工程安全綜合評價模型研究及數字孿生應用

牛廣利 胡雨新 胡蕾 李天旸 方豪文

摘要：工程安全綜合評價是實現工程安全“四預”的核心和關鍵，然而傳統方法存在著難以全面、可靠、實時獲取工程安全狀態的問題。結合數字孿生水利工程建設，開展工程安全綜合評價模型研究工作，提出了工程安全綜合評價的總體技術路線，通過構建工程安全綜合評價體系，制定了測點評判規則和逐級評判規則，通過融合安全監測數據、結構計算成果和巡視檢查信息，綜合判別工程安全運行性態；同時基于數字孿生平臺框架，集成開發了工程安全綜合評價功能模塊。目前，研究成果已在數字孿生丹江口工程中實現了初步應用，模型評價結果合理，功能集成方案可行，可為同類數字孿生水利工程建設提供參考。

關鍵詞：工程安全； 綜合評價模型； 數字孿生； 丹江口水利樞紐

中圖法分類號： TV39；TP319

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.031

0引 言

水利工程是國家重要的基礎設施，中國是世界上水庫大壩數量最多的國家，工程安全事關國計民生和公共安全，具有重要的戰略意義［1］。《“十四五”智慧水利建設規劃》中提出“推進傳統水利工程向新型水利基礎設施轉型，加快已建水利工程智能化改造，推進數字孿生水利工程建設，為水利工程安全高效運行提供有力保障”［2］。《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》（以下簡稱“導則”）中要求：數字孿生水利工程應以工程安全為核心目標，保證數字孿生體與物理體條件及其響應的同步和一致性，突出數字孿生體前瞻性預演作用；構建安全性態預測、安全風險預警、安全狀態預演、安全處置預案“四預”功能，實現工程安全智能分析預警，守住工程安全底線［3］。

目前，基于監測資料建立的單測點監控模型［4］或擬定的監控指標［5］，僅能體現特定部位或部分監測項目的安全性態及變化規律，難以反映工程整體安全性態；而依據規程規范開展的安全評價和安全鑒定工作［6］，又由于流程復雜、涉及面廣，往往歷時較長，難以發揮實時評價預警的作用。因此，如何綜合評價工程安全狀態，并與數字孿生應用實現有效集成，是實現工程安全“四預”亟需解決的關鍵技術問題。

本文結合數字孿生水利工程建設及工程安全運行需要，開展工程安全綜合評價模型研究，以求全面、可靠、實時地掌握工程安全狀態，為工程安全風險預警和安全狀態預演業務提供“算法”支撐，為工程調度運行提供決策支持。

1總體技術路線

數字孿生水利工程主要由信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用、網絡安全體系和保障體系構成［7］；其中，工程安全智能分析預警應用作為數字孿生水利工程建設中的核心業務應用之一，可有效提升工程安全運行保障水平與突發事件應急處置能力［8］。

基于數字孿生總體框架，針對工程結構特點、安全隱患與薄弱環節，開展工程安全綜合評價模型研究，構建工程安全綜合評價體系，制定測點級評判規則和逐級融合評判規則；基于安全監測數據，融合結構仿真計算、巡視檢查等多源多維度信息，在工程安全智能分析預警業務應用中實現工程安全運行狀態的綜合評價，支撐工程安全風險預警和安全狀態預演業務實現。

構建的工程安全綜合評價模型其總體技術路線如圖1所示。

（1） 收集工程資料。

收集工程設計、施工以及運行相關資料，尤其是安全監測布置、歷史監測數據、整編分析報告、專題研究報告等各類資料，并納入數字孿生知識庫進行統一管理。

（2） 分析監控重點。

針對工程結構特點，分析重點部位和薄弱環節，確保能夠全面反映大壩安全運行性態。

（3） 構建評價體系。

構建由監控對象、監控部位、監控項目和監控測點組成的工程安全綜合評價體系，體系覆蓋工程安全性態的重要監控內容和重點關注問題。

（4） 制定測點評判規則。

針對具體監控測點，建立測點級評判規則，將測點實測數據與預設的測點監控指標進行對比，判別實測數據是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點級安全性態。

（5） 制定逐級評判規則。

根據工程安全綜合評價體系結構，建立監控測點→監控項目→監控部位→監控對象的逐級評判規則，為綜合評判提供依據。

（6） 綜合評價計算。

基于工程安全綜合評價體系、測點評判規則、逐級評判規則，融合監測數據、仿真結果和巡檢結果，實現綜合評價計算，最終得到工程安全運行性態。

本文所構建的工程安全綜合評價模型，其主要目的是得到基于實際監測數據所反映的大壩安全運行性態，便于運行管理人員及時發現監測異常現象，并及時針對性地開展專項分析和現場核查，必要時可啟動會商研判機制，確定進一步處置措施。

