庫壩群全生命周期安全質量綜合管控系統設計

張 嵐，凌 騏

［南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 211000］

0 引言

水庫大壩作為水電開發的重要舉措，能夠促進環境友好的、對社會負責的和經濟可行的水電發展。不同于一般的土木建筑物，庫壩建筑物自勘探設計到施工完建，經歷不確定因素較多、建造技術復雜、歷時長環節多，竣工運行后受荷載長期作用和惡劣環境因素影響，結構物逐漸老化，存在可能發生事故的風險[1]。為降低或消除庫壩生命周期中的各類風險，確保其安全和質量，要通過自動化、數字化、信息化等技術手段全面感知庫壩施工質量和不同階段運行性態，積極采用云計算、大數據、人工智能等新興技術識別可能存在的安全隱患和風險，實現庫壩全生命周期的安全質量綜合管控。

近年來，國內大型流域公司、集團公司相繼組建了庫壩管理專業機構，由主管單位專業管理機構來承擔運行單位的部分或全部庫壩安全管理責任，推動庫壩管理由分散獨立運行模式向統一集中管控模式轉變[2-3]。庫壩群全生命周期安全質量綜合管控系統（簡稱系統），適應了行業發展的形勢和方向，通過統籌庫壩群資源、規范業務流程、共享多源信息，對大壩及庫區自然系統和人工系統進行更加及時、科學、全面的安全分析評估，加強庫壩安全質量風險控制，為突發事件應急處置提供遠程會商平臺與技術支撐，基于集約化管理、精細化運行切實提升庫壩群安全質量管理水平，促進工程與自然的和諧共處和持續發展[4-6]。

1 系統建設目標

建設庫壩群綜合管控數據中心。打通主管機構與各工程運行管理單位的信息采集和共享通道，實現安全質量相關信息資源的集中存儲、共享訪問和有效利用，為開展統一集中管理提供基礎保障和支撐。

實現監督管理行為數字化。主管機構可通過遠程監管和現場檢查相結合的方式監管所轄庫壩群，以信息化手段作為支持平臺，建立程序化的標準業務流程和多維度的指標考核體系，優化配置流域性資源，將遠程管理作為常規工作方式，提高監管效率和水平。

在線監控庫壩群安全質量。實時監測和反饋控制大壩填筑碾壓質量、施工進度和結構物運行性態，智能分析與評估施工作業正確性及大壩安全狀態，識別可能存在的安全隱患和風險，為日常管理和科學決策提供有力的信息服務支持。

2 系統總體設計

系統按照“四個一、兩張網”進行設計，即遵循一套技術標準、共用一個硬件基礎，借助物聯網和互聯網兩張網，建設一個數據中心，搭建一個綜合的軟件應用平臺。從時間維度來看，系統不再將施工期和運行期的信息區分管理，而是在時間上形成一個完整的信息鏈；從空間維度看，系統將不同對象不同類型的信息統一集中管理，消除信息孤島，實現（跨）流域數據信息共享。在此基礎上綜合分析評估施工質量和結構物安全性態，找出可能存在的安全隱患，為庫壩群安全質量管控提供決策支撐。

系統的管理對象包括水庫及河道堤岸等結構物、壩群及地下洞室等水工建筑物、庫區泥石流等地質災害體、庫區交通建筑物以及水工隧洞和渠系建筑物等。系統用戶主要覆蓋庫壩群各級管理單位和部門、庫壩運行管理單位，面向提供輔助決策的專家用戶，系統將提供專家咨詢和會商環境，提供信息瀏覽、資料查詢、意見反饋等功能。

圖1是系統的架構示意圖。在統一的技術標準和信息安全機制的支撐下，現地層利用各類傳感器、攝像頭、無人機、無人船等設備獲取數據，并將與工程質量安全相關的信息送往數據層，然后通過服務層提供數據交互、報表、圖形、報警、日志等通用服務，應用層利用下層獲取的數據和服務，向用戶提供各類應用，如全景監控、監測預警、應急響應等。整個系統采用開放性的架構，新的服務和應用都可以根據需要進行擴充。

