大渡河流域梯級電站大壩安全智慧管理實踐

黃 會 寶, 江 德 軍， 沈 定 斌， 柯 虎

(國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

1 前 言

梯級水電站群是國民經濟和社會發展必不可少的物質基礎，其建設與運行安全為各級人員長期關注。每一座大壩從建成之日起，其工程性態均隨時間和環境動態變化，如何實時掌控其安全性態，智能識別其安全風險以提高洪水、地震等特殊工況下的應急處置能力，實現流域梯級電站安全風險智能管控，是國家、行業及企業大壩安全管理的迫切需求與發展趨勢[1-2]。

大渡河作為國家十三大水電基地之一，地處青藏高原和四川盆地之間的過渡帶，有多個地震斷裂帶縱橫交錯，且處于四川汶川、蘆山地震震中區，區域地震烈度高，氣象水文因素多變，洪水峰高量大，地質災害頻發。同時，大渡河流域梯級電站群安全管控還面臨壩高、庫多、壩型多樣(混凝土重力壩、混凝土雙曲拱壩、心墻堆石壩、面板堆石壩等)等難題，其中在建312 m高的雙江口心墻壩高居世界第一，已投運的210 m高的大崗山拱壩為世界同類型抗震設防標準最高(地震加速度0.557 g)，運行時間跨越半個世紀的龔嘴老壩是現役大壩中的高齡壩。壩型的多樣加之多源信息感知能力低，對安全運行管理帶來新的挑戰。如何實時智能識別流域梯級大壩與邊坡安全風險以提高洪水、地震等特殊工況下的應急處置能力，實現流域梯級電站間聯動應急響應與智能風險管控是大渡河公司面臨的巨大挑戰。

近年來，以物聯網、大數據和人工智能為代表的先進生產力衍生出“互聯網+”的變革模式[3]，并深刻影響社會行業的發展態勢，“智慧城市”、“智慧大壩”等概念相繼推出[4-5]。在此背景下，大渡河公司于2014年探索并提出了建設具有智能應對風險和持續優化管控能力的智慧企業解決方案，實現企業風險識別自動化、決策管理智能化、糾偏升級自主化的柔性組織形態和新型管理模式。在智慧企業建設框架下，大渡河公司庫壩管理中心在大壩安全風險監控方面開展了安全風險智能感知、安全風險實時評判與預警響應、流域梯級電站信息化、流域梯級風險聯防聯控等多項課題研究，強化智能管控體系的“感知、傳輸、分析”技術能力建設，相繼攻克了高置信度外部變形實時智能獲取、水工建筑物水下缺陷精確量化、高危邊坡三維數字化動態分析等難題，提出了梯級電站群安全風險分層遞進式預警及地震等特殊工況聯動響應機制與管控技術體系，研發了以多源信息交互融合、風險自主預判、預警響應調控為典型特征的流域梯級庫壩群安全風險智能管控體系及管控平臺，大幅提升了大渡河震后地質災害易發多發條件下的流域庫壩群安全智能感知、預警和管控能力，推動了傳統庫壩管理向以自動預判、自主決策、自我演進為典型特征的流域梯級庫壩安全風險智能管控轉變。

2 大渡河流域大壩安全智慧管理

2.1 構建智能管控架構體系及管控平臺

以大渡河公司智慧企業建設為基礎，依托大渡河公司云計算及大數據技術，利用信息化、數字化、智能化技術和手段，構建流域梯級庫壩群安全風險智能管控架構體系及管控平臺。進一步豐富大數據來源，以點線面、表觀與微觀、遠程與現場、水陸空相結合的方式，實時感知大壩安全風險。通過業務量化、統一平臺、集中集成、智能協同等途徑，采用大數據挖掘、結構安全分析、智能風險評估、風險決策與風險調控等方法，實現監測信息智能感知、多源信息交互融合、安全風險實時評判與調控、安全風險預警與響應決策等功能，提高了安全風險管控的科學性、可靠性和及時性。

