工程與信息融合的水電工程“三甲醫院”探討

趙志勇,廖建軍,張禮兵,張 帥

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

正如人類生老病乃至死亡階段需要看病就醫或定期體檢來評價身體狀態一樣,水電工程在規劃設計、工程建設、運維管理、退役拆除等全生命周期過程也需要依據國家、行業等規范要求[1-2]或企業管理需求等,開展設計審查、質量監督、安全鑒定、定期檢查與安全評價等工作,以便及時發現大壩設計施工缺陷及運行中病險隱患,保障工程安全運行。

針對水電工程安全評價問題,國內許多專家學者從評價模型著手,基于灰色關聯度分析法、模糊云理論、支持向量機、以熵權為基礎的改進物元可拓模型、云模型與證據理論、AHP(層次分析法)-信息熵理論等[3-10],相繼提出了大壩安全性態綜合評價模型,并進行了典型工程應用。顧沖時等[11-12]還從混凝土壩材料性能演化、隱患病害監測與檢測、施工質量控制、安全風險管理與評定等方面,論述了混凝土壩長效服役與風險評定理論、方法及其技術的研究現狀。

但由于水電工程全生命周期數據信息來源多樣、格式差異大,有監測、檢測、施工過程等結構化數據,也有文字報告、巡視檢查、專家經驗、視頻監控等非結構化數據。當前來說,這些信息處于不同階段并在不同單位手中，兼之信息技術的滯后,信息相互獨立的“信息孤島”現象突出,未能有效融合更缺乏深度應用。

近年來隨著GIS、BIM、大數據、云存儲及人工智能算法等信息技術和建筑物智慧感知等硬件設備技術的發展,以智慧感知的信息為基礎、基于GIS+BIM技術與工程全生命周期的信息融合為手段、大數據及云存儲與人工智能算法的健康診斷為核心,使得打造工程與信息化融合的水電工程 “三甲醫院”成為可能。本文旨在從“醫院”視角，以工程為對象,采用邊緣性、交叉性前緣技術提供涉及水電工程全生命周期的多源異構信息獲取、健康診斷、評價與整治于一體的一站式服務解決方案。

1 水電工程“三甲醫院”概念

1.1 定義

水電工程“三甲醫院”,是指以水電工程全生命周期安全為目標,按照“體檢、診斷、手術”醫院治病的思路,以大壩設計、施工過程等“出生”靜態信息為基礎,以運行期監測、檢測、檢查、管理等“成長”動態信息為核心,對大壩運行性態和安全狀況進行評價,對認定的病險工程進行消缺處理、除險加固等整治措施的過程。即相當于對大壩進行監測感知、性態檢測、巡視檢查及運行管理為手段的“日常體檢”,基于體檢信息對運行性態和安全狀況進行評價的“醫生診斷”,評價認定的消缺處理、除險加固等“動手術”工程整治措施,實現工程全生命周期的多源信息有機融合與數據挖掘,為水電工程全生命周期安全運行提供一體化的一站式系統性服務解決方案,更加高效、高質量地保障工程安全。

1.2 基本構成

1.2.1 信息獲取——日常體檢

在施工期和運行期,現場檢查、安全監測、水下缺陷探測、材料長期性態檢測等借助巡視檢查、底層傳感器、檢測儀器設備等手段,從不同維度獲取水電工程“成長”的動態信息,構成與安全分析評價有關的信息專業數據庫,為實現深層次數據挖掘進而進行大壩性態健康診斷提供支撐。

1.2.2 安全評價——健康診斷

以“日常體檢”獲取的信息為基礎,結合工程地質、水工與金屬結構、監測與檢測等基本專業知識,以辨識安全風險、發現安全隱患并及時防范為目標,基于專家知識與經驗,從大壩防洪、抗震、壩基與壩體結構安全、近壩庫岸和工程邊坡安全、泄洪消能設施安全、金屬結構設備安全等方面進行水電工程大壩安全復核或評價,對水庫、擋水建筑物、泄水建筑物、水工金屬結構、近壩庫岸與工程邊坡、監測系統的運行狀況提出評價意見,綜合復核成果、運行性態、后果危害性評價大壩安全等級,并對存在的主要問題與隱患提出處理建議[13]。

