泄洪閘門在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的現(xiàn)狀分析與討論

秦 方，夏云秋，胡葆文，朱燁森

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

在水利水電工程中，閘門起著調(diào)節(jié)流量、控制水位、宣泄洪水、排除泥沙或漂浮物等作用。其中泄洪工作閘門不僅在平時(shí)調(diào)節(jié)控制水庫(kù)水位，當(dāng)汛期到來(lái)時(shí)可用以宣泄洪水，其結(jié)構(gòu)安全性和啟閉運(yùn)行的可靠性不僅與水電站、水庫(kù)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)有關(guān)，更是直接影響著流域上人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，泄洪閘門的安全管理是水利水電行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注研究對(duì)象。

在實(shí)際運(yùn)行中，閘門可靠性降低、產(chǎn)生故障及遭受破壞的原因主要有以下幾方面：設(shè)計(jì)水平、制造安裝質(zhì)量、運(yùn)行管理水平、自然腐蝕老化和意外損傷等。這些因素相互影響制約，共同作用，需要運(yùn)維人員長(zhǎng)期進(jìn)行大量參數(shù)的檢測(cè)和監(jiān)控才能充分了解閘門的健康狀況。

在數(shù)字化技術(shù)加速發(fā)展的今天，受惠于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析工具，越來(lái)越多的安全觀測(cè)工作可以轉(zhuǎn)移到數(shù)字化管理平臺(tái)。利用數(shù)字化管理平臺(tái)系統(tǒng)，可以高效獲取數(shù)據(jù)，數(shù)量和種類遠(yuǎn)超傳統(tǒng)人工、半自動(dòng)的檢測(cè)方式。在水電水力工程中，早在90 年代，計(jì)算機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)就被應(yīng)用于大壩工程安全監(jiān)測(cè)之中[1]，節(jié)省了人力，提高了觀測(cè)資料質(zhì)量，且加快了成果反饋。30 年來(lái)，信息平臺(tái)應(yīng)用涉及土建工程、水電機(jī)組、各類閘門及其組合對(duì)象[2-5]，功能日益豐富，業(yè)內(nèi)也不再滿足于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的挖掘分析需求。

2015 年發(fā)改委第23 號(hào)令[6]《水電站大壩運(yùn)行安全監(jiān)督管理規(guī)定》中要求國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心對(duì)注冊(cè)（備案）登記的大壩運(yùn)行安全進(jìn)行遠(yuǎn)程在線技術(shù)監(jiān)督，其中就對(duì)泄洪閘門這類水工金屬對(duì)象提出了在線監(jiān)控和安全分析要求。

華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院作為水利水電工程的專業(yè)設(shè)計(jì)院，投身數(shù)字化浪潮且已完成眾多數(shù)字化建設(shè)項(xiàng)目。其中水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全管理模塊在已履約的“抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全評(píng)價(jià)體系研究與應(yīng)用”工程項(xiàng)目中，以某抽水蓄能電站的導(dǎo)流泄放洞弧形工作閘門為對(duì)象，部署了在線監(jiān)控和安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)。本文以該系統(tǒng)為例討論泄洪閘門數(shù)據(jù)挖掘工作的現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，并提出了下一階段的研究路線。

1 數(shù)據(jù)挖掘案例介紹

某抽水蓄能電站導(dǎo)流泄放洞弧形工作閘門已經(jīng)使用近15 年，未進(jìn)行過(guò)更新改造。閘門運(yùn)行期間對(duì)應(yīng)力、振動(dòng)、支鉸軸承磨損情況等均未進(jìn)行過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。閘門的運(yùn)行姿態(tài)由單吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)行程檢測(cè)裝置提供數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)其他反饋驗(yàn)證措施。此閘門預(yù)期服役時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)數(shù)10 年，設(shè)備的所處位置不易于頻繁巡檢和維護(hù)，設(shè)備存在某些隱蔽零部件無(wú)法從外觀判斷其安全狀態(tài)，如支鉸軸承等，且設(shè)備一旦失事，可能造成較重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)為全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的安全狀態(tài)，為管理人員提供決策依據(jù)。

