南水北調中線工程安全監測預警機制研究

范 哲 ，黎利兵 ，商玉潔

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

水工建筑物任何潛在的破壞形式都可能造成災難，對人們的生命和財產造成巨大損失，因此水工建筑物的工程安全問題一直備受關注。為了確保水工建筑物的安全，并對異常現象進行實時預警，在水工建筑物中安裝和埋設大量的傳感器并形成安全監測系統，用來監測大型水壩靜、動態行為［1］。針對這些水工建筑物，開發和部署了各種監測和安全評價系統，以自動監測建筑物的狀態，實時捕捉異常狀態并發出警報。目前，水庫大壩的安全管理體制、法律法規已較為規范和成熟，監測預警系統開發也較為完善。20世紀80年代初，意大利針對混凝土壩制定MAMS（微機監測系統），實現數據的自動采集和在線監測；90年代又相繼開發了INDACO［2］，MISTRAL［3］和 DAMSAFE［4］，將人工智能應用于大壩安全管理，使之在大壩安全監測領域發揮主導作用。法國政府自1959年馬爾帕薩（Malpas?set）混凝土拱壩發生坍塌事故起就高度重視大壩安全。至今為止，由法國電力公司開發的大壩安全監測系統已監測了150多座大壩的測量數據。我國國內水庫大壩也相繼安裝了大壩安全監測系統，并針對大壩安全監測系統的自動化和智能化進行了相關研究，以達到對大壩結構發生異常實時預警的目的。隨著計算機科學與網絡通信技術在大壩安全監測中的迅速發展，越來越多的理論和人工智能方法在大壩安全管理中得到應用。為實現自動化安全評價，大壩安全綜合評價系統中采用了專家評估法［5］、綜合法［6］、模糊綜合法［7］及模式識別［8］等理論和方法。然而，這些方法在大壩安全監測系統中并未得到廣泛地應用。建筑物報警系統也應適應時代要求逐漸智能化，以便準確掌握大壩運行性態，及時處理異常情況。本研究借鑒大壩安全預警系統模型和預警標準，結合南水北調中線工程特點，開發了南水北調中線工程可視化智能預警系統，通過基于監測數據的離線分析和在線分析兩種手段提出監測預警的評價體系，對監測系統和建筑物的安全進行實時監控，為及時發現結構異常并采取補救措施、降低結構失事風險提供技術支撐服務。目前，該系統已應用于南水北調中線工程安全監測，其預警體系與預警模型的建立將為我國類似的引調水工程安全監測提供有益的參考或借鑒。

2 工程安全評價及報警

建筑物的安全性取決于測點的測量情況和檢驗結果，即定性分析和定量分析。定性分析是對研究對象進行歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括。定量分析是從數量和變化趨勢兩方面對數據進行評價。建立統計模型后，利用時效分量對數據的變化趨勢進行檢驗。DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監測技術規范》［9］和大壩的數據分析中都要求確定監控指標。監控指標是指不同時段監測量的安全邊界值，對大壩的安全管理起到了重要的作用。該系統在項目的不同時段以設計指標、模型指標和特征指標作為監控指標。設計指標是由設計單位提供的每一項監測量的設計值，是一個先驗標準。模型指標是從統計回歸模型得到的統計值。特征指標是在一個特定的時間段內測值的最大值或最小值。在實際操作過程中，模型指標和特征指標一直在變化，作為后驗標準。通常根據實際情況，特別是運行初期，測點無法提出有效的設計指標，或者設計指標與實際情況不符時，可采用模型指標進行判別。統計模型的準確性決定了模型指標的可靠性，因此需要考慮多種環境量因子和影響統計模型的因素。總之，確定監控指標是定量分析的基礎、是進行安全評價的關鍵步驟。定性分析主要依據監測結果、建筑物特點和工程師經驗。根據工程安全是否受到影響，定性分析的結果分為正常狀態和不正常狀態兩種。建筑物的安全評價是定量分析與定性分析的結合。

2.1 測點狀態評價等級

首先針對單個測點的狀態展開評價。排除測量錯誤數據或粗差后，擬將測點狀態評價等級分為A、B、C、D、E，如表1所示。其中，等級A表示測點狀態良好，測值在監控指標范圍內；等級B和C表示測值超界，不在監控指標范圍內；等級D和E表示數據變化趨勢異常，時效分量呈現加速發展的趨勢，需加以重視。測點綜合評價流程見圖1。

表1 測點狀態評價

圖1 測點綜合評價流程

2.2 建筑物安全評價及報警

在測點安全評價的基礎上，對建筑物的安全評價進行分類。評價等級數量劃分的多少，是一個涉及到評價目的、已有方法或相應規范、實踐經驗、人類心理活動與認知能力等多方面因素的問題。然而，對評價指標特性和最終評價目標的評價等級數量劃分目前尚無規范可循。若評價等級數量劃分的過少，將失于粗略，難以全面真實地反映評價對象的工作狀態；若評價等級數量劃分得過多，將過于繁瑣，加大評價等級之間界限的確定難度和計算工作量。因此，本文借鑒美國墾務局對大壩安全評價和風險管理辦法，并基于實際工程提出了建筑物的安全綜合評價方法。

