小灣水電站工程安全分析與決策支持系統(tǒng)研究與構(gòu)建

易 魁,陳 豪,2,趙志勇,毛鶯池

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南昆明650214；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南昆明650001；4.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院,江蘇南京211100)

小灣水電站工程安全分析與決策支持系統(tǒng)研究與構(gòu)建

易 魁1,陳 豪1,2,趙志勇2,3,毛鶯池4

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南昆明650214；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098；3.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南昆明650001；4.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院,江蘇南京211100)

小灣水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動化采集與存儲,為電站建設(shè)運行提供了長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對監(jiān)測系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的問題,對工程安全分析與決策支持系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。介紹了小灣水電站工程安全分析與決策支持系統(tǒng)的研發(fā)背景、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)和功能實現(xiàn),為類似水電工程提升水工建筑物運行期安全評判和異常工況預(yù)警能力提供了參考和示范。

工程安全監(jiān)測；安全分析；數(shù)據(jù)處理；小灣水電站

0 引 言

由華能瀾滄水電股份有限公司承擔(dān)的國家“十二五”科技支撐計劃課題“瀾滄江流域水電開發(fā)安全與高效利用系統(tǒng)集成與示范”于2013年啟動,課題下設(shè)“瀾滄江流域工程安全分析與決策支持系統(tǒng)”研究專題。該專題研究以瀾滄江上的小灣水電站為試點,開展工程安全監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究,以期解決梯級水電站運行階段安全監(jiān)測數(shù)據(jù)共享性差、實時處理困難等問題,全面提升以大壩為主的水工建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、水電站工程安全評判和異常工況預(yù)警能力。

1 工程安全監(jiān)測現(xiàn)狀及需求分析

1.1 工程概況及監(jiān)測現(xiàn)狀

小灣水電站系瀾滄江中下規(guī)劃8個梯級中的第2級,以發(fā)電為主兼有防洪等綜合效益,裝機容量4 200 MW。工程屬一等大(I)型工程,主要水工建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞和右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成,其中雙曲拱壩最大壩高294.5 m,為世界首座300 m級高拱壩。水庫總庫容150億m3,具有多年調(diào)節(jié)能力,2012年10月首次蓄至正常蓄水位。

小灣水電站實施了全國規(guī)模最大的工程安全監(jiān)測項目,安裝埋設(shè)儀器10 761支。監(jiān)測范圍涵蓋大壩及壩肩抗力體、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪設(shè)施、樞紐區(qū)工程邊坡、導(dǎo)流及擋水等各類施工臨建設(shè)施、水庫地震和庫區(qū)失穩(wěn)體,監(jiān)測項目包括變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、支護(hù)效應(yīng)、地震反應(yīng)、環(huán)境量等。相應(yīng)地,小灣水電站建成了包括南瑞DIMS4.0監(jiān)測系統(tǒng)、壩頂GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)、三維激光變形測量系統(tǒng)、大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)、光柵光纖式橫縫動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等在內(nèi)的全國規(guī)模最大的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),接入自動化系統(tǒng)6500余支,并在籌劃實施繞壩滲流水位孔和量水堰、大壩壩后馬道表觀點等自動化監(jiān)測改造。

1.2 需求分析

目前,小灣水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動化采集與存儲,為電站建設(shè)運行提供了長序列監(jiān)測數(shù)據(jù),但在系統(tǒng)應(yīng)用過程中,也發(fā)現(xiàn)了幾個尚待改進(jìn)與完善的問題：

(1)水工巡檢作業(yè)的自動化程度較低。水工建筑物巡視檢查是發(fā)現(xiàn)工程缺陷的最直觀手段。但長期以來,水工巡檢仍以尺量拍照手工填表、事后整編制作臺賬為主。巡檢成果不僅受巡檢人員技能經(jīng)驗水平等主觀因素影響,且還存在從現(xiàn)場巡檢到成果發(fā)布全過程時效低,難以實現(xiàn)缺陷歷史數(shù)據(jù)實時查詢,無法與高頻次的自動化儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)匹配校驗等問題。

