航電樞紐大壩智慧監測初探

閆小平

（四川江源工程咨詢有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

大壩安全監測是大壩運行管理的耳目，是監測大壩運行性態、提前預判大壩安全風險的基本手段。由于大壩安全監測測點數量多、種類繁雜，目前仍采用人工測讀的方式進行數據采集，難以保證數據的可靠、實時和一致性，達不到安全實時監控的目的。在物聯網、云計算、大數據等現代信息技術手段蓬勃發展的背景下，水電站大壩安全管理，正在從傳統模式向數字化、智慧化過渡。大壩安全智慧監測，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]。本文結合岷江犍為航電樞紐大壩安全智慧監測規劃，初探其主要功能和應用價值。

1 航電樞紐大壩安全監測概述

大壩安全監測是通過儀器觀測和巡視檢查對水利水電工程主體結構、地基基礎、兩岸邊坡、相關設施以及周圍環境所作的測量及觀察。“監測”既包括對建筑物固定測點按一定頻次進行的儀器觀測，也包括對建筑物外表及內部大范圍對象的定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。不同類型、規模的大壩，根據安全監測重要程度，有著各自適用的監測內容。以犍為航電樞紐大壩為例，工程監測范圍主要包括重力壩、魚道、發電廠房、儲門槽壩段、泄水閘、船閘等。主要的監測內容如下：

（1）巡視檢查：壩體、壩基、壩肩及近壩庫岸。

（2）變形監測：包括壩體位移，壩基位移、船閘位移監測。

（3）滲流監測：包括揚壓力或壩基滲透壓力、滲漏量、繞壩滲流、船閘翼墻后的繞流、閘底板滲流和混凝土結構內部的滲流等監測。

（4）應力應變及溫度：壩體應力、應變、混凝土溫度、壩基溫度等監測；船閘墻后土壓力、混凝土應力和鋼筋應力等監測；船閘地基和回填土（包括墻后回填土）深層應力監測。

（5）應力監測：閘室墻和底板、閘首邊墩和底板等大體積混凝土結構的應力應變監測。

（6）環境量：上、下游水位，氣溫，降水量等環境量監測。

（7）其他監測：強震監測及自動化監測。

2 航電監測現狀及智慧航電建設優勢

2.1 監測自動化程度不足，實時監控難度大

大壩安全監測測點數量多、種類繁雜，目前絕大多數電站仍采用人工測讀的方式進行監測數據的采集，使得監測精度和頻次很受限制，難以保證數據的可靠、實時和一致性。不但后期運行管理工作量極大，達不到安全實時監控的目的，同時也不能達到大壩安全管理相關法律法規的要求。

2.2 數據分析依靠人工經驗，質量難以保證

目前，各工程監測數據分析主要依靠人工的參與，導致一線業務人員工作量大，且分析評價質量嚴重依賴個人經驗，智能化程度較弱，誤判率較高。為保證數據處理分析的質量，有必要利用大數據、機器學習等技術手段，實現自動識別錯誤數據、智能提醒并智能提供修改方案。

2.3 運行管控多、業務協同困難

雖然目前各工程己建成了各類系統，但系統間無法有效協同、聯動和反饋，無法有效整合、共享數據資源，導致了極大的浪費和重復建設，又導致了各業務應用系統數據不全面的問題，無法達到綜合分析的目的。例如當發生超限洪峰過境、高烈度地震等緊急事件，無法觸發大壩安全監測系統加密觀測。現行狀態均依賴于一線業務人員人為通知、協作，極大影響了應急響應的實時性，無法發揮多專業協同聯動的優勢。

2.4 安全管控成本高、效率低

目前，多數電站工程安全業務管控整個流程均由人工完成，人工采集和處理數據、人工輸出報表，全流程無法自行流轉聯動，需要人工參與，增加人工管理成本且效率不足。有必要研究一套自動化流程，每日可定時采集數據，并自動觸發數據整理、數據分析功能，同時依據管理制度，自動生成周報、月報和年報，并自動上報相關數據，以提升管理效率。

3 航電樞紐大壩智慧監測建設目標和原則

3.1 總體建設目標

基于航電工程已建立的安全監測體系，進行內、外觀測自動化改造，智能匯集大壩安全監控各項數據，抽取、清洗、管理及應用各類安全運行數據，結合航電工程航運調度、安全監測、巡視檢查、運行維護等業務及管理要求，打造航電工程安全智能監控系統，最終實現工程安全監控數據匯集智能化、業務綜合管理高效化、管控預警智慧化，打造建設航電工程安全智能監控的示范、標桿工程。

3.2 建設原則

3.2.1 問題導向原則

系統建設以滿足智能化管控工作和相關業務的實際需求為導向，以解決安全智能監控要求為依據，以切實解決工程運行的業務痛點為檢驗標準，旨在提升工程安全監控的自動化、智能化水平。

3.2.2 統籌規劃原則

安全智能監控系統的建設需統籌規劃，整合己有硬件設施、業務系統和信息資源，本著互聯互通、信息共享的原則，統籌全局，保證系統建設“一盤棋”，使有限的資源發揮最大價值，避免重復建設和數據孤島。

