基于“智能化”理念的大壩安全在線監控系統設計

謝懷宇 林育任

摘要：水電能源對實現我國“雙碳”目標有重要意義，為切實保障水電站安全，本文基于“智能化”理念，設計了一種大壩安全在線監控系統，通過耦合物聯網、大數據等現代先進信息化，切實提升對大壩安全的管理能力。

關鍵詞：大壩安全監測;智能系統;移動互聯網

引言

身為電力領域的重點清潔能源，水電能源可作為構建新型電力系統的重要調節性資源，對實現“雙碳”目標有著極大意義。然而，水電工程在發揮巨大工程效益的同時，也存在一定的安全風險。當前，為有效預防水電工程病變，一種有效的手段就是對水工建筑物進行高精度的安全監測，其通過對電站各水工結構進行檢測，可準確診斷出電站的工作狀態，工作人員可以在第一時間被告知安全風險，支撐大壩安全穩定地運行[1，2]。

而隨著大壩安全監測技術水平的發展和大數據、人工智能等新技術的廣泛應用，傳統大壩安全監測方式已難以滿足電站監測的新要求，例如：原安全監測系統無法對采集的數據進行合理的推斷評判;對數據的連續變化產生的原因不能自主做出準確的判斷和隱患排查;存在監測數據較多、較大異常時不會觸發相應的應急處置方案;系統與人員交互手段不足;監測數據、技術資料存在多頭管理，不便維護等。

為改變傳統大壩安全監測模式的機械性及滯后性，進一步加強人員對大壩安全的智能化管理水平。本文基于“智能化”理念，構建設計了一套大壩安全在線監控系統，通過對大壩安全日常監測數據和業務管理數據的集成集中管理，結合數學模型、人工智能、手機APP等相關技術及相應行業規范和專家經驗以實現實時評判和在線監控大壩安全，實現對大壩“智能評判、隱患辨析、應急觸發、決策支持”的智慧化管理。

1 ?系統框架設計

為提升大壩監測智能化、數字化管理水平，本文通過對大壩安全日常監測數據和業務管理數據的集成集中管理，結合數學模型、人工智能、手機APP等相關技術及相應行業規范和專家經驗，構建涉及了一套大壩安全在線監控系統框架，提供大壩安全各項業務的信息化流程和高效、智能業務支撐。圖1展示了該系統的框架設計圖，由功能層、對象層、數據層、傳輸層組成。

在功能層中，系統主要為用戶提供監測管理、在線監控、巡視檢查管理、缺陷隱患管理、綜合整編、信息共享等功能服務，切實運用信息化技術，提升用戶的安全管理水平。

在對象層中，系統主要面向攔河壩主體結構、大壩兩岸邊坡、船閘、升船機和其他水工建筑物等對象的安全管理進行研制開發，通過針對不同的建筑物類型設置對應的系統邏輯，使得系統在運用過程中更具實用性。

在數據層中，系統通過深度融合大壩安全監測中環境量、變形量、滲漏量、應力應變等多方位數據，能更加準確的掌握大壩結構服役形態，提升系統魯棒性。

在傳輸層中，系統通過通用數據轉換處理模塊，實現與PC、平板等智能終端以及現場儀器間的互聯互通，可通過“一張網”的形式，實現各個設備間的互聯互通。

2 ?系統特色技術

（1）優化集成現代測控、機器學習、數值模擬等專業前沿科技，搭建大壩安全在線監控系統，實現數據分析、可視化呈現、信息發布等功能，依托智能技術，有效增強人員對電站運行情況的管控能力。

（2）高度融合水情、滲流、變形等多源監測信息，實現各業務應用的協同和聯動，切實用“一網頁”耦合大壩安全各項業務工作，克服數據割據和信息孤島問題。

（3）打破人機交互壁壘，通過軟件技術集成計算機、PDA、智能手機等多智能終端，切實滿足作業人員通過多渠道進行人機交互的需求，擺脫時間、空間對業務工作的束縛，方便隨時隨地決策指揮，打造高效便捷的智能管理模式。