2.2 實施途徑及方法

2.2.1 多維監測打造數據“大感知”網絡

建立以INSAR、GIS、衛星遙感及無人機搭載多類型傳感器等為基礎的覆蓋全流域的災害普查監控體系，及時發現地質災害隱患點，從大面積、大尺度范圍內對流域影響工程安全的災害進行全面監控。對于災害普查發現的重點關注部位以及樞紐區大壩等建筑物，通過地表三維智能監測技術、GNSS、PLC+傳感器智能測量、視頻監控、微芯樁、微震、三維激光掃描、傾斜攝影等手段進行重點管控，形成從宏觀到局部、從大尺度到精細化多維度、多尺度安全監測模式。在時間上，既有瞬間變化監測，又有長時間序列趨勢變化監測；在空間上，既有全流域災害監測系統，又有不同區域甚至微觀的局部監測系統；維度上，既有單一地球物理屬性的災害監測，又有多種指標體系的災害監測，從而更加有利于掌握影響大壩安全的災害以及大區域地質環境演變過程及災害發生的規律。針對樞紐區大壩等重點建筑物，研發了地表三維位移智能監測技術、PLC+的智能測控單元以及適應大變形的真空激光測量技術等，將點面體、表觀與微觀、遠程與現場、水陸空相結合，構建了“空天地、水上水下、內外”一體化大壩及庫岸邊坡多時空分辨的立體化動態監測體系(圖1)。同時，構建以無人機搭載傾斜相機、三維激光掃描等為核心的災后應急技術支援。

圖1 “空天地、水上水下、內外”一體化網絡體系

2.2.2 多網聯動提升信息“大傳輸”能力

全面構建了由局域網、廣域網、衛星網、移動網組成的四大數據傳輸通道，確保前端采集的數據資源與后臺反饋的信息指令及時傳輸交換。建立了萬兆骨干、千兆到桌面的局域網，有力支撐了安全管理中大量數據、圖像、視頻等信息的傳輸，為設備在線監測、技術故障診斷以及專家遠程會診提供了技術保障。建立了與8M運營商專線、2.5G電力光纖專網相連接的廣域網，確保各電站數據與大渡河公司大數據后臺實時對接。同時，針對網絡安全管控導致的庫壩安全信息孤島化而無法集中管控的核心問題，在嚴格落實網絡安全管理要求基礎上，探索引進并創新應用LoRa無線通訊傳輸技術、4G COMWAY 網絡傳輸技術、CDMA物聯網傳輸技術、固定外網IP傳輸技術以及加裝網閘防護等多網互聯技術，解決了流域電站大壩及邊坡安全監測、流域水庫大壩地震監測以及微信和短信平臺信息發布等一系列庫壩安全信息集中管控問題，打通了流域各站庫壩安全監測各自動化監測子系統，實現了大渡河流域庫壩安全信息集成集中管理。

2.2.3 智慧運用提升數據“大分析”水平

依托大數據感知、傳輸、存儲與計算平臺，開發建立了大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，依托該平臺實現了多源數據的集成集中、異常數據的智能識別、安全風險的實時評判與預警、安全風險響應決策等。

2.2.3.1 業務集成集中管控

開發建立大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，系統以大壩安全監測信息為主體，集成了大壩注冊(換證)、定期檢查、壩工維修加固、信息報送、水工技術監督、水雨情信息、機組和泄洪孔洞閘門運行情況、應急處置等庫壩安全綜合信息，以現場主要監測項目自動化為基礎，實現大壩安全監測(水工水文監測、滑坡體等地質災害監測、地震監測、環境量監測等)的遠程自動采集、監測信息的及時處理與實時分析評判、大壩安全風險的實時掌控與決策處置，主要實現數據集中、功能集成、管理高效及隱患辨析和事件智能響應及輔助決策等功能，提高梯級電站大壩安全風險管控水平。

