多流域中小型電站壩群安全智能監測與集控管理模式研究

張 利，辛俊龍，朱斯楊，李詩婉

(1.中電建電力檢修工程有限公司，四川 樂山 614000；2.四川省遂寧市水利局，四川 遂寧 629000；3.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 水利水電學院，四川 成都 610065)

大壩安全運行事關國家水安全、能源安全與經濟社會綠色發展，備受黨和政府重視，全面提升大壩安全管理的科學化水平和安全保障能力，是我國大壩安全管理面臨的主要挑戰，也是未來發展的必然趨勢[1-2]。大型水電樞紐工程施工質量高，安全監測設備齊備先進、自動化程度高，工程安全管控能力強，安全風險低[3-5]；中小型電站受資金、技術等限制，普遍存在工程安全監測項目不完整、自動化程度低，運行安全感知不足等問題，安全風險相對較高，如1954年以來已潰壩總數中中小型水庫大壩占比約96.4%[6-9]。隨著云計算、物聯網、大數據、移動互聯和人工智能等新一代信息技術的快速發展與應用，各種自動化、智能化高新監測手段逐漸成熟，為解決中小型水庫的安全監測難題提供了新的思路[10-15]。

本文依托某集團有限公司(以下簡稱“某公司”)所轄的水電站群，系統梳理當前中小型水電站壩群安全監測建設與運行管理存在的主要問題，針對其安全監測特點和需求，創新安全監測運行管理模式，融合接觸式和非接觸監測技術，提出一種庫壩現地監測與區域集控管控相結合的智能監測與集控管理方案，解決其運行安全感知不足、智能化程度低等難題，實現跨域水電站壩群遠程集控管理，確保大壩長期安全、高效運行。

1 工程概況

某公司以水電資源投資開發和電力運營為主營業務，長期致力于清潔能源的投資、開發和經營。目前公司所轄已投運的水電站以中小型水電站為主，涉及黑水河、大渡河、松林河等多流域，包括10～20m高閘壩3座、20～30m高閘壩8座、30m以上高閘壩4座，跨四川、新疆等多省市，這些工程賦存地形地質與運行環境復雜、點多面廣、時空跨度大、交通條件不理想，大壩運行安全管理復雜程度高，更具挑戰性。目前，公司工程建設部、安全與生產物資部、項目公司、電力檢修工程有限公司共同負責水庫大壩管理相關工作，各項目公司主要負責發電運行與維護、水工建筑物檢修維護等工作；電力檢修工程有限公司負責安全監測工作實施、機電設備檢修改造等工作。

2 安全監測現狀及主要問題分析

結合公司所轄大壩安全監測工作的現場探勘與調研，深入分析了各電站安全監測運行和大壩安全管理現狀，梳理其存在的問題如下。

(1)安全監測設施較齊備，安全監測工作基本規范，但自動化程度較低。各電站主要設置環境量、變形、滲流、應力應變、溫度等監測項目，滿足《混凝土壩安全監測技術規范》《土石壩安全監測技術規范》的相關要求，監測設施完備率均超過90%，監測儀器完好率在65%～99%之間，普遍高于同類電站及中小型水庫壩群。但目前僅AG電站實現自動化，部分電站設備改造時考慮了自動化監測，但受資金限制未實現一步到位，仍采用人工讀數，未充分發揮作用。

(2)庫岸邊坡監測方法和監測精度有待提升。邊坡設計布設的監測點基本能反映其安全性態，但目前多數邊坡監測的設備完好率較低，且受高程較高且道路條件較差、樹木遮擋通視性較差、監測設備易受人為破壞等因素影響，實施監測的難度大、效率低、安全風險較大，監測精度不能滿足要求，無法掌控其安全性態，應對監測方法進行改進。

(3)安全監測數據尚未實現集控管理，信息孤島現象仍然存在。大壩安全精細化管理必須依據信息全面、要素齊全的安全監測數據信息。目前檢修公司僅存儲其負責實施監測項目的所有數據信息，但部分電站的廠房系統監測仍由分公司完成，安全監測數據存在分散管理的現象，尚未實現集控管理。目前僅部分分公司初步建立了內部的數據管理平臺，尚未建立公司層面的數據管理平臺，缺乏公司層面的數據信息共享和遠程集控，仍存在數據信息孤島現象。