3.2.3 安全可靠原則

大壩監測數據涉及大壩安全，系統的設計應滿足國家及行業對信息安全的要求，確保系統運行安全。既考慮信息資源的充分共享，也考慮對信息的保護；對系統各個層次訪問進行控制，設置嚴格的操作權限。同時使用可靠的技術體系，建立完善的項目建設管理體系，保證系統建設可靠、穩定。

3.2.4 適當超前原則

安全智能監控系統建設應采用成熟技術且要保持適度領先，避免建成即被淘汰的局面，并正確處理發展與安全的關系，綜合平衡成本和效益。

4 智慧監測系統建設

4.1 業務架構

安全智能監控系統總體架構分為數據采集、數據匯集與分析、應用服務三個層次，最終達到數據的自動或智能化采集、基于大數據平臺的統一管理、基于多模型和方法的分析評估、基于可視化技術的成果展現與交互，為安全與運維管理提供決策支持。安全智能監控系統業務流程見圖1。

圖1 業務流程框架

4.2 系統架構

安全智能監控系統分為基礎設施層（數據采集）、數據層、應用支撐層和應用層。以犍為航電樞紐大壩為例的系統架構見圖2。

圖2 系統架構

4.3 智慧監測管理平臺建設

4.3.1 Web 管理網站

（1）功能一：首頁綜合展示。主要包括大壩主要業務信息展示，如在線監測、安全監控、巡視檢查和隱患管理等。

（2）功能二：在線監測。主要包括數據錄入、數據計算、數據審核、數據查詢、數據統計、離線分析、基本設置等功能。

（3）功能三：在線監控。主要包括設置監控方案，根據監控方案實時融合分析，實時評判大壩安全，并對評判結果進行相應的可視化展示。

（4）功能四：巡檢管理。主要功能包括：建立數字化巡檢方案、制定巡檢計劃和任務、通過手機APP 開展引導式檢查、巡檢報告自動生成、巡檢結果審核與發布、缺陷查詢與跟蹤。

（5）功能五：缺陷管理。主要功能包括：缺陷填報和缺陷處理流程追蹤。

（6）功能六：資料整編。根據資料整編規范中規定的格式，以及用戶自定義格式的各類數據報表、分布圖等圖表的生成、組合、輸出、打印等功能，以完成規范規定的定期的監測資料整編工作。

（7）功能七：信息共享。發布信息、查詢信息與收藏信息功能。

（8）功能八：系統管理。通過軟件進行用戶管理、數據庫和文件備份、軟件升級、重啟系統、服務管理等功能，以保證系統正常運行和系統安全。

4.3.2 手機APP 軟件

設計手機APP 軟件，現場巡檢人員可通過巡視檢查APP 實現數字化巡檢。

（1）巡檢任務接收與創建。支持接收Web 建立的巡檢任務，支持在巡檢APP 中隨時創建檢查任務功能。

（2）數字巡檢。按照巡視檢查方案的檢查內容和要求，利用NFC 技術，通過手機APP 引導式開展現場檢查，可記錄檢查文字、圖片、視頻。

（3）信息查詢。可查看所有檢查任務及記錄、缺陷詳情。

（4）巡檢工作統計。自動統計巡檢步數和時長，以量化巡檢工作量。

（5）數據上傳。支持巡檢數據在有網環境下自動同步到后臺的功能；如無網絡覆蓋，可采用離線巡檢，聯網后通過手動同步數據到后臺。

4.3.3 自動化數據集成軟件

實現對本電站安全監測自動化系統、水情測報系統等已有系統的數據自動快速接入功能，同時亦可對數據的導入進行人工干預。

4.3.4 信息報送軟件

實現電站大壩安全監測信息、汛情信息、巡檢信息向國家大壩安全監測主管部門自動報送的功能。

4.3.5 其他功能

Web 網站應使用Java 語言，并采用微服務架構進行開發。網站應具備文檔預覽功能，支持大體積文件分步加載、快速瀏覽。應具備任務提醒、消息通知等功能。系統應建立細致完備的日志系統，對用戶在系統中進行的所有動作進行記錄，用戶日志應可進行快速查詢。

手機APP 應支持主流智能手機。APP 應可適應于無網應用環境，支持在無網環境下的正常使用，并在切換至有網環境時自動上傳相關存儲記錄。

5 結束語

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，是大壩安全管控的發展趨勢[2-3]。國內巨型電站，如三峽、白鶴灘、烏東德、小灣、糯扎渡等均已開始建設智慧電站，通過智慧監測系統的建設，能夠充分保障大壩的運行安全，提高監測工作效率和可靠性，從而實現大壩安全監測管理的自動化、數字化、智能化和高效化。大壩安全智慧監測，應從流域角度整體謀劃，既要實現流域內更大的降本增效的目的，滿足大壩安全工作的需要，也要滿足內部監督管理的需要。隨著物聯網、數據挖掘、人工智能、大數據、計算機視覺及云計算等先進科學技術的日益成熟,并在大壩建設中廣泛應用，我國全面實現大壩智慧建設已成必然趨勢[4]。