基于邊緣計算的閘壩揚壓力在線分級預警方法

方衛華，張 慧，徐孟啟

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京 210012；2.河海大學計算機與信息學院，江蘇南京 211100）

0 引言

揚壓力大小及其分布不僅對閘壩建基面及壩體壩基應力分布有重要影響，而且對閘壩抗滑穩定性有決定性影響。 隨著防范風險意識的加強和管理要求的不斷提高，實現揚壓力預警特別是現地在線分級預警對及時掌握工程安全狀況、規避工程安全風險和提高工程管理水平都具有十分重要的意義。

目前，閘壩揚壓力監測預警主要通過實測數據與監控指標進行對比的方法和基于規范的揚壓力折減系數法實現。 前者揚壓力安全監控指標擬定方法有置信區間法和典型監測量小概率法，如：張運保等［1］以臺兒莊泵站2012 年11 月5 日至2018 年8 月20 日揚壓力監測數據為基礎，采取置信區間法和典型監測效應量的小概率法進行揚壓力安全監控指標擬定；湯世飛等［2］建立了貴州北盤江光照水電站碾壓混凝土壩壩基揚壓力統計模型，在揚壓力極限測值的基礎上考慮容許誤差及初始擬合值，提出了壩基揚壓力監控指標；季海禮等［3］結合實際工程，利用小概率法擬定了非汛期揚壓力監控指標；李姝昱等［4］對豐滿大壩16 個壩段壩基揚壓力進行分析，采用置信區間法和典型小概率法擬定了壩基揚壓力的安全監控指標。 置信區間法和典型監測效應量小概率法都是基于統計學的方法，不僅受因子變量獨立同正態分布等假設條件的限制，而且適應地基滲流條件變化的跟隨性不強［5-6］，在地基淤積等條件變化比較快的部位難以實現在線預警。 隨著在線實時動態預警指標的提出，一些管理平臺采用基于規范的揚壓力折減系數法實現預警，即通過實測揚壓力與設計規范給出的理論折減系數計算的揚壓力進行對比，當實測值大于根據規范假設的揚壓力值時報警。 然而每個閘壩都具有一定的特殊性，帷幕缺陷、壩基壩體接觸不良、閘壩裂縫等造成的揚壓力異常可能由局部非關鍵因素造成，也可能由多個局部非關鍵因素綜合造成。 文獻［7-16］表明揚壓力異常或超過設計規定的揚壓力折減系數的情況在不同工程時有發生；文獻［13］中的每個壩段各設置4 個揚壓力測點，從1988 年開始監測，除測點3、4 揚壓力系數在0.2 上下波動外，其他測點均大于設計值（0.3），南、北岸代表性壩段3＃、25＃揚壓力測點3-1、25-1 揚壓力系數分別達到0.66和0.80，明顯大于規范設計值；文獻［15］工程實例表明，一些測壓管測點的揚壓力系數甚至接近于1，卸下揚壓力監測壓力表重新安裝后，該值恢復很快，而另一些壓力表卸下重新安裝后，該值恢復時間滯后達30 d；文獻［16］通過灌漿廊道測壓管水頭等實測數據計算得到的1999 年太平灣大壩20＃及47＃壩段揚壓力折減系數分別為0.406 和0.490，均超過規范規定值。

文獻［17-20］主要從揚壓力異常成因上進行研究，如：文獻［17］研究表明李家峽大壩6 號壩段壩基揚壓力異常成因是防滲帷幕局部存在缺陷，且帷幕前淺部巖層存在強透水帶；文獻［18］結合運行過程中測壓管洗孔、排水管淤堵測試、滲流場數值模擬等手段，分析了測壓管揚壓力過高的原因；文獻［19］對嶂山閘9＃閘底上游側揚壓力高于設計值進行分析，認為閘基承壓水的深層滲流可能是導致揚壓力異常的原因。 多個工程的揚壓力監測數據分析表明，由于地質條件的非均勻性和上下游水位波動及其滯后效應，揚壓力分布受除險加固、泥沙淤積和溫度等多方面的影響，因此很多壩基實際揚壓力分布與規范假設不同［21-22］，有些帷幕后第一排揚壓力測值明顯大于根據規范假設的理論計算值，如果按上述平臺中所采用的揚壓力預警方法，則實測揚壓力數據大于根據規范設定的閾值，將出現長期虛警［23-25］。 總之，無論是監控指標法還是設計規范［21］給出的揚壓力折減系數法，都基于單測點揚壓力實測數據，而單點測值未考慮揚壓力大小及其分布影響壩體穩定和應力分布的物理實質，在實際工程中容易造成虛警。