2.2.3.2 數據異常在線智能識別診斷

依托大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，構建了隨數據序列的新陳代謝適時自動更新、自動修正、自動適應的異常數據在線識別模型簇，自動匹配數據類型與識別模型，在保證計算效率的基礎上，把誤判率和漏判率降低到2%以內。提出不同異變誘因在線分類辨識方法，集在線復測反饋、時空特性辨識、環境響應形變分離于一體，實現了結構異變、監測儀器故障、環境變化響應等不同異變誘因的智能分類辨識，以及遠程智能復測消減偶然誤差誘發的異常突變；構建斷面、壩段、整體等多維度高精度時空模型，考慮空間同步性和區域一致性辨識監測設施故障誘發的突變；建立環境量與效應量響應的藕聯關系，自動識別環境量突變及滯后影響，分離環境量變化響應值，辨識環境量變化誘發的突變。

2.2.3.3 監測數據-結構故障耦聯機制與風險動態評估

提出了大壩安全監測數據-結構故障動態耦聯機制，構建了“主、次、驗”三層次的大壩安全實時監控關鍵指標體系，并考慮監測儀器對結構故障的反映度和模糊度，以及工程差異性、風險動態變化規律等，建立了變形、滲流、應力3大類15項準則和預警標準，實現了以故障鏈為推理途徑的大壩安全實時評判和分類分層預警。構建了信息驅動參數辨識的大壩安全風險動態評估模型。提出了基于異常狀態持續時間的大壩安全風險評估原理，以及融合主客觀信息進行風險模型參數動態辨識的理論方法，基于大壩故障出現時間的指數概率分布，以及主客觀信息驅動的參數動態辨識更新，構建了信息驅動參數辨識的大壩安全風險動態評估模型，實現了大壩故障的時變概率估計和基于概率的大壩故障出現時間預測。

2.2.3.4 安全風險實時評判與預警

包括安全風險實時評判和綜合評估。安全風險實時評判采用新源信息自動觸發，側重管控關鍵部位安全性態、監測數據時序和空間變化趨勢，實時掌控結構異變，及時核實和處理安全隱患，避免結構的進一步惡化，包括監測儀器運行管控、監測時序變化趨勢管控、監測空間變化趨勢管控和關鍵部位實時安全管控四大功能。關鍵部位安全性態推理結合工程特性，綜合安全監測資料、設計、研究成果、相關規程規范、力學準則及類似工程經驗建立關鍵部位的結構安全模型，并集成實測數據分析其實時安全；數據時序變化趨勢推理采用數學模型分離各環境變量，提取時效趨勢，并進行趨勢評判；空間變化趨勢則根據空間部位提取變化特征，并判斷空間分布特性是否存在異常變動。定期綜合評價大壩結構性態和安全狀況，實現安全風險超前預警。包括自我推理、人工決策、安全演進三大核心智能系統和數據向量、方法、知識、解釋四個支撐庫。模塊觸發條件包括環境量大幅變化(如超標洪水、破壞性地震)、設定監控時間、人工啟動三類，模型觸發后，三大智能推理系統驅動四個支撐庫，運用方法庫中的5類方法逐層計算指標隸屬度，采用基于信息熵的動態安全評價方法綜合評價大壩安全性態，給出大壩安全綜合評定建議等級，并分析原因，為決策和應急方案制定提供技術支持。

3 結 語

在當前國家加快布局新一代人工智能發展的新形勢下，智能化的安全風險管控是當前大壩安全風險管控的發展趨勢[6-7]。近年來，大渡河公司圍繞大渡河流域庫壩安全管控及地質災害防治的重大需求，瞄準大壩安全風險風險識別、異常辨識、監測預警三大關鍵問題和難點，基于“大感知、大傳輸、大存儲、大計算、大分析”的智慧化運行管控理念，構建了“空天地”、水上水下、內外結合的庫壩安全長時間動態立體觀測體系，研制了系列新型智能化監測設備和終端，提升了多源數據在時間、空間、精度上的協同處理能力和隱患技術識別能力。提出了三段進階式形變異常在線識別與預警、多目標智能驅動測控及風險管控技術，研發了大壩及邊坡安全風險智能管控平臺，突破了大壩安全智能管控的難題。