（4）針對大型水利工程的運行特點，集成相關行業規范、專家經驗與現代數據挖掘技術，建立大壩安全評判規則庫和推理系統，建立主客觀相結合的大壩安全狀況綜合評判體系。

（5）基于人工智能技術，可以使得數據的輸入采集、計算處理、歸納整合等過程自動完成，用專業軟件代替人工接管機械性工作，大幅度提升監測工作管理效率。

3 ?系統主要功能

3.1 ?監測管理模塊

該模塊具有監測數據的輸入、檢查與審核以及數據的查詢與統計、分析等應用功能，能夠支持人工管理監測項目，以監控部位和監控對象作為劃分單元，可自由增添或刪減監測項目，并可對監測項目的測量頻次、報警閾值等參數進行修改以滿足大壩監測現行使用需求。

3.2 ?在線監控模塊

鑒于大壩安全評價具有不確定性和復雜性的特點，因此該模塊采取多源信息融合方法對大壩各處監測狀況給予符合其特性的評價。該模塊選取大壩各方位監測信息、重要測點數據及指標準則組合為分析資料，采用機器學習方法對大壩歷史數據進行深度分析，挖掘各影響因子對壩體結構的作用機理，并根據規則推理法模擬專家決策過程，形成相應的評判規則庫和推理系統對大壩安全性態進行定性評價

3.3 ?巡視檢查管理模塊

該模塊支持的應用包括日常巡檢、汛期前后檢查、年度詳查等。系統配置了專門的手機APP，提供運行單位現場檢查錄入信息該模式下，工程師可在巡檢過程中通過移動辦公的方式時刻向后方人員報送巡檢情況，并可通過智能應用隨時查詢巡檢關注測點的詳細資料（視頻、照片等）和測量數據，現場比對判斷監測目標的運行狀況，以確保巡檢成果的有效性和完整性。

3.4 ?缺陷隱患管理模塊

該模塊主要包括缺陷或隱患信息的填報、審核、處理、驗收一系列過程。可支持業務模塊發現的問題自動導入和人工錄入缺陷，對缺陷隱患等問題進行分類分級。當測點數據達到其評判標準中的缺陷標準時，系統將以短信和手機APP的形式向用戶發出警報提醒，以達到及時消除隱患的目的，進而實現隱患缺陷從發現、填報、審核、消除到驗收的全過程流程和管控。

3.5 ?綜合整編功能模塊

該模塊可以用數字化手段，自動生成相應圖表，并根據個性化制作需求，提供自定義報表制作功能，代替人工整編的工作，實現校核、審查、核定的信息化流程，為大壩安全監測管理工作提供有力輔助支撐，顯著提高監測整編的規范化、標準化水平，并極大減少人力成本。

3.6 ?信息共享模塊

為解決傳統監測管理工作中資料分散、多頭管理等問題，該模塊開發了信息共享功能，可支持大壩安全相關的各種規程規范、技術資料分類、上傳、審核、下載操作，并可對文件的標題、類別、來源、欄目、編號等信息進行定義，以便于技術人員的集中統一管理和信息查詢共享，極大便利技術人員的日常管理工作。

4 ?結語

對于水利實體工程的安全運行而言，大壩安全監測是至關重要的，本文基于“智能化”理念，通過運用人工智能、云計算、“互聯網+”等技術，加之行業規范和專家經驗，構建設計了智能化的大壩安全在線監控系統框架，切實依托數字化手段強化工作人員在大壩安全過程中如巡視檢查、防汛管理、綜合整編等各業務工作的管理水平，為大壩安全管理工作人員提供新的工作思路。

參考文獻：

[1]趙新華，李慧瀅，何宇，查益華，范振東，傅春江.新安江水電站大壩安全監測系統探討和監測效果分析[J].水利科學與寒區工程，2021，4（06）：61-63.

[2]張曉松，馮永祥，李小偉.雅礱江流域大壩安全信息化建設與應用[J].四川水力發電，2014，33（02）：158-161.