目前揚壓力監測大多采用測壓管及在管內安裝滲壓計的方式，由于壩體廊道內測壓管工作受降水等外界條件影響較少、滲壓計上作用水頭一般不高，因此儀器受溫度變幅或結構應力徐變影響較小，加上目前滲壓計本身質量尤其是進口原裝滲壓計質量的保證和氣壓修正，揚壓力監測精度是可以達到監測技術規范［26］要求的。

邊緣計算［27］較傳統后臺計算方式及云計算方式具有低延遲、低帶寬、高可用等優勢，且部分擺脫了網絡環境的限制。 水利工程大多數位置偏遠，管理處（所）技術力量或精力有限，與后方通信受限，尤其在惡劣自然環境或應急條件下，需要一定的數據分析預警能力，邊緣計算正好滿足這一需求。 李鵬飛［28］分析了數字中國信息化建設要求和現代技術發展趨勢，結合工程上邊緣計算在水利項目中的應用，以計算周期為指標論證了邊緣計算充分滿足水利控制系統對時間延遲的要求，有利于解決存在的信息感知不透徹、互聯互通不廣泛、數據處理不及時等問題。

本文針對揚壓力預警方法的不足，考慮地質條件非均勻條件下揚壓力非均勻分布對壩體穩定性的影響，以影響壩體穩定及應力分布的橫斷面揚壓力分布及數值作為壩體荷載，由物理機制設計，結合規范提出相應的預警方法。 其中為滿足現場電源及算力要求，引入邊緣計算解決水庫位置偏遠及現地分析處理能力不足等帶來的問題；采用輕量化深度學習模型實現任意水位組合工況揚壓力向控制工況揚壓力精準快捷轉換。

1 方法與系統

以混凝土重力壩為例進行敘述，水閘可以依據水閘設計規范［22］進行類推。

1.1 方法步驟

首先，根據重力壩類型、壩段位置和相應的設計規范確定所對應的揚壓力折減系數α，讀取與揚壓力測值時刻t相對應的重力壩上、下游水位H1（t）和H2（t），根據安全監測設施考證資料獲取壩段設置的多個橫向測壓管平行壩軸線的樁號，從而獲得各揚壓力測點的橫向坐標。

其次，按照各個測壓管的實測數據采用等效面積Mt計算實際揚壓力荷載；根據相應設計規范確定的參數，由實際上下游水位結合規范確定揚壓力折減系數α，計算規范揚壓力面積St；比較Mt與St的大小，若Mt大于或等于St，則啟動藍色報警并進入下一步驟；若Mt小于St，則返回監測階段繼續收集數據。

再次，根據相應規范結合實測揚壓力、其他同步荷載，分別計算壩踵和壩趾兩個控制部位的垂直正應力和主應力，并判斷上述應力任意一項是否超出所述設計規范要求或對應混凝土強度允許值，如有一項超過則啟動黃色報警并進入下一步驟，否則繼續監測。

最后，在計算應力的基礎上，根據實測數據按規范規定的方法計算抗滑穩定及抗傾覆穩定安全系數，并判斷重力壩抗滑穩定性及抗傾覆穩定性是否超出設計規范對所有工況的要求，若任一項超出，則啟動紅色報警。 其中抗滑穩定計算根據壩段所在壩基地質條件，依據規范確定。

當壩基存在深層滑動面時，上述揚壓力測值及其參數根據規范［21-22］提供的計算方法確定。

對于重力壩抗滑穩定采用抗剪強度公式或抗剪斷強度公式計算分析，所在壩段的壩基巖體條件良好時采用抗剪斷強度公式，壩基巖體差或存在軟巖、軟結構面時采用抗剪強度公式。

按照抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數為

式中：f '為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數，C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，a為壩基接觸面截面積，∑W為作用于壩體的全部載荷（包括實測數據計算的揚壓力）對滑動平面的法向分值，∑P為作用于壩體的全部載荷（包括實測數據計算的揚壓力）對滑動平面的切向分值。

按照抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數為

式中：f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數。

抗傾覆穩定性的判斷方法為：計算壩體自重產生的抗傾覆力矩M1和水平推力產生的傾覆力矩M2，并計算抗傾覆力矩M1和傾覆力矩M2的比值得到抗傾覆穩定安全系數；若所述抗傾覆穩定安全系數大于設計規范給出的安全系數，則判定所述抗傾覆穩定性滿足要求。