2評價體系建立

工程安全評價體系作為綜合評價模型的基礎，應根據工程結構特點、監測項目布置以及實際運行情況分析確定，充分體現安全監測儀器設施作為工程安全的“耳目”作用［9］，并覆蓋重點監控內容，反映重點關注的工程安全問題。

工程安全評價體系一般可劃分為工程安全狀態層、監控對象層、監控部位層、監控項目層和監控測點層共計5個層級。其中，最頂層為最終得到的工程安全狀態，最底層為具體的監測儀器設施，上下層之間具有關聯隸屬關系，形成一個多層遞階的體系結構。

通用化工程安全綜合評價體系見表1，具體工程可參照并經針對性修改后確定。

3評判規則制定

評判規則是工程安全綜合評價模型的核心，包括測點評判規則和逐級評判規則。通過確定評判規則，實現監控測點→監控項目→監控部位→監控對象逐級安全狀態的定量化度量，得到工程安全運行性態結果。

3.1測點評判規則

監控測點層作為工程安全評價體系的最底層，具體測點的評判結果是綜合評價模型的基礎數據。通過制定明確的測點評判規則，擬定測點安全監控指標［10］，判別測點實測值是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點級安全性態。

測點評判規則主要包括固定限值評判規則、特征值評判規則和監控模型評判規則。

（1） 固定限值評判規則。固定限值監控指標一般根據規范標準、設計成果、儀器量程范圍等進行確定，也可以通過典型小概率法、結構仿真等方法計算得出；固定限值包括測值上限、測值下限或測值區間，可針對測值的絕對值、變化量、變化速率分別設置固定限值。

（2） 特征值評判規則。將測點監測物理量的統計特征值、特定工況測值作為特征值監控指標，如歷史最大值、近3 a最大值、歷史最高水位工況下的實測值等。

（3） 監控模型評判規則。針對測點監測物理量建立數理統計模型，定量分析測值的歷史變化規律，解析其水壓分量、溫度分量和時效分量組成，并采用置信區間法確定監控指標。

根據測點監測物理量偏離安全監控指標的絕對值或者百分比，定量評估測值的異常程度，可將測點級安全狀態劃分為正常、輕微異常、一般異常和嚴重異常4個等級，具體定量評價規則可根據實際工程情況進行調整。

3.2逐級評判規則

在測點評判的基礎上，制定逐級評判規則，實現監控測點→監控項目→監控部位→監控對象的逐級融合評判，以及逐級安全狀態的定量化度量，最終得到工程安全運行性態結果。

逐級評判具體可采用加權評分、綜合推理等評判規則。

（1） 加權評分評判規則。可采用主觀賦權法或客觀賦權法［11］確定監控體系中各個監控對象、監控部位、監控項目和監控測點的權重；根據各監控測點的安全評判結果，計算監控測點層評分；根據各層監控體系權重，逐級向上計算各個評價指標的加權評分，最終得到工程安全狀態的綜合評分，從而確定工程安全狀態等級。

（2） 綜合推理評判規則。通過與、非、或3種邏輯運算符號，建立綜合評價體系中各個層級之間的評判規則表達式，采用規則推理的方法［12］，利用下一層的安全狀態推理得到上一層的安全狀態，并將巡視檢查信息、結構安全計算結果納入評價體系，實現多源信息融合的綜合推理評判。

另外，還可引入云模型、D-S證據理論等方法，充分考慮綜合安全評價的不確定性，通過計算工程安全狀態的概率分布，克服安全狀態等級之間的模糊性和隨機性問題，從而降低綜合安全評判的主觀性影響［13-14］。

4數字孿生應用實現

基于工程安全綜合評價模型算法邏輯和評價流程，遵循數字孿生水利工程總體技術框架，利用數據底板、模型平臺、知識平臺等數字孿生引擎，集成可視化模型和相關技術體系，在工程安全智能分析預警業務應用中開發綜合評價模塊，為工程安全風險預警和安全狀態預演提供基礎支撐。

（1） 數據底板集成。數據底板匯聚了地理空間數據、基礎數據、監測數據、業務數據以及外部共享數據，并實現了水情自動測報系統、安全監測系統、巡視檢查系統等采集數據的統一管理。工程安全綜合評價模塊通過接口調用的方式，從數據底板中獲取安全監測數據、環境量數據、巡視檢查信息等數據資源，為工程安全綜合評價模型運行提供“算據”基礎。