(2)各異構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)之間形成數(shù)據(jù)孤島。各類以滿足傳感器數(shù)據(jù)采集與通信存儲為主要功能的安全監(jiān)測系統(tǒng)源于不同廠商,存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異、通信方式不一,成果數(shù)據(jù)難以實時共享和對比校驗,無法滿足“冗余設(shè)置,相互驗證”工程安全監(jiān)測設(shè)計部署原則。

(3)未形成與高頻次自動化監(jiān)測相適應(yīng)的數(shù)據(jù)實時分析與評判能力。監(jiān)測自動化系統(tǒng)可據(jù)工程需要設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻次并實時存儲,但單日2.5萬條以上的海量數(shù)據(jù)粗差及其反饋的建筑物工況異常卻無法依靠人工判識,而通過設(shè)定固定上下限值的數(shù)據(jù)超限報警對于處于初蓄等高危風(fēng)險期或特殊工況的水電站亦被證明并不適用,導(dǎo)致每日采集的大量數(shù)據(jù)既不能根據(jù)測值波動來及時甄別儀器故障,也無法依據(jù)效應(yīng)量變幅來快速判識工程異常。

(4)工程工況綜合評判預(yù)警信息化機制未建成。因缺乏監(jiān)測異常測值實時甄別與有效抽取能力,導(dǎo)致無法進(jìn)行大壩等水工建筑物工況的綜合評判與安全預(yù)警。

(5)缺乏高效友好的數(shù)據(jù)成果管理與發(fā)布手段。現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)可視化程度較低,無法提供水工建筑物、監(jiān)測儀器與主要水工缺陷空間相關(guān)性的有效查詢與定位,且成果信息未針對運維層、管理層和決策層各級人員職能進(jìn)行分級篩選與推送。

2 系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)路線

開發(fā)基于移動終端的水工巡檢系統(tǒng),全面提升水工巡檢作業(yè)的自動化和數(shù)字化水平；構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)庫,開發(fā)工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動匯集平臺,構(gòu)建有效兼容、統(tǒng)一存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)集中管控機制；研發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)安全閾值模型和異常測值評判規(guī)則準(zhǔn)則,對各測點每個測次測值進(jìn)行實時甄別與評判,達(dá)到與實時采集相匹配的數(shù)據(jù)分析與評判能力；在此基礎(chǔ)上,結(jié)合各類工程安全評價模型、評價方法、以及安全評價的輔助信息,研發(fā)基于實測數(shù)據(jù)的工程工況安全綜合評價模型和預(yù)警指標(biāo)體系,為電站運行提供決策支持；構(gòu)建基于BIM三維模型的大壩安全監(jiān)測可視化平臺和門戶發(fā)布系統(tǒng),實現(xiàn)監(jiān)測測點及其測值數(shù)據(jù)的查詢,實現(xiàn)綜合安全分析與評價信息、分級預(yù)警提供三維可視化展示與分級發(fā)布報送。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)水工巡檢信息一體化采集管理技術(shù)。結(jié)合工程實際與業(yè)務(wù)流程,將水工巡檢作業(yè)按工程部位進(jìn)行任務(wù)分組化,按巡檢路線進(jìn)行業(yè)務(wù)定制化,按工作內(nèi)容進(jìn)行流程通用化,按缺陷類型進(jìn)行對象分類化,在標(biāo)準(zhǔn)化巡檢業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上,研究支持多終端的信息采集、PC端與移動終端數(shù)據(jù)雙向同步,以及巡檢信息高效管理方法。

(2)多源異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成技術(shù)。結(jié)合各類工程安全監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同演化與異構(gòu)信息融合需求,以提供各類監(jiān)測成果數(shù)據(jù)管理、匯集、共享、訪問的數(shù)據(jù)中心服務(wù)功能為目標(biāo),研究網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜軟件系統(tǒng)的粒度分解及匹配軟件粒度的數(shù)據(jù)抽取與傳輸控制技術(shù)、面向服務(wù)的松耦合計算模型、統(tǒng)一的靈活的服務(wù)協(xié)同機制、多源異構(gòu)信息融合方法庫與模型庫,實時集成管理、綜合分析與共享發(fā)布技術(shù)。

