數字大壩在古田溪水電廠的應用研究

華電福新能源有限公司古田溪水力發電廠 鄭 煒

隨著數字大壩技術的日益成熟，能夠實現對水電廠大壩施工的質量實時監控和在線控制。數字大壩技術對水利水電科技進步提供了重要助力，體現出在線實時監測、反饋和控制的應用優勢。

為此，本文結合古田溪水電廠的實際建設需求，引入先進的數字大壩技術，構建古田溪水電廠數字大壩建設系統，形成動態精細化的可感知、可控制、可分析的智能大壩建設體系，對古田溪水電廠建設施工過程進行在線實時監測，加強對古田溪水電廠大壩施工進度和質量控制，實現古田溪水電廠數字大壩建設的智能化。

1 古田溪水電廠工程概況

古田溪一級大壩的控制流域面積為1325km2，水庫總庫容6.417億m3。電站正常蓄水位382.0m，汛期限制水位、設計洪水位和校核洪水位分別為381.0m、382.63m、384.0m，并有相應的最大下泄流量要求，其中設計洪水位的最大下泄流量為2530m3/s，校核洪水位的最大下泄流量為3190m3/s。該二等大型工程包括有攔河大壩、高頭嶺副壩，主壩全長分別為412m、110m；最大壩高分別為71m、18m；壩頂高程分別為384.5m、384.7m。工程平面布置圖如圖1所示。

圖1 古田溪一級大壩樞紐平面布置圖

當前古田溪水電廠一級大壩盡管建立了大壩安全監測自動化系統，然而尚未實現完全自動化智能化采集，局限于滲流、溫度及部分變形測點的自動化觀測和數據采集，對于壩頂水平位移和垂直位移尚需要人工進行定期觀測，并無法較好地適應水位、降雨、地震等外部環境的變化。在進行水電廠大壩建設施工的檢查方面，尚未實現智能化的巡檢方式，主要依賴于人工巡檢。在對大壩數據進行分析的過程中，還主要依賴于簡單的分析軟件和數據處理工具，尚無法實現對數據的智能化分析。另外，當前古田溪水電廠大壩運行狀態的空間可視化及應用自動化擴展較少，無法實時直觀地展示監測數據和分析結果。

為此，要將數字大壩引入到古田溪水電廠建設之中，以“數字華電建設”作為戰略引領，以新型信息化技術為依托，構建動態化、精細化、智能化大壩安全運行體系，突顯其可感知、可分析、可控制的應用優勢，實現對古田溪水電廠的智能巡檢、智能診斷、優化檢修、數字技術監督和數字大壩管理，提高古田溪大壩安全監測數據采集的整體可靠性，降低水工人員的工作量和工作強度，提高古田溪大壩安全運行管控水平，降低古田溪大壩安全運行風險[1]。

2 古田溪水電廠數字大壩建設系統應用分析

古田溪水電廠數字大壩建設系統要秉持科學合理、先進實用、安全高效、可擴展的原則進行設計和應用，通過系統總體設計和模塊化設計的方式，完成古田溪水電廠數據自動采集、數據診斷分析、運行狀態可視化和應用擴展設計。

2.1 系統總體設計與應用

古田溪數字大壩建設系統將上位機直接部署于統一數據平臺的虛擬機各節點，從現地采集系統獲取觀測數據，在線自動采集數字大壩數據，基于這一前提進行數據智能化安全分析，直觀可視地呈現數字大壩的運行狀態，并實現應用擴展自主化。系統總體框架主要涵蓋以下內容：數據感知層。主要獲悉數字大壩的應力應變、變形、滲流、氣象環境、水情信息、地震等數據；數據管理層。該層主要負責數據接口及數據編碼的服務，進行數據質量治理；數據應用層。該層主要實現數字大壩的監測決策、在線監控、安全分析、預警報警、統計評價、模型分析等；數據展示。該層可以直觀展示數字大壩的儀表、圖形、3D 圖像、報告報表等。

系統供電采用220V 及太陽能電池板多種供電方式，采用獨立供電系統分兩路進行統一供電。為了保證電源供電的穩定可靠性，在計算機中控室和觀測房各取電端安裝一臺UPS 或隔離穩壓保護裝置。同時，要做好系統的防雷接地，將自動化系統電源接地均接入古田溪水電站各測站可靠接地網，做好機房及建筑物的接地保護。

2.2 系統模塊化設計與應用

古田溪水電廠數字大壩建設系統采用集成化、模塊化的設計理念，結合系統的實際使用需求，主要設計和應用以下功能模塊：

2.2.1 圖像處理分析模塊

原有的圖像處理分析主要依賴于人工手動識別和分析，工作人員的勞動強度和勞動量繁重，對工作人員的專業水平提出更高的要求。在數字大壩系統設計和應用之中，利用先進的圖像識別技術進行圖像自動對比分析和信息提取，通過分析巡檢路線和部位采集的大量圖像信息，及時察覺工程項目存在缺陷，如裂縫、滲水、滑坡等，對其進行定量分析和定性分析，進而提高圖像分析的效率和質量。具體來說，該模塊的主要功能體現于以下方面：

圖像預處理。采用去噪、平滑、變換等方式，對數字大壩的采集圖像進行預處理，及時發現數字大壩建設中的異常缺陷；圖像對比分析。主要利用機器視覺和深度學習等人工智能技術進行圖像識別、處理和分析，根據不同模式的對象和目標進行針對性的處理，采用比對分析的策略進行數據自主學習、識別和判斷，提高圖像處理分析的精準度和智能化。