1.2.3 缺陷修復——動手術

工程健康診斷結果一旦出現諸如防洪標準不夠、泄流能力不足、壩體壩基變形與滲流破壞、閘門啟閉失效等嚴重健康問題,應根據工程健康診斷結果的嚴重程度,對質量缺陷進行消缺處理,對防洪安全、結構破損等病險大壩采取除險加固,包括壩體加固(如裂縫修補,尤其水下裂縫處理)、壩面保護、壩體防滲及排水處理、泄洪設施改擴建、金屬結構更換修復等工程整治措施,以繼續發揮水庫的正常效益。

1.3 主要特征

1.3.1 多源異構大數據

涉及水電工程安全的信息種類有工程地質、水文氣象、設計資料、施工質量、安全監測、性態檢測、視頻信息等,這些數據有靜態的、有動態的,有結構化數據、也有非結構化數據,還有相對模糊的專家經驗與知識,通過多源異構數據進行存儲、融合、重構,為水電工程“三甲醫院”提供數據支撐。

1.3.2 全生命周期服務

跑出樹林后，我坐在河邊喘了好一陣氣，估計沒有危險了，便又悄悄地返回樹林里，檢閱我的“戰果”。我看到馬蜂窩躺在樹下的一片水洼里，馬蜂們正驚慌失措地在上面爬來爬去，透明的翅膀不規則地顫動著，一副可憐的樣子。

水電工程“三甲醫院”貫穿于水電工程設計、工程建造和運行維護管理全生命周期各階段,通過工程設計、工程建造“出生”信息結合運行維護管理的智慧感知“成長”信息及基于專業知識的分析,實時評價工程的安全情況及預測變化趨勢,可真正確保對水電工程的全方位把控,保障安全運行。

1.3.3 全產業鏈發展

水電工程“三甲醫院”,不僅能看病,還能治病。國內設計咨詢企業、水電施工建設企業、設備制造企業和關聯產業的相關企業相互攜手,從安全信息采集、安全評估、缺陷修復、智慧信息系統全產業鏈與全過程進行水電工程大壩安全監控、評估與修復,為客戶提供全產業鏈集成、一體化的一站式系統性服務解決方案。

2 關鍵技術

2.1 監測與檢測技術

2.1.1 安全監測技術

安全監測是利用已埋設安裝的監測傳感器或安裝的監測裝置,基于全方位、全過程、信息化的動態理念,全面捕捉水工建筑物不同工況下的變形、滲流、應力應變及溫度、降水量等效應量及環境量。依據變形、滲流、應力應變等監測儀器設備獲得的實時數據與現場測試數據,進行監測設施與監測資料評價。目前監測技術總體朝著光纖傳感器、非接觸、自動化等方向發展。如隨著3S技術的發展,衛星遙感、GNSS(全球導航衛星系統)變形監測、合成孔徑雷達、激光三維掃描變形監測等非接觸表面變形監測技術得到了廣泛的應用(圖1),克服了傳統表面變形監測固有的測讀不方便、無法長距離及大范圍監測、環境影響嚴重等缺陷。

圖1 先進的非接觸測量技術和GIS應用

2.1.2 檢測與探測技術

檢測及探測是利用水、陸、空等先進的檢測儀器設備(如水下聲吶、淺地層剖面儀、三維激光掃描系統、無人機等),對擋水建筑物、泄洪消能建筑物、洞室建筑物、金屬結構及庫區的運行狀況進行檢測和探查。如依據多波束、水下機器人等檢測設備獲得的測量數據,進行混凝土缺陷、泥沙淤積、金屬結構等項目探測。主要有基于紅外熱成像、地質雷達的面板脫空探測技術;基于多波束探測系統的水下全覆蓋探查技術;基于三維激光掃描系統的庫岸邊坡、壩體(水上)、泄洪洞/道等部位混凝土全覆蓋掃描技術;基于水下無人潛器,搭載多種外部傳感器(聲吶等),工程外觀質量水下詳查技術;基于淺地層剖面儀,水下淤積厚度與結構探查技術等,可快速直觀地得到相關設施的運行狀態信息(圖2)。

圖2 水下綜合探測及BIM技術結合的運行狀態探測

2.2 健康診斷技術

根據水電工程安全評價項目的具體設置,結合不同工程的具體特點,建立水電工程大壩健康狀態診斷的指標體系,在相關規程規范的基礎上,確定大壩健康狀態等級。主要有基于統計分析、數模計算、定性評價并結合設計計算成果、規范允許值等的監控指標綜合擬定技術;基于監測數據的單測點閾值評判技術;基于實測資料、模糊層析分析法的大壩安全評價技術等。

