淺析大數(shù)據(jù)在某水電站中的應(yīng)用

王志軍 胡俊杰

摘 要：隨著水利工程采集技術(shù)、分析技術(shù)的發(fā)展，水利數(shù)據(jù)量急劇膨脹，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)快速高效處理水利數(shù)據(jù)迫在眉睫。簡(jiǎn)述了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在四川省某水電站工程選址、工程資金管理中的應(yīng)用，著重研究了水利大數(shù)據(jù)在該水電站灌漿工程中的應(yīng)用，并嘗試對(duì)數(shù)據(jù)共享困難、數(shù)據(jù)安全堪憂等問(wèn)題提出建議，以使水利大數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于水利工程。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；水利工程；灌漿

中圖分類號(hào)：TP311.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著收集水利數(shù)據(jù)的方式越來(lái)越多樣化，水利數(shù)據(jù)總量每年都在增加，在管理和利用水利大數(shù)據(jù)方面，傳統(tǒng)水利信息技術(shù)已經(jīng)不能滿足水利現(xiàn)代化發(fā)展的要求，水利數(shù)據(jù)的價(jià)值得不到充分挖掘和利用，而大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)整合分析收集到的數(shù)據(jù)，為解決這一問(wèn)題打開了一扇門。水利大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用，是存儲(chǔ)與共享、分析與處理水利數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)水利信息現(xiàn)代化發(fā)展和建設(shè)的中堅(jiān)力量[1]。馮鈞等[2]基于大數(shù)據(jù)和水利大數(shù)據(jù)的關(guān)系，分析水利大數(shù)據(jù)資源化的必要性和本質(zhì)。龍美林[3]利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理水利工程地質(zhì)大數(shù)據(jù)，方便水利工作人員繪制出水利工程的二維和三維地質(zhì)模型。代端明[4]利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建工程造價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)整個(gè)施工流程中的每一處造價(jià)都進(jìn)行精確計(jì)算分析。本文以四川省某水電站為例，詳細(xì)介紹水利大數(shù)據(jù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，并針對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的不足提出了解決辦法。

1 某水電站水利大數(shù)據(jù)實(shí)施背景

四川省某水電站壩址區(qū)自然地理?xiàng)l件惡劣，河谷干熱風(fēng)大，空氣濕度較低，對(duì)混凝土的澆筑和施工設(shè)備的安全擺放影響較大；地下水文地質(zhì)條件復(fù)雜，必須要確保壩體在澆筑過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)地基沉降導(dǎo)致壩體和基巖發(fā)生變形。得益于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的出現(xiàn)，這些問(wèn)題在建設(shè)過(guò)程中得到了有效解決。

首先，該水電站在正式施工之前需要確定水利工程的工程選址、工程布局、工程規(guī)模等，而確定這些信息的基礎(chǔ)是得到工程所在地的地形信息、地質(zhì)信息及工程造價(jià)信息等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以高效獲取這些必要的信息[5]。地形信息主要展現(xiàn)在地形圖上，傳統(tǒng)地形圖的繪制主要依靠工作人員現(xiàn)場(chǎng)勘探地形獲取數(shù)據(jù)，再在紙上進(jìn)行地形圖的繪制，不僅效率較低，而且精確度存在一定偏差。利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)收集地形信息不僅可以攬括國(guó)內(nèi)外豐富的地理信息類大數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)地形圖的3D可視化，幫助水利工作者全方位了解該水電站下游周邊的地形，更好地開展水電站選址工作[6]。

其次，該水電站地基的天然穩(wěn)定性較差，進(jìn)行水利工程主體和廠房布置時(shí)需要進(jìn)行工程地質(zhì)勘察。水利工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)包含地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其轉(zhuǎn)化為滿足工程地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的信息，然后利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行三維建模，生成一個(gè)三維地質(zhì)體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的空間信息管理與分析[7]。

最后，該水電站的投資金額巨大，因此需要對(duì)其進(jìn)行可行性研究。工程造價(jià)大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠收集大量數(shù)據(jù)，分析修建該水電站對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響，預(yù)估該水電站的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，統(tǒng)籌管理施工過(guò)程中每一環(huán)節(jié)的資金流動(dòng)，減少施工過(guò)程中的不必要支出，從而實(shí)現(xiàn)該水電站的成本風(fēng)險(xiǎn)管控。

2 具體應(yīng)用分析

由于大壩的整體施工被分成很多部分，因此各類相關(guān)信息分布在各個(gè)部門，這對(duì)于信息的開發(fā)利用非常不利。該水電站采用了數(shù)字大壩系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩施工過(guò)程中的信息自動(dòng)化采集，建立了工程信息集成化系統(tǒng)，將大壩施工質(zhì)量、施工進(jìn)度等信息數(shù)字化并實(shí)時(shí)反饋，完成大壩信息在各部門間的共享，有效提高了工程建設(shè)水平。

以灌漿工程為例，灌漿工程是該水電站建設(shè)過(guò)程中的重要工程之一，相比其他工程，灌漿工程出現(xiàn)的問(wèn)題不易被察覺。影響灌漿質(zhì)量的因素非常多，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方式難以進(jìn)行處理。該水電站引入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算，建立單位注入量預(yù)測(cè)模型和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)時(shí)修改灌漿壓力等參數(shù)使實(shí)際結(jié)果接近預(yù)測(cè)模型，提高灌漿效率和灌漿質(zhì)量[8]。

