百色水利樞紐安全監測工作發展方向研究

王 偉 馬建新 周少良

(廣西右江水利開發有限責任公司，廣西 南寧 533000)

百色水利樞紐建成投運至今已逾15年，為流域、區域經濟社會發展做出了巨大貢獻，但工程安全監測和智慧管理技術應用卻相對滯后，不能滿足新階段水利高質量發展的要求。加快推進工程安全監測工作信息化、智能化建設，既是信息社會對水利工程管理提出的客觀要求，也是新階段水利發展的重大任務。作為流域重要控制性水利工程，百色水利樞紐安全監測工作需要進行全面技術升級，本文從該工程實際出發，認真剖析現階段安全監測工作存在的問題，結合云計算、大數據等現代化信息技術手段，研究探討百色水利樞紐工程安全監測工作的發展方向。

1 工程概況

百色水利樞紐位于珠江水系郁江流域右江干流，壩址距離廣西百色市約22km，是集防洪、水資源配置、水力發電等綜合效益于一體的大型水利樞紐工程。工程總庫容56.6億m3，防洪庫容16.4億m3，正常蓄水位228m，汛限水位214m，水庫死水位203m(水庫初期運行死水位195m)，電站裝機容量540MW，多年平均年發電量16.9億kW·h。樞紐工程由主壩、地下廠房、副壩和通航建筑物四部分組成。主壩為全斷面碾壓混凝土(RCC)重力壩，壩頂高程234m，壩頂總長720m，最大壩高130m。地下發電廠房布置在左岸，由主機洞、交通洞、通風疏散洞等建筑物組成。副壩包括銀屯、香屯兩座副壩，均為均質土壩，壩頂高程為235m，壩頂寬8m，其中銀屯最大壩高39m，壩頂長375m；香屯副壩最大壩高26m，壩頂長96m。通航建筑物一期工程已完成了受庫區蓄水水位影響的上游引航道部分。工程于2001年10月開工建設，2005年8月下閘蓄水，2006年12月4臺機組全部投產發電，2016年12月通過工程整體竣工驗收。

2 安全監測簡況

根據《混凝土壩安全監測技術規范》(SL 601—2013)、《土石壩安全監測技術規范》(SL 551—2012)等要求，百色水利樞紐安全監測工作以工程安全監測數據為依據，結合工程結構特點及地質條件，準確分析工程的運行狀況，給出調度運行的合理化建議，在確保工程安全的前提下，盡可能地發揮工程的綜合效益。工程投運以來，一直按照規定開展巡查、觀測、整編、分析等工作，有效保障了樞紐工程的安全穩定運行。

百色水利樞紐安全監測系統包括RCC主壩、引水發電、副壩及引航道監測系統。監測項目包含變形、應力應變、溫度、滲流、水位、環境量等。監測系統隨主體工程同步施工，監測儀器于2002年11月開始埋設，2008年5月31日完成完工移交現場，共計埋設各類傳感器2202支，接入自動化系統1885支。經過近15年的不間斷運行，安全監測系統出現傳感器老化失效、自動化系統軟件功能落后、穩定性及可靠性降低，網絡安全防護不到位等情況，副壩監測項目未實現自動化，難以滿足百色水利樞紐工程實際監測需求。2018年起，按照百色水利樞紐實際情況，參照國家有關規程規范，以全面提升監測自動化水平為主旨，根據大壩運行情況、安全監測設施的完好情況和存在的問題，本文對現有設施設備進行合理有效的整合，對百色水利安全監測系統進行了升級改造，以充分利用和發揮原有監測儀器設施的功能及作用，重點保證及提升變形與滲流滲壓監測儀器設施完好率。系統已于2021年改造完成并投入使用，改造后的安全監測信息管理系統采用全B/S模式運行，可跨平臺使用，并且提供手機APP客戶端。

3 存在問題剖析

3.1 信息資源匱乏

目前百色水利樞紐安全監測系統僅接入了水工建筑物的傳感器監測信息，但要全面分析并保障百色水利樞紐安全運行，卻需要掌握工程地質條件、工程建筑質量、設計基礎資料、運行調度情況、安全管理規定以及水雨情等多元信息。上述各類信息采集的時空間隔、數據類型、數據精度與信息表達方式具有多樣性特點，并且各信息系統分屬不同的職能部門或行業，各系統間相對獨立，信息的標準化、統一化程度非常低，信息種類不全。

3.2 信息共享困難

由于各類數據交互渠道缺失，數據共享機制不健全，導致原本就有限的信息資源共享更加困難。百色水利樞紐工程建設了水雨情遙測、閘門在線監測、水調決策輔助等多個應用系統，獲取了大量的寶貴數據信息，但由于各應用系統服務目標單一，各自的專用數據庫和軟件技術水平、開放程度各異，導致出現條塊分割的特征，形成了以專業為邊界的信息孤島。由于已建成的各應用系統數據庫與具體業務緊密綁定，數據庫規范性較差，基本自成體系，未嚴格按照現行的水利數據庫表結構執行，在共享環境中數據庫內的信息很難理解，客觀上形成了難以逾越的數字鴻溝。各系統基本是委托開發，在開發建設之初未考慮數據共享需求，后續很難進行數據共享的二次開發，人為產生了信息壁壘。從客觀上講，目前百色水利樞紐網絡基礎設施薄弱，從各水工建筑物現場至數據中心的通信網絡保障率低，數據中心的網絡安全防護等級低，難以有效支撐信息資源共享需求，導致信息交流不暢、效率不高、安全缺乏保障，阻礙了信息共享。