圖像深度學習。在機器視覺和深度學習等人工智能技術的依托下，可以對數字大壩建設相關圖像數據進行深度解讀、分析和處理，形成覆蓋古田溪水電廠數字大壩全部巡檢區域的全景數據圖像，直觀可視地呈現數字大壩巡檢所有區域的運行狀態，多維度、全視角地進行圖像數據的評估和應用。同時，還可以構建數字大壩圖像數據信息質量評估的基礎數據庫，結合數字大壩巡檢區域的實際特點和需求，設計和應用具有自主學習和迭代功能的模塊，推進系統的成熟和深度智能化應用[2]。

2.2.2 在線監控模塊

通過在線監控模塊實時在線監測古田溪水電廠建設狀況，充分考慮古田溪水電廠數字大壩結構和實際運行狀態，選擇適宜的監測項目和觀測點，確立合理可行的監控指標，對其進行細化和分解，使之與古田溪一級大壩的實際狀況相契合，從局部或整體的不同視角直觀呈現數字大壩的運行規律和特征，減少盲目監測或隨機監測的現象，規避不確定性因素對監測的干擾和影響，能夠更好地實施融合診斷。同時，考慮到混凝土重力壩的監測效應量涉及諸多參數，可以通過各個監測點的監測指標分析古田溪水電廠數字大壩的表面變形、壩基揚壓力、壩段間測點與外在環境之間的關系。

在利用在線監控模塊進行監測分析的過程中，可以結合數字大壩實際情況選擇以下方法：單測點的監控分析方法。引入置信區間法、典型小概率法和極限狀態法，建立單測點監控分析模型，及時高效地察覺各個監測點的變化規律、區間和趨勢，并提出各測點的相關參數值，如周期、最大值、特征值等；多測點多因素綜合評判方法。由于單個測點無法綜合反映數字大壩的實際狀況，為此要綜合考慮監測量的空間分布及內在機理，構建統計模型進行監測量的統計分析和對比分析，還可以構建混合模型進行監測量的相關性分析，運用確定性模型進行監測量的趨勢，通過多維多測點的監控模型和方法獲悉數字大壩的運行狀況，并進行定量分析和定性分析，得出相關分析結果。

圖2 古田溪水電廠一級大壩

2.3 系統可視化設計與應用

考慮到古田溪水電廠大壩結構尺寸較大，包括大壩本體、地基基礎、壩肩山體等，對此還要進行數字大壩建設系統的可視化設計和應用，在各種可視化技術的支持下，三維可視化地展示大壩不同部位的幾何、物理特性，對大壩監測數據進行三維立體可視化分析，多維度、全視角地挖掘和利用數字大壩監測數據，為數字大壩建設提供決策支持。

同時，系統還可視化地展示數字大壩的運行狀態，實時動態地展示數字大壩的安全監測信息、巡視檢查結果和安全分析成果，并生成不同的可視化處理圖[3]。另外，系統還進行應用擴展設計，基于統一數據平臺進行多功能模塊的配置，實現全方位、多粒度和權限管理和控制。并提供各功能組件的可視化定制，生成數字大壩安全監測的專業圖元庫，如大壩立面圖、大壩剖面圖等。

3 古田溪水電廠數字大壩建設施工管控策略

3.1 注重施工前期準備

古田溪水電廠數字大壩施工前期要組建數字大壩建設工程項目小組，內設項目經理、項目副經理、技術負責人、專家顧問、職能部門等，相關人員分工負責，做好大壩建設施工前的準備工作。同時，擬定數字大壩建設施工組織計劃和方案，做好人員及資源的投入準備，為后期施工管理奠定基礎。

3.2 加強施工質量控制

要嚴格按照質量控制及檢驗標準進行施工，建立健全施工質量管理制度和具體措施，包括質量“三檢制”、工序分工責任制、工程質量崗位責任制、質量終身制、質量獎懲制和質量一票否決制，使施工全程處于受控狀態。同時，要對關鍵工序和技術復雜部位采用旁站制，注重施工質量自檢、巡檢和監督，做好施工過程的質量檢測觀測等工作，確保觀測數據準確可靠和連續性。

3.3 加強施工進度管控

古田溪水電廠數字大壩施工預計時間為190天，采用橫道圖確定古田溪數字大壩進度計劃表，其中：自動化系統改造的計劃工期為85天、系統功能模塊開發的計劃工期為105天、數據診斷分析開發的計劃工期為75天、三維可視化開發的計劃工期為90天、應用擴展開發的計劃工期為85天、功能測試的計劃工期為15天、培訓計劃時間為10天[4]。

3.4 落實施工安全管理

要構建古田溪水電廠數字大壩安全管理體系，明確施工安全管理目標，成立合理可行的安全管理保證體系，完善施工安全管理制度，包括安全生產責任制度、群防群治制度、安全生產教育培訓制度、安全生產檢查制度、事故處理報告制度、安全責任追究制度等。并要做好項目施工的安全生產應急預案，注重施工期間的環境安全保護，包括固體廢棄物的處理、防火防爆處理和防機械傷害等。另外，還要對數字大壩系統進行考核和驗收，重點檢測系統的數據采集、數據處理、數據監測及報警等功能，使之滿足穩定可靠性的使用需求，并做好系統試運行期的安全維護和管理工作，確保系統安全與穩定。

4 結語

數字大壩在電站建設中日益推廣和普及，本文結合古田溪水電廠的實際建設需求，探討數字大壩在古田溪水電廠建設中的具體應用，利用直觀可視的信息化技術搭建古田溪水電廠數字大壩系統，實現對大壩建設施工的實時在線監控和反饋，較好地加強古田溪水電廠數字大壩建設施工質量和效率，保證數字大壩施工的進度和安全。