基于實(shí)測數(shù)據(jù)的重力壩型水電站大壩安全診斷關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

陳 豪，邱小弟，丁玉江，蔣金磊，許后磊，王龍寶，王海燕

(1.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650003；4.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

我國水力資源總量居世界首位，水電開發(fā)在近30年的高速發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了從“追趕者”到“引領(lǐng)者”的跨越。截至2017年底，中國水電裝機(jī)容量達(dá)3.4億kW，約占全國電力總裝機(jī)的20%，占全球水電裝機(jī)容量的26.9%；全球已建在建200 m及以上高壩96座，我國占34座；250 m以上高壩20座，我國占7座[1-2]。在有效發(fā)揮大量水利水電工程巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，有效判別工程運(yùn)行過程中的潛在隱患和安全風(fēng)險(xiǎn)，成為了各類大壩運(yùn)行過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著信息技術(shù)在工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，大壩安全管理由狀態(tài)監(jiān)測逐步過渡至狀態(tài)分析與診斷正成為提升大壩安全管控水平的新途徑[3]。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析已做了一定的研究。谷艷昌等[4]建立了的混凝土壩變形預(yù)警指標(biāo)擬定方法；王培成等[5]研究了基于BIM的大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)；張宗亮[6]開展了超高面板堆石壩監(jiān)測信息管理與安全評(píng)價(jià)理論方法研究；易魁等[7]開展了基于小灣特高拱壩研發(fā)，構(gòu)建了首個(gè)工程安全分析與決策支持系統(tǒng)，并投入實(shí)際應(yīng)用。但專門針對(duì)重力壩型水電站，重點(diǎn)面向水電站層級(jí)的水工運(yùn)行維護(hù)管理需求，綜合考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查和物探檢測兩方面內(nèi)容并引入大壩安全綜合評(píng)價(jià)體系，實(shí)時(shí)對(duì)大壩運(yùn)行工況進(jìn)行分析診斷的研究尚無先例。鑒于此，本文以西南某水電站為攻關(guān)對(duì)象，構(gòu)建水電站工程安全管理決策系統(tǒng)，以期全面提升水電站以大壩為代表的水工建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、工程安全評(píng)判和安全管控智能化水平。

1 工程概況及現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

某水電站位于我國西南地區(qū)北南走向河流中游，是該河干流上建設(shè)的首個(gè)大型水電站，總裝機(jī)容量1 670 MW，以發(fā)電為主，兼有防洪、通航等綜合利用效益。水庫正常蓄水位994.0 m，相應(yīng)庫容9.2億m3，具備季調(diào)節(jié)能力。樞紐工程由混凝土重力壩、壩后廠房、開關(guān)站、壩后水墊塘、左岸泄洪洞及沖沙底孔等建筑物組成，其中混凝土重力壩最大壩高132.0 m，壩頂長418.0 m，共分19個(gè)壩段。為保證電站長期運(yùn)行安全，電站專門設(shè)計(jì)部署了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并將包括環(huán)境量、大壩變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測項(xiàng)目接入了自動(dòng)化采集系統(tǒng)。

1.2 現(xiàn)狀分析

電站大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與存儲(chǔ)，為電站運(yùn)行提供了長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，但在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了如下有待改進(jìn)與完善的問題：

(1)大壩工況信息數(shù)字化采集與融合能力不足。除了目前廣泛部署的大壩安全監(jiān)測儀器和設(shè)備外，作為發(fā)現(xiàn)工程缺陷最直觀手段的水工巡檢和物探檢測仍以眼看尺量填表錄像為主，作業(yè)受人員技能經(jīng)驗(yàn)水平影響較大，形成的文字和影像等工程缺陷描述信息數(shù)字化提取和存儲(chǔ)能力欠缺，成果以紙質(zhì)報(bào)告為主[8]。此外，諸如內(nèi)外觀自動(dòng)化監(jiān)測、GNSS、水雨情監(jiān)測、強(qiáng)震監(jiān)測等各類電測采集系統(tǒng)緣于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和通信接口的差異，形成數(shù)據(jù)孤島，存在各類監(jiān)測、檢測成果空間相關(guān)性融合對(duì)比與隱患缺陷信息歷史趨勢分析評(píng)判困難等問題[9]，無法滿足“冗余設(shè)置，相互驗(yàn)證”工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)部署原則。