3.3 現代信息技術應用不足

目前BIM、云計算、大數據、AI、VR等技術蓬勃發展，但在百色水利樞紐工程中的應用卻很少，不僅表現在應用的范圍和水平上，還表現在對各類現代信息技術的認知上。當前階段，在電力、交通、航運等行業，智能感知、模式識別、機器學習等信息技術已經全面應用，遙感、衛星導航定位、合成孔徑雷達、BIM等多種先進技術手段也不斷升級，但水利工程監測仍然停留在傳統水利層面，對新技術、新手段的應用捉襟見肘。數字孿生工程建設推進緩慢，由此導致安全監測工作向智慧水利階段轉變的思路及方向仍不清晰。

4 發展方向研究

按照水利十四五規劃要求，2025年基本實現水利工程數字孿生建設，百色水利樞紐安全監測工作迎來了難得的發展機遇。但安全監測的未來絕不是簡單的將工程對象數字化、信息化，它應該是在實現監測工作數字化、信息化的基礎上，高度融合信息技術，形成以深度感知、廣泛共享、全面整合為特征且具備自動預判、自主決策、自我演進、智慧管理能力的監測工作模式。

4.1 深度感知

百色水利樞紐需要建設全方位、全對象、全指標的監測感知體系，為工程運行管理提供多種類、精細化的數據支撐。既需要不斷升級完善傳統監測手段，又需要衛星遙感、GNSS、視頻監控等新技術；既采集工程的主要運行數據，又采集與其相關的水文、環境量等數據，構建標準統一的“深度感知”網絡。未來三年，百色水利樞紐需要不斷提升監測覆蓋范圍，建立全面覆蓋主壩、副壩、汪甸防護工程、剝隘滑坡治理工程以及近壩庫岸的監測系統，以衛星遙感、GNSS等技術為支撐，實時感知各建筑物的變形、滲流、應力應變等信息，并以統一格式傳輸至百色水利樞紐數據中心，建設智能視頻巡視檢查系統，提升缺陷隱患感知能力，建立隱患缺陷數據庫，彌補常規傳感器感知的不足；此外，還要提升感知系統的可靠性，強化數據感知保障能力，采用邊緣計算、增量傳輸、云存儲、云計算等技術，對感知系統采集裝置、傳輸存儲系統、數據自動分析評級系統進行優化。

4.2 廣泛共享

廣泛共享包含網絡互聯和信息共享兩個層面。在網絡互聯層面，要實現感知對象和其他各平臺之間的互通互聯，既需要光纖、微波、RS485等傳統通信技術的支撐，又需要物聯網、移動互聯網、藍牙、zig-bee、衛星通信等現代技術支持，建設覆蓋百色水利樞紐整個工程區域的數據傳輸通信網絡，重要節點建設由局域網、廣域網、衛星網、移動網組成的數據傳輸保障體系，確保數據傳輸暢通無阻。在信息共享層面，需要通過制定統一的信息交換渠道和數據交換格式，利用異常數據自適應識別技術、異構數據融合技術、BIM+技術等，使各類數據能全參與、全交換，實現百色水利樞紐安全監測、巡視檢查、水雨情、工程運行調度等深度感知數據的共用、復用和再生，為各類工程應用提供豐富的數據支撐。

4.3 全面整合

全面整合現有的監測數據和工程業務數據，充分考慮結構化與非結構化數據并存的多

源異構信息，利用機器學習算法、大數據等技術，對百色水利樞紐長期運行累積的多源異構數據進行有效整合，彌補因僅依據單一數據信息造成的工程性狀評估偏差。同時建立環境變量與變形、滲流等效應量同類和異類信息融合的感知模型，實現樞紐工程多尺度、多維度、異構、多源信息數據層和特征層的深度融合，進一步建設基于BIM的多源異構數據融合智能可視化分析系統乃至數字孿生百色水利樞紐，為百色水利樞紐工程運行調度決策提供技術支持。

5 結 語

百色水利樞紐安全監測工作在工程安全運行中扮演著極其重要的角色，深度感知、廣泛共享、全面整合是其發展方向，但是目前尚停留在思考和設想階段。如何將物聯網、云計算、大數據等現代化技術融入到監測工作中，全面感知樞紐工程多源信息，通過廣泛共享和全面融合，科學優化資源配置，增強風險識別能力，實現大壩安全智能監測和智慧管理，充分發揮百色水利樞紐工程綜合效益，保障工程安全，提升管理水平，是當前及今后一個階段的重要任務。