(4)監測資料分析的專業化和智能化程度有待提升。檢修公司目前的專業技術人員較少，現場監測和報告編制工作量大，監測資料分析的實時性和專業化程度低，無法充分發揮工程安全監測的作用，不利于實時掌控工程安全性態，及時發現存在的隱患、缺陷和問題，查明原因并提出相應的補救措施和整改建議，防患于未然，保證工程安全。

(5)大壩安全管理模式有待優化。目前公司所轄已投運的水電站主要分布在黑水河、大渡河、松林河等流域，跨四川、新疆等省市，大壩安全管理涉及范圍廣、內容龐雜、技術要求高。目前公司大壩安全管理主要由工程建設部、安全與物資部和各分公司工程建設部負責，檢修公司負責安全監測實施和監測資料分析工作，尚未建立公司層級的大壩安全管理中心，大壩安全管理的扁平度不夠，層級設置及責任機制有待優化，信息反饋和決策效率有待提升。

3 多流域中小型壩群智能監測與集控管理模式

3.1 需求分析

結合大量實地探勘和調研成果，中小型電站壩群安全智能監測與集控管理必須考慮穩定性、實時性、共享性、建設及運行成本可控、簡單易學且使用便捷直觀、具有專業分析能力等需求。

(1)穩定性。為了保證能夠及時、準確地傳輸監測數據，智能監測或自動化監測系統運行狀態的高穩定性是必須考慮的問題之一，應具備斷點續傳和數據自動修復功能、系統自檢和修正功能、系統意外中斷后數據防丟失等功能。

(2)實時性。監測數據實時性不僅是安全監測的必要要求，也是安全應急響應的重要前提。對以自動化監測為主的電站，應自動獲取全天候的安全監測數據，并借助信息化管理平臺實現數據實時共享；對以人工觀測為主的電站，則應借助信息化手段優化數據采集上傳途徑，通過基于互聯網的移動式數據終端實現數據即采即傳。

(3)共享性。數據共享是傳統安全監測向智能化轉變的手段之一。實現數據共享最有效的方法是建設電站或流域層級的信息化管理平臺，實現監測數據的遠程集控管理。

(4)建設及運行成本可控。制約中小型電站壩群安全監測智能化和信息化建設的主要因素與能投入的經費有限有關。目前，高新技術和自動化監測系統的建設和運行維護成本相對較高，應結合流域集控模式以減少大部分中小型電站資金短缺的問題。

(5)簡單易學且使用便捷直觀。中小型電站壩群安全監測管理人員專業素養相對較弱是普遍存在的問題，智能化設備及其應用軟件應操作簡便、直觀易用，以便減少監測人員的學習成本，確保現場人員在短時間內能熟練使用。

(6)具有專業分析能力。中小型電站壩群多被動地按照規范要求進行觀測，監測數據的專業分析也常依賴5a一次的安全定期檢查，無法及時掌控壩群的安全隱患，需要實時掌控大壩安全運行性態，并主動地優化調整安全監測工作。

3.2 多流域壩群安全智能監測與集控管理模式

針對中小型電站壩群安全監測存在的主要問題和實際需求，綜合考慮公司所轄的投運大壩安全監測現狀和大壩安全管理模式，本文融合接觸式和非接觸智能監測技術，提出了一種庫壩現地監測與區域集控管控相結合，集實時監測-定期巡檢-應急響應于一體的多流域中小型電站壩群安全智能監測與集控管理模式，如圖1所示。該模式主要包括庫壩現地實時監測、區域集控巡檢和多流域壩群健康診斷平臺3個部分。