將測壓管及壩段參數都輸入基于邊緣計算的現場測控裝置，由程序自動計算、預警。 基于邊緣計算的閘壩揚壓力在線分級預警流程如圖1 所示。

圖1 揚壓力分級預警流程

由于規范規定的穩定計算只提供了有限典型工況的限定值，而閘壩日常運行常常不是處于規范規定的典型工況，因此在實時預警時需要根據當時工況將包括實測揚壓力在內的各種荷載轉化成規范規定的典型工況所對應的荷載。 為實現上述自動轉換，先建立各測壓管揚壓力與上下游水位、氣溫和時間的統計模型［28］，即ht ＝∑cif（xt-i） ，xt為當前時刻上下游水位、溫度、降雨與傳感器實測揚壓力組合量，xt-i為測值前第i天組合量，ci為回歸權重系數，ht表示一個完整斷面一排橫向多個測壓管揚壓力值映射到典型控制工況下的揚壓力值［29］。 參考揚壓力統計模型的自變量因子數量及形式存入現場邊緣計算模型因子庫，再結合現場實測數據建模計算；通過預測精確度、魯棒性和泛化能力3 個指標確定最終的xt-i影響因子，經過模型檢驗選擇最優模型；將上下游水位取規范規定的典型工況所對應的水位即可得到對應工況的揚壓力“實測值”，再結合其他荷載和參數按規范規定進行抗滑穩定計算。

考慮到不同模型的泛化能力不同，為提高模型的智能化水平，同時降低存儲和計算復雜度，經模型比較，本文選擇GRU（Gate Recurrent Unit，循環門單元）實現實測值到典型控制工況的揚壓力映射［30-31］。GRU 是一種基于RNN（循環神經網絡）的改進型神經網絡，可以有效克服傳統神經網絡中短期記憶不足并解決梯度消失問題，通過存儲單元保存長期的時序信息，以捕捉數據中的長期依賴關系。 由于揚壓力實測數據具有時間滯后特征，因此GRU 神經網絡可以有效預測揚壓力隨上下游水位等影響因素的變化，GRU 單元結構見圖2。

圖2 GRU 單元結構

GRU 神經網絡的記憶單元在每個時間步設置重置門rt和更新門zt，基于門控GRU 神經網絡可以實現信息過濾和存儲功能。 重置門和更新門的計算公式如下：

Wr為權重矩陣，對上一個時間步傳過來的隱藏層狀態ht-1和當前時間步的上下游水位、溫度、降雨、傳感器實測揚壓力組合得到的xt進行線性變換，得到的結果輸入sigmoid 函數，再將結果壓縮到區間［0，1］得到重置門rt的值。 類似地可由式（4）得到更新門zt的值。

h～t為候選隱藏狀態值。 式（5）中rt值越小則候選隱藏狀態值越小，說明前一狀態需要遺忘得越多，丟棄得越多，當前狀態受前一狀態影響越小；rt值越大則當前狀態受前一狀態影響越大。 因此，重置門的設置有利于挖掘數據之間的短期依賴關系。

zt用于控制當前狀態是否需要根據前一時刻的狀態信息進行更新。 式（6）中zt越接近0，當前時刻對應規范規定的典型工況揚壓力“實測值”ht就越接近上一時刻的“實測值”ht-1。ht被很好地維持了，這也是緩解梯度消失的關鍵。 更新門值的變化有利于捕捉數據之間長期依賴的關系。

1.2 邊緣計算系統

綜上可知，要實現基于物理本質的揚壓力預警，需要實時采集數據及進行誤差識別與處理、工況轉換、模型計算等，采用基于嵌入式系統的邊緣計算方式可實現廊道內無線通信組網、遠程維護和參數設置、手機APP 無線連接，以及有效提高數據采集和分析處理速度。 基于邊緣計算的揚壓力分級預警系統由多臺壩基揚壓力測控裝置（MCU）及通信網絡組成。 每個揚壓力橫向監測斷面配置一臺基于邊緣計算的壩基揚壓力測控裝置，用于采集揚壓力、氣壓和獲取上下游水位數據，并根據內置模型算法進行數據處理。 MCU 采用適合水工現場環境要求的嵌入式硬件和開源操作系統，內置應用軟件。 嵌入式硬件選用i.MX6Q Cortex-A 系列多核處理器作為核心處理器，其低功耗方式采用自適應調頻方式，對于功耗要求極為嚴格的水工場景可通過對MCU 控電來降低系統整體功耗。 開源操作系統采用嵌入式Linux 操作系統，結合嵌入式BOA、Sqlite、TCP／IP 及SSH 等技術開發嵌入式開發界面嵌入式瀏覽器和WEB 瀏覽器，實現功能和接口軟件配置，對接入傳感器進行統一集中管理，實現遠程程序升級及遠程時鐘校準等功能，支持遠程故障診斷，減少人工運維成本。 應用軟件采用C++和Python 語言混合開發，負責提供操作界面，根據設置自動完成揚壓力、氣壓及上下游水位的讀取或采集，以及上述的相關計算過程，從而實現數據采集和分級預警一體化。 同時，MCU 還可以根據需要如考慮分項系數或有限元等進行技術升級。 二次開發時應用API 可以調用第三方工具編寫的應用軟件。 軟件測試可以在安裝Linux 系統的虛擬機上進行，最后部署到MCU 即可。

