用化,按缺陷類型進行對象分類化,在標準化巡檢業務基礎上,研究支持多終端的信息采集、PC端與移動終端數據雙向同步,以及巡檢信息高效管理方法。

(2)多源異構系統綜合集成技術。結合各類工程安全監測系統協同演化與異構信息融合需求,以提供各類監測成果數據管理、匯集、共享、訪問的數據中心服務功能為目標,研究網絡化復雜軟件系統的粒度分解及匹配軟件粒度的數據抽取與傳輸控制技術、面向服務的松耦合計算模型、統一的靈活的服務協同機制、多源異構信息融合方法庫與模型庫,實時集成管理、綜合分析與共享發布技術。

(3)測值動態異常評判自適應模型。以小灣特高拱壩為技術突破,分析力學結構計算、自適應統計模型、動態特征值、多點時空計算、規范標準限值、工程綜合類比等方法對于不同儀器類型和工程部位測點的適用性與準確性,研發對應水位的關鍵測點安全閾值,建立動態監測測點異常評判模型,提出測點異常測值的快速甄別、跟蹤復核、動態評判系統機制與方法。

圖1 工程安全分析與決策支持系統總體框架

(4)大壩工況綜合分析與分級預警模式。從水工建筑物宏觀地質特征、結構性狀和承受荷載特點和周邊環境出發,通過巡視檢查和安全監測體系監控獲取的準確監測信息,開展建筑物多源監測信息和其它相關信息安全評價,研發一套切實可行的水工建構筑物的工況綜合評判指標和預警發布方案。

(5)基于BIM的水電三維可視化虛擬現實技術。構建可連接水工建筑全生命期各階段數據、過程和資源的小灣電站水工建筑、儀器測點三維精細化BIM模型,關聯映射相關屬性及巡檢監測數據,通過空間插值算法網格化離散監測數據,動態展示水工建筑實際物理工況,構建分級加載模型,確保系統運行輕量化。

3 系統架構與功能實現

3.1 系統總體架構

結合系統技術路線與功能實現,在統籌架構的交互操作性、擴展性、穩定性、移植性和安全性等基礎上,將系統總體邏輯架構自下而上劃分為如圖1所示的層次,并以保障機制貫穿系統整體。①信息采集層。由各系統定期采集監測、巡檢數據,經計算整編后轉換為監測成果數據,通過監測數據匯集平臺,對多源平臺的歷次成果數據進行實時匯聚。②數據資源層。由成果數據庫、分析方法庫、CAE仿真庫、三維模型庫來提供對所有安全監測與分析數據的規范化統一管理及相應工具,為各類應用服務提供數據支撐與共享。③應用支撐層。包括公共基礎、應用支撐和資源服務管理,負責向上層各業務應用系統提供公共統一的運行環境和主體支撐框架,將抽取出的各子系統功能模塊服務化,形成松耦合的服務群。④業務應用層。由安全監測信息查詢、安全綜合評價與預警、信息分級發布系統等多個業務應用組成,其核心是以工程安全分析方法庫為基礎的決策支持技術,為水工運維提供服務和支持。⑤應用展示層。通過內網門戶為電站各級運管層提供統一的訪問和應用界面,通過BIM三維模型實現工程安全監測基礎數據和分級預警信息等的集中發布、共享與展示。⑥運行環境。包括機房、通信和計算機網絡、計算資源、存儲資源、安全設施、公用軟件平臺等系統運行所需的所有軟、硬件環境。⑦保障設施。包括標準體系、建設運行管理、安全管控和開發運行團隊等保障系統建設和運行所需投入的非技術類設施。

圖2 水工巡檢系統移動端及信息管理平臺示意

3.2 功能實現

(1)水工巡檢信息高效采集。水工巡檢子系統是整個系統信息采集層的重要組成部分,在業務流程標準化的基礎上,通過手持移動終端代替紙質表格、手持光源、攝像設備、測距儀器等工具,實現缺陷描述信息的現場快速采集,見圖2。巡檢數據導入PC端信息管理平臺,實現巡檢流程、缺陷信息及消缺處理的統一存儲和管理,見圖3。

圖3 監測數據匯集平臺示意

(2)工程安全監測數據自動匯集與存儲。監測數據匯集平臺是信息采集層與數據資源層的連接橋梁,在自動化系統完成監測數據采集入庫后,通過定期自動訪問各自動化系統數據庫,將當期監測成果數據實時遷移至成果數據庫,并同時整合歷史人工監測數據、實時水雨情、工程檔案、三維設計模型等數據資源,構建數據集成平臺,合理存儲和管理各種數據源,為應用服務層提供數據轉換、數據共享和綜合分析基礎支撐。