圖1 系統架構示意圖Figure 1 Structural frame of dam groups integrated management and control system

3 系統主要功能

3.1 基礎信息管理

基礎信息包括與庫壩安全質量管理相關的建筑物信息、日常監測信息和運行管理信息三大類，其中建筑物信息包括工程特性、氣象水文、工程地質、設計施工圖紙及文檔等；日常監測信息包括各類監測數據、視頻圖像資料、巡檢信息、定期整編及各類專題分析報告；運行管理信息包括管理規程、標準規范、安全檢查情況、缺陷處理、補強加固以及從事安全管理的人員信息等。

針對上述基礎信息，主要功能包括：

3.1.1 可視化瀏覽

基于WebGIS服務全面系統地展示庫壩群的地理位置和基本信息，實時顯示重要監測數據（如庫前水位、入庫流量等），通過點擊地圖熱點可直接切換至單個庫壩。借助三維可視化模型，全景展示單個庫壩的安全監測系統及結構物的安全運行狀態，實時反饋各類物理量變化規律，定位疑似異常部位，通過統一的三維模型使管理人員對各類空間信息正確理解和快速反應，全過程多維度監控庫壩群安全質量，保障工程長期安全穩定。

3.1.2 查詢統計

系統提供可組態的查詢統計功能，針對庫壩群基礎信息，用戶可靈活組態查詢準則，如：統計當前已進入汛期的大型工程多少個、數據缺失率異常的重力壩多少座等，具體可根據現場需求擴展信息查詢統計的標準。

3.1.3 輸入輸出

系統提供圖表交互的方式，支持錄入并修改基礎信息，支持圖形、表格及文檔等資料的JPG、BMP、Excel、Word、PDF等格式輸出。

3.2 施工質量管理

基于監測感應、GIS、GNSS、物聯網通信、移動終端等多種技術，系統在線監測和反饋控制大壩填筑碾壓質量、施工進度和結構物安全狀態，智能分析與評估施工作業正確性并給出報警，并結合人工干預糾正不合規行為，確保施工質量和安全始終處于受控狀態。

利用定位技術和施工車輛車載監測裝置，可以實時監控大壩填筑施工和壩料運輸、卸料過程，系統通過監測統計各項關鍵施工工序的質量控制參數，檢查校準施工作業的正確性和完備性，一旦發現不合規行為，將關聯終端PC和手持PDA設備立即報警，從而實現大壩施工的精細化管理、確保工程質量[7]。

3.3 工程安全評估

3.3.1 庫區安全評估

針對庫區安全管理，可采用巡視檢查、無線定點探頭、無人機巡視、無人船檢測等手段形成“水陸空”全方位的安全監測體系。

通過建立規范化的作業流程，系統對庫岸邊坡穩定、庫區周邊、水面生態等項目進行實時監控和巡查管理，支持上傳、下載、查詢巡視檢查結果，包含文檔、影像信息。同時系統可與泄水建筑物運行管理系統形成聯動機制，在開閘泄洪前，提示開啟警戒廣播或鳴警，提醒上、下游挖沙船、漁船等船只、人員離開保護區。

系統積極應用人工智能技術，實現庫區靜動態監測圖像的智能篩查識別，定位可能存在病害的圖像，為庫區日常安全管理提供科學指導，降低事故風險。

3.3.2 大壩安全評估

智能分析管理大壩安全監測數據。針對各庫壩報送的監測數據，系統應用大數據挖掘分析技術，從海量數據中提取出有效信息，最大限度地削弱監測誤差對大壩安全分析評估帶來的不利影響。基于提取結果，能夠智能生成管理簡報，對各電站數據報送質量予以統計考評，并通過餅圖、柱形圖、過程線、報表等多種組合形式對數據質量進行全方位多角度展示。監測數據異常的電站，系統將自動推送報警信息、故障預警；同時自動觸發數據異常事件流，電站指定聯系人反饋異常處理結果后，事件流方形成閉環結束，系統將定期整理通報事件流辦理狀況。