(3)測值動態(tài)異常評判自適應(yīng)模型。以小灣特高拱壩為技術(shù)突破,分析力學(xué)結(jié)構(gòu)計算、自適應(yīng)統(tǒng)計模型、動態(tài)特征值、多點時空計算、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限值、工程綜合類比等方法對于不同儀器類型和工程部位測點的適用性與準(zhǔn)確性,研發(fā)對應(yīng)水位的關(guān)鍵測點安全閾值,建立動態(tài)監(jiān)測測點異常評判模型,提出測點異常測值的快速甄別、跟蹤復(fù)核、動態(tài)評判系統(tǒng)機制與方法。

圖1 工程安全分析與決策支持系統(tǒng)總體框架

(4)大壩工況綜合分析與分級預(yù)警模式。從水工建筑物宏觀地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)性狀和承受荷載特點和周邊環(huán)境出發(fā),通過巡視檢查和安全監(jiān)測體系監(jiān)控獲取的準(zhǔn)確監(jiān)測信息,開展建筑物多源監(jiān)測信息和其它相關(guān)信息安全評價,研發(fā)一套切實可行的水工建構(gòu)筑物的工況綜合評判指標(biāo)和預(yù)警發(fā)布方案。

(5)基于BIM的水電三維可視化虛擬現(xiàn)實技術(shù)。構(gòu)建可連接水工建筑全生命期各階段數(shù)據(jù)、過程和資源的小灣電站水工建筑、儀器測點三維精細(xì)化BIM模型,關(guān)聯(lián)映射相關(guān)屬性及巡檢監(jiān)測數(shù)據(jù),通過空間插值算法網(wǎng)格化離散監(jiān)測數(shù)據(jù),動態(tài)展示水工建筑實際物理工況,構(gòu)建分級加載模型,確保系統(tǒng)運行輕量化。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

結(jié)合系統(tǒng)技術(shù)路線與功能實現(xiàn),在統(tǒng)籌架構(gòu)的交互操作性、擴展性、穩(wěn)定性、移植性和安全性等基礎(chǔ)上,將系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)自下而上劃分為如圖1所示的層次,并以保障機制貫穿系統(tǒng)整體。①信息采集層。由各系統(tǒng)定期采集監(jiān)測、巡檢數(shù)據(jù),經(jīng)計算整編后轉(zhuǎn)換為監(jiān)測成果數(shù)據(jù),通過監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺,對多源平臺的歷次成果數(shù)據(jù)進(jìn)行實時匯聚。②數(shù)據(jù)資源層。由成果數(shù)據(jù)庫、分析方法庫、CAE仿真庫、三維模型庫來提供對所有安全監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)的規(guī)范化統(tǒng)一管理及相應(yīng)工具,為各類應(yīng)用服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐與共享。③應(yīng)用支撐層。包括公共基礎(chǔ)、應(yīng)用支撐和資源服務(wù)管理,負(fù)責(zé)向上層各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供公共統(tǒng)一的運行環(huán)境和主體支撐框架,將抽取出的各子系統(tǒng)功能模塊服務(wù)化,形成松耦合的服務(wù)群。④業(yè)務(wù)應(yīng)用層。由安全監(jiān)測信息查詢、安全綜合評價與預(yù)警、信息分級發(fā)布系統(tǒng)等多個業(yè)務(wù)應(yīng)用組成,其核心是以工程安全分析方法庫為基礎(chǔ)的決策支持技術(shù),為水工運維提供服務(wù)和支持。⑤應(yīng)用展示層。通過內(nèi)網(wǎng)門戶為電站各級運管層提供統(tǒng)一的訪問和應(yīng)用界面,通過BIM三維模型實現(xiàn)工程安全監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分級預(yù)警信息等的集中發(fā)布、共享與展示。⑥運行環(huán)境。包括機房、通信和計算機網(wǎng)絡(luò)、計算資源、存儲資源、安全設(shè)施、公用軟件平臺等系統(tǒng)運行所需的所有軟、硬件環(huán)境。⑦保障設(shè)施。包括標(biāo)準(zhǔn)體系、建設(shè)運行管理、安全管控和開發(fā)運行團隊等保障系統(tǒng)建設(shè)和運行所需投入的非技術(shù)類設(shè)施。