為了及時發現異常并報警，建筑物的評價等級可分為以下4個等級（見表2），分別以綠、藍、黃、橙4種不同顏色表示。其中，綠色代表各因素測量數據都在模型指標和監控指標范圍內，建筑物運行正常，巡視檢查未發現異常；黃色代表各因素測量數據出現超過模型指標的情況，但設計指標和監控指標未超界，建筑物的運行基本正常，巡視檢查未發現異常；橙色代表各因素測量數據出現異常測點，或者是在巡視檢查中發現異常，結構可能存在一定的破壞；紅色代表建筑物存在嚴重的安全問題。若確定了建筑物的狀態，則在地圖界面上顯示對應的顏色。圖2中所有的水工建筑物被標為綠色，說明建筑物都處于正常狀態。右上角的文本顯示了每種建筑物的監測分析結果。報警系統流程狀態見圖3。

表2 建筑物安全評價等級及判斷依據

圖2 工程安全監測系統操作界面

圖3 報警流程狀態

3 監測系統評價及報警

3.1 測點數據和監測系統評價

監測系統異常導致測量數據不可用，因此，首先應對監測系統進行評價，再對測量數據的狀態進行評價。監測系統的評價是基于現場調查和長期觀測精度測試與實測數據分析的檢查結果。將測點數據分為A、B、C三級，見表3。只有等級A或等級B的數據才能用于進一步分析。

表3 測點數據的評價等級

為避免安全監測系統綜合評價等級數量劃分得過多，導致判斷、處理測點數據過于繁瑣，使報警頻繁和管理難度增加，結合南水北調工程實際情況，系統采用的監測系統評價等級見表4。

表4 監測系統的評價等級

3.2 在線和離線綜合評價及報警

綜合分析評價根據啟動方式不同可分為在線綜合評價和離線綜合評價。在線綜合分析評價是一個服務器后臺的程序，沒有操作界面，客戶端可以對其進行啟動、停止、設置運行頻率等。在線綜合分析評價模塊主要分為以下4個部分：

（1）單點各類標準檢查和單點信息定量化。系統采用3種標準作為單個測點的檢查標準：①模型標準，以統計模型為主。②速率（包括加速度）標準。③監控標準，包括設計標準和重癥標準。各類標準檢查完成以后，定量確定單點的狀態，并將測點的各項檢查結果進行保存。

（2）在單點定量化的基礎上，結合建筑物巡視檢查結果進行綜合分析評價，完成對建筑物安全狀態的綜合評估。

（3）系統根據異常程度，自動發出相應級別的報警，作為輔助決策的依據。

（4）系統自動輸出兩類檢查信息。一類為單個測點檢查結果，并對異常測點進行匯總；另一類為按建筑物所得安全評價結果，對安全狀態等級進行標識。用戶可通過在線綜合分析推理結果顯示界面了解在線檢查結果。

離線綜合分析系統主要是為分析人員提供綜合分析的集合環境及有效支持。用戶可以通過檢查圖標來進行離線綜合分析，圖標包括任何時段的測量時間圖、相關圖、分布圖及特征值。設置不同類型的指標，如最小速率、最小加速度。點擊離線綜合推理圖標，系統將自動顯示離線綜合分析結果。單點信息定量化同樣適用于離線綜合分析。建立模塊的方法很多，可用于進一步分析。該模塊對特定的分析模式進行調整，并將評價過程設置為在線分析。一旦建筑物發生異常，操作員可以根據最新的分析結果發出警報。

綜合建筑物安全評價等級和監測系統評價等級，在建筑物安全或者監測系統出現異常時，分別發出4級報警，見表5。報警器的報警流程包括報警接收、報警處理和報警排除。報警排除可通過自動和手動兩種方式來實現。

表5 報警級別分類

4 結論

（1）本文闡述了長距離調水工程安全評價與預警的方法，提出了工程安全與監測系統預警的分級準則，結合在線分析和離線分析方法確定了南水北調中線工程安全監測的預警機制，通過建立工程安全監測預警系統為南水北調中線干線工程的安全保駕護航。

（2）目前，安全監測預警系統能夠基本保障工程的安全運行，可以對工程或系統出現的異常狀況進行實時報警。但長距離調水工程建筑物的狀態在施工階段、早期運行階段和長期運行階段都有很大的不同，應根據工程不同階段分別制定相應的監控指標。同時，監控模型的設計指標應確保與實際工況相對應，模型指標和特征值指標需有3～5 a以上歷史監測數據，使監控模型在不斷調整后仍滿足精度要求。

（3）在線和離線綜合分析推理過程需結合建筑物具體失效模式或失效路徑進行深入研究。此外，在單點定量分析基礎上，定量分析巡視檢查結果并實現二者的有效結合也是下一步研究工作的重點。