實時監控重點工程關鍵部位關鍵監測項目。為了及時掌控各庫壩的安全運行性態，可考慮對重要大壩的重要監測量建立監控模型，系統實時監控對大壩安全具有控制意義的監測測點情況，一旦測值超限，將自動推送告警信息，并啟動監控異常事件流，事件流的流程可根據管理制度來個性化定制，確保重點工程關鍵性測點在線評判、實時監控。

智能分析評估大壩安全狀況。系統將建立數據驅動的大壩運行性態與安全狀態的映射關系及分析模型，通過持續訓練和學習不斷優化完善關系模型，智能評估大壩當下的安全狀態，識別可能存在的安全隱患和薄弱區域，并實現異常定位告警、根本原因分析和風險預測，全面提升大壩安全診斷的準確性、可靠性和實時性[8]。

3.4 地質災害監測預警

系統對庫區崩塌、滑坡、泥石流三類地質災害體進行監測采集、數據處理、分析展示、預測預報及信息發布，通過對監測數據的自動分析判斷，構建數學預測模型和預設監控值對地質災害進行風險評估，實時掌握監測對象的健康狀態，為及時防范、處置地質災害和應急管理提供決策輔助和技術支撐[9]。

3.5 安全監管考評

系統提供庫區安全監管指標創建、統計及管理的功能，用于評價各庫壩運行管理單位監測數據采集、管理及巡檢、維護等各項工作開展情況[10]。根據主管單位專業管理機構要求，系統可預先設定一系列指標，定期結合考核時段內的數據情況自動計算指標結果，并給出綜合評分，主管機構可依據各單位評分情況，對其安全管理工作進行考評和指導，從而促進大壩安全管理水平的提升。

督促各電站開展大壩安全定期檢查和鑒定工作。針對辦理過注冊登記、定檢或備案的大壩，綜合工程現狀，系統按現行法規要求，自動擬定年度安全檢查工作計劃，督促各電站按期完成各項安全檢查工作，并可對當前辦理情況進行瀏覽查閱。

3.6 設備設施全生命周期管理

系統實施全生命周期的庫壩建筑物及其附屬安全監測設施信息管理。針對庫壩結構本身，建立全生命周期的隱患、缺陷臺賬，記錄施工期、試運行期及運行期不同階段的結構隱患缺陷及其處置措施、處置結果；建立工程安全監測設備設施臺賬，涵蓋安全監測傳感器、數據采集裝置、通信裝置、計算機軟硬件等各類對象，臺賬信息包括設備的基本信息、圖形圖像、歷史維護記錄、歸屬人員等。以設備設施及其維護管理為目標，實現水工設備設施維護信息的實時查詢和管理。

3.7 應急響應

系統可查詢各庫壩運行單位事先制定的防臺、防汛、防地質災害、堤壩潰口險情等方面的應急搶險預案。當工程安全性狀、水質狀況、氣象水文條件等出現超限險情或異常時，由現地系統觸發報警，提醒用戶當前所需要重點關注的工程，并給出相應的應急預案響應等級與響應措施。系統提供應急預案流程化工具，可自動執行應急預案流程。

3.8 移動應用

移動應用主要面向手機和平板電腦用戶，為用戶提供當前系統運行情況、重要即時信息、文檔資料、監測數據圖表的瀏覽查詢，同時能夠綜合GPS定位技術、4G/3G/GPRS/WiFi網絡傳輸、云數據處理等技術，用戶可利用移動應用對區域內的指定地點、設備進行巡邏和檢查，實現智能巡檢。

4 結語

隨著科技水平及管理觀念的發展進步，國內越來越多的流域、梯級電站主管單位推行采取庫壩集中統一管控模式，庫壩群安全管理向著一體化、信息化、智能化方向發展。庫壩群全生命周期安全質量綜合管控系統引入全生命周期理念，綜合考慮施工期和運行期不同階段的業務需求和特點，應用流域化、集團化的優勢，一方面在線管控庫壩建設質量，另一方面綜合評估大壩、庫岸邊坡、地質災害體等結構及巖土體的安全性態，同時量化考評單個庫壩運行管理工作內容，利用技術手段和管理創新助推效能提升，推動庫壩群安全質量管理不斷創新。