(2)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集相匹配的大壩狀態(tài)分析和診斷能力未形成。近年來各類電測儀器的自動(dòng)化采集能力不斷提升，可根據(jù)工程需要設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻次并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，但單日最高可達(dá)數(shù)萬條測值數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及其反應(yīng)的建筑物工況潛在異常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人腦判識(shí)和處理能力，僅僅依靠電測類儀器設(shè)定固定上下限值的異常報(bào)警對(duì)于處于初蓄期或特殊工況的水工建筑物異常評(píng)判亦被證明并不適用。造成大量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，既不能根據(jù)測值波動(dòng)來及時(shí)甄別儀器或系統(tǒng)自身故障，也無法依據(jù)效應(yīng)量變幅來為遭遇極端工況后的大壩狀態(tài)快速診斷提供依據(jù)。

(3)適應(yīng)水電站水工安全業(yè)務(wù)管理和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處置的支持功能缺乏。目前廣泛使用的監(jiān)測自動(dòng)化采集系統(tǒng)缺乏對(duì)監(jiān)測和巡檢信息從實(shí)時(shí)分析，異常診斷到跟蹤復(fù)核，缺陷等級(jí)判定再到分級(jí)報(bào)送和措施處理的水電站水工缺陷全流程閉環(huán)管理的支持。在地震、洪水等極端工況條件下，沒有將大壩工況綜合評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散趨勢分析與水電站大壩安全應(yīng)急預(yù)案分級(jí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和路徑緊密關(guān)聯(lián)，無法針對(duì)電廠運(yùn)維層、管理層和決策層各級(jí)人員職能分級(jí)抽取與定制推送決策支持信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2.1 水工安全運(yùn)維數(shù)據(jù)資源整合技術(shù)

針對(duì)水電站水工安全運(yùn)行數(shù)據(jù)多源異構(gòu)分布存儲(chǔ)的特點(diǎn)，建立面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源目錄，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的整理、抽取、轉(zhuǎn)換、遷移、重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電站安全監(jiān)測元數(shù)據(jù)的管理，合理存儲(chǔ)和管理各種數(shù)據(jù)源；提出動(dòng)態(tài)可配置的元數(shù)據(jù)映射機(jī)制，以及分布式流數(shù)據(jù)ETL框架與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步與訪問策略，研發(fā)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)匯集方法，建立安全監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換與集成、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有涉及工程安全監(jiān)測與分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化統(tǒng)一管理，見圖1。

2.2 基于BIM的多源異構(gòu)空間信息融合技術(shù)

構(gòu)建可承載水工建筑全生命期各階段數(shù)據(jù)、過程和資源的電站樞紐區(qū)工程BIM模型，關(guān)聯(lián)映射大壩及測點(diǎn)相關(guān)屬性信息，通過空間插值算法網(wǎng)格化離散監(jiān)測數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)展示水工建筑實(shí)際物理工況；利用空間數(shù)據(jù)引擎，在大壩三維可視化場景中融合安全監(jiān)測、水工巡檢、大壩壩基、壩體物探檢測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合深度融合，為后期數(shù)據(jù)聚合分析、關(guān)聯(lián)分析提供基礎(chǔ)；采用信息輕量化分層分級(jí)加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維場景下各類模型分層次加載。

圖1 水電站水工數(shù)據(jù)資源應(yīng)用流程

2.3 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的測點(diǎn)快速評(píng)判與大壩工況綜合評(píng)價(jià)技術(shù)