圖1 多流域中小型電站壩群安全智能監測與集控管理架構

3.2.1庫壩現地實時監測

庫壩現地實時監測主要依托自動化監測系統和接觸式智能監測設備實現安全監測智能感知，同時負責現場智能巡檢、標準化數據的采集上傳等工作。結合工程自身條件，考慮高效性、適用性、經濟性等因素，選擇自動化監測系統、北斗/GNSS監測系統、一體化外觀變形智能測站等組合方案，提升大壩安全智能感知能力。現場人工巡檢是大壩安全監測重要的環節，為提高人工巡檢的可靠性和實時性，可引入信息化手段實現智能巡檢，如圖2所示。現地監測負責數據信息采集和傳輸至區域壩群安全信息集控平臺，即采用移動式終端設備加上定制應用程序的方式按照一定規則和格式實時采集數據并上傳至管理平臺，存入數據庫統一管理，保證各類信息的標準化、規范化和實時性，如圖3所示。

圖2 智能巡檢流程

圖3 標準化數據采集流程

3.2.2區域集控巡檢

公司集控巡檢由檢修公司牽頭，包括定期安全巡檢和應急響應監測兩部分。檢修公司統一配置三維激光掃描儀、多波束探測儀、無人機、地質雷達等非接觸式智能監測設備，每年汛前和年底定期對大壩整體安全性態、水庫泥沙淤積情況、水下建筑物缺陷等情況進行全面監測，同時負責在特大暴雨洪水、地震等極端情況下的應急響應監測。

定期安全巡檢具體內容可包括利用三維激光掃描儀對大壩或邊坡進行整體建模，分析其變形特性；借助無人機和機器視覺缺陷識別技術對大壩表面進行缺陷監測；利用探地雷達對大壩內部裂縫、滲漏進行探測；運用多波束測深系統、側掃聲吶等水下聲吶技術和水下無人潛航器技術對水下泥沙淤積情況和建筑物缺陷進行探查等。

應急響應監測應對接氣象監測部門、地震監測部門、山洪防治、防汛抗洪等已有的洪水、地災、地震應急平臺，并實現信息共享，特大暴雨洪水、地震等極端工況預警信息適時觸發啟動，其主要監測內容包括重點監測部位和項目的現地加密監測，并利用無人機、衛星遙感等高新非接觸式監測手段進行大壩安全整體性態、風險源點狀態等探析，如圖4所示。

3.2.3多流域壩群健康診斷平臺

多流域壩群健康診斷平臺主要包括安全監測信息集控平臺和技術支撐平臺，如圖5所示。安全監測信息集控平臺包括數據庫、應用支撐平臺和業務應用等組成。數據庫主要包括基礎信息庫(流域信息、庫壩信息、儀器設備信息、測點信息等)、監測數據庫(環境量監測數據、庫壩安全監測數據、巡檢多媒體資料等)、綜合管理庫(監測任務、巡檢任務、評價信息、管理考核等)；業務應用主要應包括信息審核、信息分析、健康診斷信息發布等進階服務，具備信息管理、信息分析處理、工程健康診斷、安全預警響應、系統設置與管理、遠程會商系統等功能，可根據需求進行功能模塊定制，并借助技術支撐平臺，提高區域壩群安全管理的高效性和分析專業性。

圖5 多流域壩群健康診斷平臺架構

技術支撐平臺主要包括信息分析模型庫、知識庫等，提供有關異常數據識別、缺失數據修補、監測資料分析等工作的分析算法和模型，為資料分析的專業化、實時化和智能化提供技術支持。

4 結語

本文依托某公司所轄的水電站群，構建了包括庫壩現地實時監測、區域集控巡檢和區域壩群安全智能監測管控平臺的中小型水庫壩群智能監測與遠程集控方案，在中小型水電站壩群運行安全管理中具有良好的推廣應用價值。同時，本文設計的中小型水庫壩群智能安全監測方案對接觸式智能監測技術應用相對較少，后續可在本文的基礎上，借助無線傳感技術和物聯網技術改進接觸式監測技術，構建無線物聯網智能監測網，實現不同水庫壩群監測設備之間的數據共享和智能控制，提高智能監測系統的實時性和適用性。

圖4 應急響應監測流程