（2） 模型平臺集成。模型平臺實現了水利專業模型的統一管理、發布、配置和運行；工程安全綜合評價模型通過標準化接口注冊至模型平臺，明確模型輸入參數與輸出結果格式，并與工程安全分析預測模型、監控預警模型、結構計算模型實現關聯與調用，為工程安全綜合評價模塊提供“算法”支撐。

（3） 知識平臺集成。知識庫包括預報調度方案庫、工程安全知識庫和業務規則庫等內容，并通過知識引擎實現知識的抽取、存儲、表達及應用［15］；將測點評判規則、逐級評判規則、結構計算成果等多源異構工程安全知識統一納入知識平臺進行管理，并利用知識圖譜實現多層級工程安全綜合評價體系的關系表達；在工程安全綜合評價計算時，通過接口調用的方式，從知識平臺中動態獲取模型所需的知識信息，為工程安全綜合評價模型運行提供“知識”資源。

（4） 業務應用開發。工程安全綜合評價模塊基于通用化設計和模塊化開發理念，遵循數字孿生水利工程技術開發體系，綜合運用B/S開發模式、微服務架構、輕量化BIM以及GIS平臺等主流開發框架，引入游戲引擎等可視化渲染技術，結合數字孿生三維場景，動態呈現工程安全綜合評價計算結果，實現基于數據驅動的工程安全運行性態高保真展示、模擬仿真與交互操作［16］。

5工程應用

5.1丹江口工程概況

丹江口水利樞紐位于漢江與丹江匯合口下游800 m處，是漢江開發治理的關鍵性工程，具有防洪、供水、發電、航運、生態等綜合利用效益。為充分發揮丹江口水利樞紐的綜合效益，在南水北調中線水源工程建設過程中，對初期混凝土壩培厚加高，大壩壩頂高程由162.00 m抬升至176.60 m，加高后水庫總庫容增加至319.5億m3，并于2021年10月首次蓄水至正常蓄水位170.00 m。

丹江口水利樞紐混凝土壩劃分為58個壩段，由右岸聯接段、深孔壩段、溢流壩段、廠房壩段及左岸聯接段等部分組成；其中，右1號壩段、7號壩段、10號壩段、17號壩段、21號壩段、31號壩段及34號壩段等7個壩段為重點監控壩段。

5.2數字孿生建設概況

數字孿生丹江口工程被列為“十四五”期間首批重點水利工程數字孿生先行先試建設項目之一，也是數字孿生長江試點建設任務［17］。數字孿生丹江口工程以大壩安全、供水安全、水質安全、庫區安全為需求導向，通過構建智慧水源管理體系，保障工程綜合效益的持續發揮。

在數字孿生丹江口工程建設過程中，充分利用已有安全監測感知體系［18］，實時獲取變形、滲流、應力應變等安全監測數據，為工程安全“四預”應用提供“算據”支撐。

5.3綜合評價模型應用

為有效支撐丹江口大壩安全風險預警和安全狀態預演功能實現，針對丹江口大壩加高工程結構特點以及工程安全薄弱環節，重點從強度、抗滑穩定性以及新老混凝土結合面穩定性3個方面建立了工程安全綜合評價體系，確定了關聯監控測點，制定了測點評判規則和逐級評判規則，開發了綜合評價功能模塊，初步實現了丹江口工程安全運行性態的綜合評價。

具體以21號壩段為例，該壩段為溢流壩段，壩段長24 m，壩頂高程176.6 m，壩段設置兩個8.5 m寬的溢流表孔。在21號壩段中布置了水平位移測點、精密水準點、測縫計、滲壓計、應變計、鋼筋計、溫度計等監測儀器設施，所建立的綜合安全評價體系如圖3所示，所制定的逐級評判規則如表4所列。

工程安全綜合評價功能模塊界面如圖4所示，已無縫集成至數字孿生丹江口工程應用平臺，具體實現了綜合評價模型的體系構建、規則設置、計算調用及成果展示等功能，可融合監測數據、巡檢成果和結構計算成果，通過綜合推理的方式，實現丹江口大壩安全運行性態的綜合評價，并且模型評價結果與實際工程安全會商結論一致，驗證了綜合評價模型的可靠性，支撐了工程安全“四預”應用實現，為大壩運行管理提供了決策支持。

6結 語

本文結合數字孿生水利工程建設，圍繞工程安全綜合評價模型開展研究工作，提出了工程安全綜合評價體系建立及評判規則制定方案，開展了工程安全綜合評價功能模塊開發，并在數字孿生丹江口工程中初步實現了集成應用。

下一階段，將進一步結合工程安全結構仿真計算模型，充分考慮不利工況組合和極端荷載條件，預演工程安全性態的變化過程，持續為工程運行安全保駕護航。

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（編輯：胡旭東）