結(jié)合力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算、自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型、歷時(shí)特征值、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限值、變化速率等方法對(duì)不同儀器類型和工程部位測點(diǎn)的適用性與準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，研發(fā)針對(duì)各類監(jiān)測儀器的單測點(diǎn)安全閾值；結(jié)合長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，遴選大壩安全關(guān)鍵測點(diǎn)，采樣典型小概率和置信區(qū)間法建立關(guān)鍵測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)，構(gòu)建測點(diǎn)異常測值的快速甄別、跟蹤復(fù)核、動(dòng)態(tài)評(píng)判系統(tǒng)機(jī)制[10-11]。抽象現(xiàn)行的監(jiān)測資料分析評(píng)價(jià)流程，按照監(jiān)測測點(diǎn)、監(jiān)測項(xiàng)目、工程局部至大壩整體逐級(jí)歸屬原則，建立測點(diǎn)效應(yīng)量邏輯關(guān)聯(lián)性和空間關(guān)聯(lián)性，結(jié)合工程和監(jiān)測測點(diǎn)多年運(yùn)行工程經(jīng)驗(yàn)和可靠性統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行各層級(jí)的權(quán)重賦值，與巡檢、物探等成果綜合比對(duì)建立大壩監(jiān)測安全分級(jí)診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩運(yùn)行工況的綜合評(píng)價(jià)，見圖2。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)與主要功能，將保障機(jī)制貫穿系統(tǒng)整體，并將系統(tǒng)邏輯架構(gòu)自底向上劃分為5個(gè)層次，如圖3所示。

(1)運(yùn)行環(huán)境。包括存儲(chǔ)設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源、安全設(shè)施、通用軟件等各類軟、硬件環(huán)境。

(2)保障設(shè)施。包括標(biāo)準(zhǔn)體系、建設(shè)運(yùn)行管理、安全管控和開發(fā)運(yùn)行團(tuán)隊(duì)等保障系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行所需投入的非技術(shù)類設(shè)施。

(3)信息采集層。由各系統(tǒng)定期采集監(jiān)測、巡檢數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算整編后轉(zhuǎn)換為監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集對(duì)各類多源監(jiān)測檢測成果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)匯聚。

(4)數(shù)據(jù)資源層。由成果數(shù)據(jù)庫、分析方法庫、CAE仿真庫、三維模型庫來提供對(duì)所有安全監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)的規(guī)范化統(tǒng)一管理及相應(yīng)工具，為各類應(yīng)用服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐與共享。

(5)應(yīng)用支撐層。包括公共基礎(chǔ)、應(yīng)用支撐和資源服務(wù)管理，負(fù)責(zé)向上層各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供公共統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境和主體支撐框架，將抽取出的各子系統(tǒng)功能模塊服務(wù)化，形成松耦合的服務(wù)群。

(6)業(yè)務(wù)應(yīng)用層。由安全監(jiān)測信息查詢、安全綜合評(píng)價(jià)與預(yù)警、信息分級(jí)發(fā)布系統(tǒng)等多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用組成，其核心是以工程安全分析方法庫為基礎(chǔ)的決策支持技術(shù)，為水工運(yùn)維提供服務(wù)和支持。

圖2 大壩監(jiān)測安全分級(jí)診斷模型

圖3 系統(tǒng)總體框架

(7)應(yīng)用展示層。通過網(wǎng)絡(luò)門戶為電站各級(jí)運(yùn)管人員提供統(tǒng)一訪問和交互接口，通過BIM模型實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測成果和綜合評(píng)判信息的集中發(fā)布、共享與展示。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)水工巡檢。水工巡檢信息通過手機(jī)或PAD等移動(dòng)終端代替紙質(zhì)表格、手持光源、攝像設(shè)備、測距儀器等工具，按照個(gè)性定制的巡檢區(qū)域和路線，現(xiàn)場記錄巡檢情況[8]。巡檢完畢后將巡檢數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)Service端，自動(dòng)對(duì)巡檢、缺陷信息分類整編，統(tǒng)一管理，形成適應(yīng)于水電站水工業(yè)務(wù)流程的缺陷臺(tái)賬和巡檢報(bào)表，如圖4所示。

圖4 水工巡檢移動(dòng)端APP及Service端信息管理

(2)數(shù)據(jù)匯集。通過定期巡訪將分布存儲(chǔ)于各業(yè)務(wù)主題數(shù)據(jù)庫中的各類自動(dòng)采集成果數(shù)據(jù)遷移至成果數(shù)據(jù)庫，并整合人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)水雨情、巡視檢查、物探檢查、工程檔案等數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行集成與存儲(chǔ)，實(shí)施統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)整理、遷移及重構(gòu)，消除數(shù)據(jù)孤島，為數(shù)據(jù)共享、綜合分析提供基礎(chǔ)支撐。此外，數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)還可統(tǒng)計(jì)當(dāng)天、累計(jì)一周和累計(jì)一月的測點(diǎn)采集缺失和計(jì)算成果缺失等類型的異常數(shù)據(jù)，并定位到對(duì)應(yīng)DAU采集單元和模塊位置，提升自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)效能，如圖5所示。