應嘗試研究基于人工智能領域中的深度學習、認知與推理等學科,借助融合人工智能、傳統數學物理模型與專家系統的智慧模型進行大壩安全健康診斷。

2.3 大壩缺陷修復技術

主要包括病險壩除險加固技術、大壩改擴建技術以及大壩維護技術,在保障工程安全運行的同時,獲得最大的收益。其中,水下結構缺陷處理技術已成為大壩安全領域一項亟待研究的重要技術。常見的水下工程缺陷有:擋水壩體滲漏、結構裂縫、混凝土結構沖坑破損、水下透水事故、金屬結構銹蝕老化等。與之對應的有潛水安全作業技術(圖3，世界最大規模的氦氧混合氣潛水作業),壩體滲漏處理技術、結構缺陷處理技術、水下透水通道封堵技術、水下防腐技術、水下焊接技術等。

圖3 某電站大壩深水缺陷治理

2.4 大壩安全風險管理及應急技術

影響大壩安全的風險因素主要包括工程風險因素、人為風險因素、環境風險因素三部分。結合大壩風險調查,利用數理統計方法和數據挖掘工具確立可能引起大壩失事的潛在風險源,進而對風險等級進行評估[11-12],選擇合適的風險處理方案。對于風險可接受的大壩,其暫時可不進行加固處理;對于風險可容忍的大壩,應采用“最低合理可行”原則分析判斷是否采取措施降低風險;對于風險不可接受的大壩,應立即采取措施降低大壩風險。

2.5 基于GIS+BIM的管理及預警信息平臺

圖4 水電站安全監測可視化管理及預警系統

隨著社會信息化的發展,水電工程信息化已經成為水電工程現代化建設的基礎和重要標志。集數字化、信息化、可視化于一體且結合工程實際的水電工程全生命周期安全信息三維可視化平臺(圖4),集成水情、監測、運行調度等信息化管理系統,融合結構仿真計算、健康診斷、風險分析等的輔助決策模塊,能夠有效提升水電工程管理的技術水平。

黨的十九大報告提出,推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合。應嘗試將VR/AR、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術引入水電工程領域,將傳統水電技術和人工智能結合,打造普適性、開放性、包容性的智慧信息平臺。

3 分級管理體系

正如醫院需要依據功能、設施、技術力量等指標,進行資質評定、分級分等一樣(醫院分一、二、三級,每級再劃分為甲、乙、丙三等,其中三級醫院增設特等),宜從企業資歷、信譽和業績、技術條件、技術裝備及管理水平等方面對從事大壩安全服務的機構分級分等,便于開展實際工作。其中,級別跟隨企業自身勘察、設計、施工或咨詢資質,如綜合甲級、設計甲級、乙級等,承擔對應工程項目的主體工程及其配套工程的設計、施工、咨詢等安全業務,而后根據企業大壩安全服務的技術人員、技術裝備、相關業績、社會評價等方面進行分一等、二等。

針對缺陷檢測、水下修復等水電工程大壩安全業務,還需要相關行業或協會專項資質,在分級分等時亦需考慮。如水下檢測時,技術人員需持有水下工程檢測員證、潛水員證等[14],實施機構需具備對應水下工程檢測機構能力等級;進行信息系統集成開發時,機構需具備相應計算機信息系統集成資質。

已獲得級別、等別的服務機構,對滿足條件的可申請高一等級的評估。級別跟隨企業資質晉升,根據申報等級相符的技術人員、技術裝備、相關業績、社會評價等進行晉等評估。

4 結 語

水電工程作為支撐全球可持續發展的重要基礎設施,其安全事關工程效益、事關下游人民群眾生命財產安全和當地社會公共安全,如何進一步做好安全管理工作,尤為重要。工程與信息融合的水電工程“三甲醫院”,基于“體檢-開方-動手術”的思路,綜合利用監測檢測技術、健康診斷技術、缺陷修復技術、風險管理與應急處置等,對水電工程進行實時監控、定期檢查、安全評價、除險加固與綜合整治,并借助數字化、信息化、可視化于一體且結合工程實際的三維可視化平臺,系統性、全方位、全過程提供安全服務,保障工程安全運行。

應當指出,在水電工程“三甲醫院”建立及運營中,仍會面臨諸多問題,如應急處置體系、分級體系指標量化、安全信息智慧平臺,需要人們不斷研究并推廣。