(3)測點安全閾值評判與建筑物綜合分析分級預警。測點安全閾值評判與建筑物綜合分析分級預警是應用支撐層和業務應用層的核心功能,首先通過數據質量管控,實現對測量因素(儀器故障、人工錯誤、環境誤差)引起的突變異常測值有效處理,保證監測數據完整性、一致性、準確性；然后研究分析分析力學結構計算、自適應統計模型、動態特征值、多點時空計算、規范標準限值、工程綜合類比等方法對于不同儀器類型和工程部位測點的適用性與準確性,建立不同水位條件下的測點安全閾值,實現對由工程因素引發的測點異常測值的快速甄別、跟蹤復核、動態評判；最后按照監測測點、監測項目、建筑物局部乃至整體的逐級遞進原則,通過結合工程實際和工程經驗的分級監測項目權重賦值,與巡檢成果綜合比對建立建筑物監測安全分級綜合評價模型,實現對建筑物運行工況的實時評價與發展趨勢的有效預測。

(4)基于BIM的安全評價可視化展示。基于工程安全監測系統及其成果數據的BIM三維模型是應用展示層的關鍵功能,按照業務應用的工作流程、工程計算模型庫、評判規則庫、仿真計算庫,建立水工建筑物、內外觀監測儀器、物探檢查孔等BIM模型,實現工程各部位、安全監測設施、巡檢重要缺陷物理外形和空間位置的全真三維展示,監測成果數據查詢、檢索、定位,為各類安全監測信息與分級預警信息提供表格、圖線、三維模型等多種可視化展示,并根據監測數據異常反饋信息用戶定制在三維模型中規劃定制最佳巡檢路線。大壩壩體安全監測可視化模型如圖4所示。

圖4 安全監測測點可視化與大壩壩體變形三維可視化云圖示意

(5)工程綜合業務信息門戶及安全信息分級發布。工程綜合業務信息門戶(如圖5所示)處于直面用戶的應用展示層,為業務應用層至信息采集層各應用系統提供統一訪問接口,在該門戶中實現基礎的應用環境、用戶管理、用戶認證、菜單管理等通用系統功能,實現了從建設期人工監測系統等單機版數據存儲平臺到南瑞DIMI4.0、GNSS系統等物聯網信息采集系統的實時訪問和遠程控制。同時結合水電廠工程安全管控業務流程與制度定制了的工程安全綜合信息分級發布與推送機制,集成展示業務應用層各系統分析統計得出的成果信息,為電站運維層、管理層、決策層等多級用戶提供分層次、多形式的安全監測信息、業務流程信息和工程安全綜合評判信息,對電站運行維護管理各級業務決策提供全過程和全方位支持。

圖5 工程綜合業務信息門戶

4 結 語

小灣水電站工程分析與決策支持系統研發過程中,充分依托國家“十二五”科技支撐計劃課題開展具探索性、創新性的相關關鍵技術研究,同時也緊密契合企業實際需求,從破解生產管理技術難題,滿足一線工程技術人員實用出發,開展科技研究到系統應用一步轉化的系統研發工作。目前,系統所轄的水工巡檢子系統、監測數據匯集平臺、大壩安全監測三維可視化管理系統已投入實際運行,切實轉變了小灣水電站現場水工安全工作模式,全面提升了一線水工運維效率；監測測點安全閾值分析評判子系統、水工建筑物綜合分析與分級預警子系統、工程綜合業務信息門戶已進入線上試運行階段,在持續完善與改進后,將全面服務于小灣電站的水工運維管理。

隨著瀾滄江流域水電開發的持續推進,大規模梯級水電庫群逐漸形成,對以大壩為代表的水電站水工建筑物安全管理和風險防控提出了更高要求。為適應新形勢要求,以信息化和智能化技術為先導,深化現有大壩安全監測與管控模式,將以采集存儲、計算整編為主的監測數據信息管理系統提升為以高效匯集、實時甄別、動態分析、綜合評判的工程分析與決策支持系統,在安全監測數據實時處理和動態分析功能上有所強化,在水工建筑物運行工況綜合評判和水電站安全管理決策支持方面邁進一步,將為構建流域級工程安全分析與決策支持系統,保障梯級水電庫群安全穩定運行發揮切實地技術支撐作用。

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(責任編輯 王 琪)

Research and Construction of Engineering Safety Analysis and Decision-making Support System for Xiaowan Hydropower Station

YI Kui1, CHEN Hao1,2, ZHAO Zhiyong2,3, MAO Yingchi4

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. College of Water Conservancy and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;3. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China;4. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The automatic safety monitoring system in Xiaowan Hydropower Station can automatically collect and storage monitoring data, which provide a long-series station operation data. For solving the problems of monitoring system operation, the engineering safety analysis and decision-making support system of Xiaowan Hydropower Station is optimized. The development background, key technologies, system architecture and function achievement of the system are introduced herein, which will provide a reference and demonstration for improving hydraulic structure safety evaluation and abnormal condition early warning capacity of hydropower project during operation period．

engineering safety monitoring; safety analysis; data processing; Xiaowan Hydropower Station

2016- 05- 26

國家科技支撐計劃課題(2013BAB06B04)；云南省聯合支持國家計劃(2014GA007)

易魁(1967—),男,貴州貴陽人,高級工程師,主要從事水電科技研發工作．

X524(274)

A

0559- 9342(2017)03- 0123- 05