圖6 電站樞紐區(qū)與監(jiān)測系統(tǒng)三維模型構(gòu)建

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集過程與異常測點(diǎn)查詢

(3)BIM構(gòu)建。結(jié)合電站工程設(shè)計(jì)和監(jiān)測設(shè)計(jì)資料，構(gòu)建包括大壩及內(nèi)部廊道、壩后廠房、水墊塘、灌漿及排水洞室，以及各類安全監(jiān)測儀器和大壩芯樣，巡檢缺陷等的外觀和空間位置三維水工BIM模型，為各類監(jiān)測、物探、檢測、巡檢成果數(shù)據(jù)提供空間查詢、檢索、定位等多種可視化展示，并為進(jìn)一步開展異常測點(diǎn)的空間聚類分析和重要缺陷巡檢路線規(guī)劃提供基礎(chǔ)支持。電站樞紐區(qū)與監(jiān)測系統(tǒng)三維模型構(gòu)建示意如圖6所示。

(4)測點(diǎn)閾值分析與大壩綜合評(píng)判。首先，采用多層感知機(jī)MLP、差分自回歸移動(dòng)平均模型、基于注意力機(jī)制的LSTM等7種長序列訓(xùn)練數(shù)據(jù)擬合模型，四分位距法異常檢測、孤立森林等5種短期預(yù)測樣本數(shù)據(jù)異常處理模型，基于3σ評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)單測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值計(jì)算和閾值評(píng)判，融合結(jié)構(gòu)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)模型、歷時(shí)特征值、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限值和關(guān)鍵測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)等多種方法，對(duì)工程監(jiān)測測點(diǎn)異常測值的快速甄別、跟蹤復(fù)核、動(dòng)態(tài)評(píng)判。然后，建立基于工程經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性權(quán)重賦值的大壩監(jiān)測安全分級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)適用于電站水工運(yùn)維技術(shù)人員的大壩運(yùn)行工況的快速評(píng)價(jià)。安全監(jiān)測閾值分析及綜合分析分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)示意見圖7。

圖7 安全監(jiān)測閾值分析及綜合分析分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)

(5)信息發(fā)布與業(yè)務(wù)支持。水工業(yè)務(wù)基礎(chǔ)管理門戶向電站各級(jí)水工運(yùn)維技術(shù)人員提供了一體化工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各類監(jiān)測采集系統(tǒng)的一站式訪問和遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，結(jié)合電廠工程安全管控業(yè)務(wù)流程與關(guān)注重點(diǎn)，集中提供了水工巡檢、關(guān)鍵測點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯集、閾值分析，綜合評(píng)判等側(cè)重于管理流程的統(tǒng)計(jì)成果和抽取信息，為電站運(yùn)維層、管理層、決策層等多級(jí)用戶提供分層次、多形式的電站安全管理信息。水工業(yè)務(wù)基礎(chǔ)管理門戶示意見圖8。

圖8 水工業(yè)務(wù)基礎(chǔ)管理門戶

4 結(jié) 語

重力壩型水電站大壩安全診斷關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)過程中，在充分依托研究項(xiàng)目開展具探索性、創(chuàng)新性的關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，緊密契合電站實(shí)際，從破解水電站大壩安全監(jiān)管與運(yùn)維技術(shù)難題，滿足電站一線水工運(yùn)維技術(shù)人員提質(zhì)增效工作需求出發(fā)，開展了科技研究到系統(tǒng)應(yīng)用一步轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)研發(fā)工作。目前，系統(tǒng)已初步投入運(yùn)行，正逐步轉(zhuǎn)變電站的現(xiàn)場水工安全管控模式。在后續(xù)工作中，項(xiàng)目還將結(jié)合工程特性和調(diào)度運(yùn)行特點(diǎn)，研發(fā)地震、洪水等極端工況下的大壩工況快速診斷方案與應(yīng)急管控決策支持模塊，進(jìn)一步提升一線水工運(yùn)維功效。