圖2 水工巡檢系統(tǒng)移動端及信息管理平臺示意

3.2 功能實現(xiàn)

(1)水工巡檢信息高效采集。水工巡檢子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)信息采集層的重要組成部分,在業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上,通過手持移動終端代替紙質(zhì)表格、手持光源、攝像設(shè)備、測距儀器等工具,實現(xiàn)缺陷描述信息的現(xiàn)場快速采集,見圖2。巡檢數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC端信息管理平臺,實現(xiàn)巡檢流程、缺陷信息及消缺處理的統(tǒng)一存儲和管理,見圖3。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺示意

(2)工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動匯集與存儲。監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺是信息采集層與數(shù)據(jù)資源層的連接橋梁,在自動化系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)采集入庫后,通過定期自動訪問各自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,將當(dāng)期監(jiān)測成果數(shù)據(jù)實時遷移至成果數(shù)據(jù)庫,并同時整合歷史人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時水雨情、工程檔案、三維設(shè)計模型等數(shù)據(jù)資源,構(gòu)建數(shù)據(jù)集成平臺,合理存儲和管理各種數(shù)據(jù)源,為應(yīng)用服務(wù)層提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)共享和綜合分析基礎(chǔ)支撐。

(3)測點安全閾值評判與建筑物綜合分析分級預(yù)警。測點安全閾值評判與建筑物綜合分析分級預(yù)警是應(yīng)用支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層的核心功能,首先通過數(shù)據(jù)質(zhì)量管控,實現(xiàn)對測量因素(儀器故障、人工錯誤、環(huán)境誤差)引起的突變異常測值有效處理,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)完整性、一致性、準(zhǔn)確性；然后研究分析分析力學(xué)結(jié)構(gòu)計算、自適應(yīng)統(tǒng)計模型、動態(tài)特征值、多點時空計算、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限值、工程綜合類比等方法對于不同儀器類型和工程部位測點的適用性與準(zhǔn)確性,建立不同水位條件下的測點安全閾值,實現(xiàn)對由工程因素引發(fā)的測點異常測值的快速甄別、跟蹤復(fù)核、動態(tài)評判；最后按照監(jiān)測測點、監(jiān)測項目、建筑物局部乃至整體的逐級遞進(jìn)原則,通過結(jié)合工程實際和工程經(jīng)驗的分級監(jiān)測項目權(quán)重賦值,與巡檢成果綜合比對建立建筑物監(jiān)測安全分級綜合評價模型,實現(xiàn)對建筑物運行工況的實時評價與發(fā)展趨勢的有效預(yù)測。

(4)基于BIM的安全評價可視化展示。基于工程安全監(jiān)測系統(tǒng)及其成果數(shù)據(jù)的BIM三維模型是應(yīng)用展示層的關(guān)鍵功能,按照業(yè)務(wù)應(yīng)用的工作流程、工程計算模型庫、評判規(guī)則庫、仿真計算庫,建立水工建筑物、內(nèi)外觀監(jiān)測儀器、物探檢查孔等BIM模型,實現(xiàn)工程各部位、安全監(jiān)測設(shè)施、巡檢重要缺陷物理外形和空間位置的全真三維展示,監(jiān)測成果數(shù)據(jù)查詢、檢索、定位,為各類安全監(jiān)測信息與分級預(yù)警信息提供表格、圖線、三維模型等多種可視化展示,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常反饋信息用戶定制在三維模型中規(guī)劃定制最佳巡檢路線。大壩壩體安全監(jiān)測可視化模型如圖4所示。