該水電站灌漿工程施工現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)非常多，兩周時(shí)間采集的數(shù)據(jù)達(dá)到1 GB，對(duì)于不斷產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，應(yīng)立即將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸和共享，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理的進(jìn)行。灌漿工程傳感器采集的數(shù)據(jù)（如壓力、流量、密度等）屬于原始數(shù)據(jù)，其中的一些無(wú)效數(shù)據(jù)需要進(jìn)行剔除。為了提高灌漿工程數(shù)據(jù)的質(zhì)量，該水電站工程采用異常數(shù)據(jù)處理技術(shù)（刪除、平均值修正等）對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。利用處理后的數(shù)據(jù)，結(jié)合灌漿工程的流程和相關(guān)原理，選擇影響單位注入量較強(qiáng)的特征子集（包括灌漿深度、灌漿時(shí)間、灌漿段長(zhǎng)度、碎石含量、碎石粒徑、灌漿孔間距）建立單位注入量預(yù)測(cè)模型，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集見表1。

將實(shí)際值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性相關(guān)系數(shù)分析（見圖1），可知，灌漿工程的預(yù)測(cè)結(jié)果接近實(shí)際結(jié)果，在灌漿過(guò)程中可借助預(yù)測(cè)模型實(shí)時(shí)調(diào)整灌漿孔間距等參數(shù)，確保灌漿工程的穩(wěn)定進(jìn)行[9]。

以管理維護(hù)階段大數(shù)據(jù)應(yīng)用為例，該水電站智能化建設(shè)依托大數(shù)據(jù)技術(shù)建立水電站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，對(duì)水電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到兩個(gè)作用。①故障監(jiān)視。建立水電設(shè)備正常運(yùn)行工況時(shí)的模型，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值與正常工況模型進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)邏輯推理判斷水電設(shè)備的運(yùn)行狀況，第一時(shí)間對(duì)發(fā)生故障的水電設(shè)備進(jìn)行檢修。②狀態(tài)分析。利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)收集到的水電設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)分析，對(duì)水電設(shè)備進(jìn)行健康分級(jí)管理[10]。

3 大數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足及解決方法

（1）數(shù)據(jù)共享困難。水利行業(yè)的數(shù)據(jù)不同于其他行業(yè)的數(shù)據(jù)，其包含的數(shù)據(jù)量更多，數(shù)據(jù)類型更加復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸非常不方便，常常會(huì)發(fā)生不兼容現(xiàn)象，從而出現(xiàn)工作效率降低、原始數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。尤其是數(shù)據(jù)的丟失會(huì)嚴(yán)重影響水利大數(shù)據(jù)的運(yùn)作效率，在日常工作中應(yīng)時(shí)刻保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性。對(duì)于已經(jīng)成型的數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)當(dāng)做好備份工作，建立一個(gè)鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)封存。考慮到水利大數(shù)據(jù)的運(yùn)作需要不間斷的電力供應(yīng)，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備備用電源，以防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，可以建立一個(gè)基于分布式目錄的新型水利大數(shù)據(jù)共享模型，利用索引片區(qū)多層級(jí)合并技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全域共享，有效解決大數(shù)據(jù)共享困難的問(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)安全保障待加強(qiáng)。以灌漿數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)從生成到應(yīng)用期間經(jīng)過(guò)的時(shí)間跨度和空間跨度均較大，難以保證在這期間數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)泄漏。在日常工作中，相關(guān)工作人員應(yīng)該簽署保密協(xié)議，不將相關(guān)數(shù)據(jù)帶出工作地區(qū)。同時(shí)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行安全分級(jí)，并組建自己的內(nèi)網(wǎng)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，并做好防火墻防止被惡意木馬病毒攻擊。

4 結(jié)束語(yǔ)

水利大數(shù)據(jù)技術(shù)是現(xiàn)在乃至未來(lái)我國(guó)水利領(lǐng)域信息化的研究重點(diǎn)之一，其高效處理海量數(shù)據(jù)的能力非常適合用來(lái)處理水利工程建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的繁多數(shù)據(jù)。當(dāng)前，我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)推進(jìn)。水利大數(shù)據(jù)作為新興技術(shù)，在管理維護(hù)階段的實(shí)際應(yīng)用較多，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和施工建設(shè)階段的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。為了全面建設(shè)水利大數(shù)據(jù)，可以嘗試水利大數(shù)據(jù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和施工建設(shè)階段的實(shí)際應(yīng)用，使水利大數(shù)據(jù)覆蓋水利工程建設(shè)的整個(gè)過(guò)程，保證數(shù)據(jù)的連貫性和完整性，助力推進(jìn)水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系建設(shè)。

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Application of Big Data to a Hydropower Station

WANG Zhijun，HU Junjie

（Jiangxi Water Group Co.，Ltd.，Nanchang 330029，China）

Abstract：The advancement of data collection and analysis technology gives rise to a surge of data amount in the field of water conservancy. It is imperative to introduce big data technology for quick and efficient management of water conservancy data. This paper presents an overview of the application of big data systems in the site selection and fund management of a hydroelectric power plant project in Sichuan Province. A particular focus is given to the application of big data to the grouting of this project. In addition，suggestions are made to address issues such as challenges in data sharing and data security concerns，aiming to enhance the role of big data in supporting water conservancy projects.

Key words：big data；water conservancy project；grouting