該項(xiàng)目從水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運(yùn)行要素出發(fā)，為泄洪閘門建設(shè)了在線監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)體系：在感知層，通過(guò)在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備上布置傳感器，獲取設(shè)備的關(guān)鍵特征指標(biāo)；在數(shù)據(jù)采集層將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集到現(xiàn)地控制箱，借助通信系統(tǒng)光纜備用芯，上傳至服務(wù)器，累積監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

在平臺(tái)應(yīng)用層，研發(fā)了安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)各類信息進(jìn)行綜合、關(guān)聯(lián)和集成分析，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并做出維護(hù)提醒和預(yù)警、報(bào)警。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)選用了指標(biāo)分級(jí)加權(quán)綜合評(píng)估法。參照DL/T 5313-2014《水電站大壩運(yùn)行安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中金屬結(jié)構(gòu)章節(jié)對(duì)閘門設(shè)備的考察項(xiàng)目，在所考察的安全性即目標(biāo)層下，設(shè)定準(zhǔn)則層及其下屬一二級(jí)指標(biāo)層。由此將眾多考察因素按照物理和邏輯關(guān)系排成從高到低的若干層次，構(gòu)造出如表1 所示的遞階層次體系。

表1 泄洪閘門安全評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系

各層指標(biāo)及準(zhǔn)則、目標(biāo)層幅值范圍如表2 所示，并規(guī)定大數(shù)值代表故障和不安全的狀態(tài)。表中n為同一個(gè)一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，m為同一個(gè)準(zhǔn)則層下一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

表2 各層指標(biāo)及準(zhǔn)則、目標(biāo)層幅值范圍

由在線及離線監(jiān)測(cè)到的指標(biāo)出發(fā)，通過(guò)一定的算法，逐步得到準(zhǔn)則層結(jié)果。三層次處理計(jì)算方法見表3、表4。得到準(zhǔn)則層數(shù)值后，將其取和并線性規(guī)整化至0～100 的區(qū)間，即得目標(biāo)層評(píng)價(jià)數(shù)值。

表3 二級(jí)指標(biāo)推算一級(jí)指標(biāo)的計(jì)算方法

表4 一級(jí)指標(biāo)推算準(zhǔn)則層的計(jì)算方法

通過(guò)上述流程及計(jì)算方法，初步為導(dǎo)流泄放洞工作閘門及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)建立了在線監(jiān)控和安全評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)在中央管控室及授權(quán)的終端上實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和由數(shù)據(jù)支撐的安全評(píng)價(jià)。

2 數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)中，提取出隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在的、有用的信息和知識(shí)的過(guò)程。由監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)安全評(píng)價(jià)結(jié)論正是一種數(shù)據(jù)挖掘工作。

在上述案例中，系統(tǒng)可隨時(shí)生成泄洪閘門的安全評(píng)價(jià)報(bào)告。報(bào)告中可展示任意時(shí)段內(nèi)的主要數(shù)據(jù)，以及據(jù)此得到的整體風(fēng)險(xiǎn)因數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)水平較高的項(xiàng)目或指標(biāo)。電站運(yùn)行維護(hù)人員由平臺(tái)系統(tǒng)可隨時(shí)查看泄洪閘門的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，非常直觀便捷。數(shù)據(jù)信息和安全評(píng)價(jià)報(bào)告使設(shè)備管理工作更有針對(duì)性，提高了管理效率。

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些欠缺，如：

（1）未考慮各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（2）缺少對(duì)歷史故障所表現(xiàn)的指標(biāo)特征的歸類。

目前已建立的健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)達(dá)到了初步目標(biāo)，起到了一定的安全管理作用，但是仍有研發(fā)改進(jìn)的空間以實(shí)現(xiàn)更理想的數(shù)據(jù)挖掘愿景。