圖4 安全監(jiān)測測點可視化與大壩壩體變形三維可視化云圖示意

(5)工程綜合業(yè)務(wù)信息門戶及安全信息分級發(fā)布。工程綜合業(yè)務(wù)信息門戶(如圖5所示)處于直面用戶的應(yīng)用展示層,為業(yè)務(wù)應(yīng)用層至信息采集層各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一訪問接口,在該門戶中實現(xiàn)基礎(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境、用戶管理、用戶認(rèn)證、菜單管理等通用系統(tǒng)功能,實現(xiàn)了從建設(shè)期人工監(jiān)測系統(tǒng)等單機版數(shù)據(jù)存儲平臺到南瑞DIMI4.0、GNSS系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)的實時訪問和遠(yuǎn)程控制。同時結(jié)合水電廠工程安全管控業(yè)務(wù)流程與制度定制了的工程安全綜合信息分級發(fā)布與推送機制,集成展示業(yè)務(wù)應(yīng)用層各系統(tǒng)分析統(tǒng)計得出的成果信息,為電站運維層、管理層、決策層等多級用戶提供分層次、多形式的安全監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)流程信息和工程安全綜合評判信息,對電站運行維護(hù)管理各級業(yè)務(wù)決策提供全過程和全方位支持。

圖5 工程綜合業(yè)務(wù)信息門戶

4 結(jié) 語

小灣水電站工程分析與決策支持系統(tǒng)研發(fā)過程中,充分依托國家“十二五”科技支撐計劃課題開展具探索性、創(chuàng)新性的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究,同時也緊密契合企業(yè)實際需求,從破解生產(chǎn)管理技術(shù)難題,滿足一線工程技術(shù)人員實用出發(fā),開展科技研究到系統(tǒng)應(yīng)用一步轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)研發(fā)工作。目前,系統(tǒng)所轄的水工巡檢子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺、大壩安全監(jiān)測三維可視化管理系統(tǒng)已投入實際運行,切實轉(zhuǎn)變了小灣水電站現(xiàn)場水工安全工作模式,全面提升了一線水工運維效率；監(jiān)測測點安全閾值分析評判子系統(tǒng)、水工建筑物綜合分析與分級預(yù)警子系統(tǒng)、工程綜合業(yè)務(wù)信息門戶已進(jìn)入線上試運行階段,在持續(xù)完善與改進(jìn)后,將全面服務(wù)于小灣電站的水工運維管理。

隨著瀾滄江流域水電開發(fā)的持續(xù)推進(jìn),大規(guī)模梯級水電庫群逐漸形成,對以大壩為代表的水電站水工建筑物安全管理和風(fēng)險防控提出了更高要求。為適應(yīng)新形勢要求,以信息化和智能化技術(shù)為先導(dǎo),深化現(xiàn)有大壩安全監(jiān)測與管控模式,將以采集存儲、計算整編為主的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)提升為以高效匯集、實時甄別、動態(tài)分析、綜合評判的工程分析與決策支持系統(tǒng),在安全監(jiān)測數(shù)據(jù)實時處理和動態(tài)分析功能上有所強化,在水工建筑物運行工況綜合評判和水電站安全管理決策支持方面邁進(jìn)一步,將為構(gòu)建流域級工程安全分析與決策支持系統(tǒng),保障梯級水電庫群安全穩(wěn)定運行發(fā)揮切實地技術(shù)支撐作用。

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(責(zé)任編輯 王 琪)

Research and Construction of Engineering Safety Analysis and Decision-making Support System for Xiaowan Hydropower Station

YI Kui1, CHEN Hao1,2, ZHAO Zhiyong2,3, MAO Yingchi4

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. College of Water Conservancy and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;3. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China;4. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The automatic safety monitoring system in Xiaowan Hydropower Station can automatically collect and storage monitoring data, which provide a long-series station operation data. For solving the problems of monitoring system operation, the engineering safety analysis and decision-making support system of Xiaowan Hydropower Station is optimized. The development background, key technologies, system architecture and function achievement of the system are introduced herein, which will provide a reference and demonstration for improving hydraulic structure safety evaluation and abnormal condition early warning capacity of hydropower project during operation period．

engineering safety monitoring; safety analysis; data processing; Xiaowan Hydropower Station

2016- 05- 26

國家科技支撐計劃課題(2013BAB06B04)；云南省聯(lián)合支持國家計劃(2014GA007)

易魁(1967—),男,貴州貴陽人,高級工程師,主要從事水電科技研發(fā)工作．

X524(274)

A

0559- 9342(2017)03- 0123- 05