2 工程實例

2.1 實例一

本節以某混凝土重力壩中間壩段某一揚壓力監測斷面為例說明藍色預警過程。 該壩段壩基設置了4 根揚壓力測壓管（編號U、T、S、R），如圖3 所示，實測對應的測壓管水頭分別為h1（t）、h2（t）、h3（t）、h4（t），上游揚壓力作用水頭為H1（t），下游揚壓力作用水頭為H2（t）。

圖3 基于測壓管實測水頭的揚壓力計算示意

測壓管內滲壓計采用Geokon4500SV 0.35 MPa 滲壓計，配合上海雷若儀表RE-330 型0.2 hPa 高精度大氣壓計修正，經重復性采樣，重復性滿足規范［26］要求。根據實測資料該壩段壩基測壓管U 實測揚壓力折減系數長期大于規范值0.3，為此檢驗其是否需要進行藍色預警。 實測揚壓力荷載可以通過計算多邊形IJKLMNOP的面積得到。

圖4為設計規范中計算揚壓力載荷的示意圖，排水孔中心線處為H2（t）+αH（t），其中α為規范規定的揚壓力折減系數，H（t）＝H1（t）-H2（t）。 揚壓力面積St為多邊形ABCDE的面積，為2 個多邊形ABCF和CDEF的面積之和，用公式表達為

圖4 規范規定的典型揚壓力計算示意

式中：LAF為A點到F點的距離；LFE為F點到E點的距離。

將實測揚壓力與規范規定的揚壓力進行對比，也就是比較計算出來的實測揚壓力面積Mt和規范規定的揚壓力面積St。 當Mt值大于或等于St值時，說明實測揚壓力大于規范值，啟動藍色報警。 計算結果顯示，該壩基實測揚壓力面積小于規范規定的揚壓力面積，因此未啟動藍色預警。

2.2 實例二

某水利樞紐工程重力壩為1 級建筑物，根據實測揚壓力結合上下游水位計算的部分時間、部分測點揚壓力折減系數超過規范值，引起運行管理單位重視。為檢驗是否應啟動紅色預警，基于上述軟件系統，采用設計工況和計算公式對壩體穩定性進行校核，結果表明不存在深層抗滑失穩問題，因此只計算沿建基面的抗滑穩定安全系數。 相關計算參數根據現場取樣檢測結果和經驗確定，荷載組合及規范值參見混凝土重力壩設計規范［21］。 根據全部測點、全時間序列實測揚壓力數據，采用本文方法得到的安全系數極小值見表1。由于計算得到的安全系數均在規范要求范圍內，因此未啟動紅色預警，有效地消除了運行管理單位的顧慮。

表1 基于邊緣計算的典型工況抗滑穩定安全系數與規范值對比

3 結束語

根據揚壓力實際作用的物理意義，結合規范實現了閘壩分級預警，理論分析和工程實例證明，基于邊緣計算的分級預警方法是可行的：1）本分級預警方法基于局部揚壓力分布不均勻的實際，考慮到揚壓力是通過其大小和分布影響壩體穩定性，具有簡單直觀和物理意義明確、計算方便等優點；2）通過實測揚壓力面積與規范規定揚壓力面積對比，更加快捷和簡便；3）將依據實測揚壓力計算得到的抗滑穩定安全系數或抗傾覆安全系數與規范值進行比對，可更有效地作出判斷，減少虛警的發生；4）工程實例只針對運用期進行了分析，根據規范要求，可以將其推廣到施工期以及采用不同計算方法（如分項系數極限狀態計算方法或彈塑性力學有限元計算方法）的閘壩揚壓力分級預警中。