3 數(shù)據(jù)挖掘研發(fā)規(guī)劃

通過(guò)對(duì)泄洪閘門等設(shè)備更廣泛的調(diào)研，規(guī)劃從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)工作：

（1）更全面地收集結(jié)構(gòu)設(shè)備在不同健康狀態(tài)下的表征數(shù)據(jù)。可以借助數(shù)字化建模和分析工具，對(duì)結(jié)構(gòu)在各種載荷以及虛擬損傷條件下的響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真，獲得更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)論。

（2）強(qiáng)度指標(biāo)下，針對(duì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在不同位置受載后響應(yīng)的不同，設(shè)定不同的指標(biāo)考察區(qū)間。使用材料本身的強(qiáng)度作為統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，很可能湮沒(méi)一些非正常的應(yīng)力響應(yīng)現(xiàn)象。應(yīng)力數(shù)值在時(shí)域的變化也是重點(diǎn)關(guān)注處理的指標(biāo)，挖掘信息為預(yù)測(cè)服務(wù)。

（3）將人機(jī)交互、控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也納入監(jiān)控和評(píng)價(jià)的范圍。由眾多水電水利設(shè)施的歷史資料可知，有相當(dāng)比例的安全事故是由于人為失誤及控制設(shè)備故障導(dǎo)致。缺乏此類監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)會(huì)導(dǎo)致安全評(píng)價(jià)結(jié)果不全面。

（4）結(jié)合專家系統(tǒng)等方法，精細(xì)化各指標(biāo)的評(píng)判因素權(quán)重處理。使用隸屬函數(shù)來(lái)進(jìn)行模糊判定，體現(xiàn)不同數(shù)值差異對(duì)總體安全性的影響。

（5）在健康評(píng)價(jià)算法方面，引入更高階的數(shù)值分析工具，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、規(guī)則推理等，深入挖掘設(shè)備數(shù)據(jù)信息。

預(yù)計(jì)達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）數(shù)據(jù)信息收集的全面性。充分調(diào)研影響泄洪閘門的外界因素和閘門自身可測(cè)定的參量指標(biāo)，不僅包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度響應(yīng)方面，也包括運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)工況狀態(tài)。全面的信息保障不忽視任何一類隱患。

（2）健康評(píng)價(jià)要有預(yù)判性。深入挖掘數(shù)據(jù)中潛在信息，找出多指標(biāo)參數(shù)間的暗線關(guān)系和發(fā)展軌跡，對(duì)即將發(fā)生的故障有一定的預(yù)判性。預(yù)判性體現(xiàn)在兩方面，一方面由較長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)健康所做的趨勢(shì)預(yù)測(cè)；另一方面也包括對(duì)特定水文環(huán)境下由閘門啟閉等運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致破壞故障的即時(shí)預(yù)判。

（3）要有可信的數(shù)值量化評(píng)價(jià)。最終給出的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值應(yīng)具有量化比較能力，不同類別，不同嚴(yán)重程度的隱患要在最終的評(píng)價(jià)結(jié)果中有所區(qū)分和客觀體現(xiàn)。以往為保證準(zhǔn)確性，提高告警閾值會(huì)導(dǎo)致維護(hù)處理的介入時(shí)機(jī)較晚，問(wèn)題擴(kuò)大后綜合維修成本較高，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。而通過(guò)此方向的研究，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性的良好平衡。

4 結(jié)語(yǔ)

泄洪閘門數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用使管理人員不僅可以全面、實(shí)時(shí)、客觀地掌握泄洪閘門相關(guān)數(shù)據(jù)，還能借助健康評(píng)價(jià)模塊的評(píng)價(jià)報(bào)告得到設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，指導(dǎo)管理工作，提高管理效率。在進(jìn)一步的研發(fā)工作中，需要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的分析和數(shù)據(jù)的積累，細(xì)化對(duì)指標(biāo)參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，提高安全評(píng)價(jià)的預(yù)判性，實(shí)現(xiàn)深入準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)挖掘，保障泄洪閘門的安全運(yùn)行。