水電站大壩在線監(jiān)測管理平臺(tái)的探索與實(shí)踐

崔何亮，張秀麗，王玉潔，周建波，柳 翔，楊 鴿

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

大壩安全監(jiān)測是水電站運(yùn)行管理中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，通過各類儀器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合巡視檢查，有助于分析大壩的運(yùn)行性態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能存在的問題，確保工程安全。

絕大多數(shù)大中型水電站大壩都建有安全監(jiān)測系統(tǒng)。在國家能源局大壩安全監(jiān)察中心（以下簡稱大壩中心）注冊的493座大壩中（截至2017年底），除了5座因工程規(guī)模較小僅開展巡視檢查外，其余的均設(shè)有變形、滲流等安全監(jiān)測設(shè)施，其中62%實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測。注冊大壩的測點(diǎn)數(shù)量平均為477個(gè)，三峽超過10 000個(gè)；自動(dòng)化測點(diǎn)數(shù)量平均為412個(gè)，小灣、糯扎渡、大崗山、三陜和錦屏一級(jí)超過5 000個(gè)。

大壩的日常監(jiān)測工作以前大多由運(yùn)行單位（電廠）的水工或監(jiān)測班組完成。近年來，隨著區(qū)域、流域化管理的發(fā)展和監(jiān)測外委業(yè)務(wù)的增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，監(jiān)測工作完全由運(yùn)行單位負(fù)責(zé)的僅占60%，由主管單位或流域公司負(fù)責(zé)組織進(jìn)行的占6%，整體外委的占27%，變形測量等部分工作外委的占7%。

受技術(shù)水平和管理能力的限制，目前水電站大壩的監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作仍普遍存在一些問題。根據(jù)433座注冊大壩最近一次定檢或安鑒結(jié)論意見的統(tǒng)計(jì)，其中308座（71%）都存在三類監(jiān)測方面的問題：（1）監(jiān)測項(xiàng)目或測點(diǎn)不完備，工程隱患或重點(diǎn)關(guān)注部位未建測點(diǎn)；（2）部分監(jiān)測設(shè)施或方法不可靠，誤差和無效測值較多；（3）測讀不及時(shí)，檢查維護(hù)工作未按要求開展。綜合而言，對(duì)監(jiān)測工作不重視、監(jiān)測工作繁瑣、留不住人才、對(duì)工程認(rèn)識(shí)不足、監(jiān)測儀器設(shè)備質(zhì)量不高是監(jiān)測工作問題的主要原因[2]。

完備、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)是獲取有效數(shù)據(jù)的前提，及時(shí)、科學(xué)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析是監(jiān)控大壩安全的必要手段，監(jiān)測工作若存在問題，宜早發(fā)現(xiàn)、早處理，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤長期累積，形成難以彌補(bǔ)的損失和人力資源浪費(fèi)。監(jiān)測工作時(shí)間跨度長、數(shù)據(jù)量大，測沒測、測得好不好，依靠傳統(tǒng)的人工方式，難以完成精細(xì)化的管理。隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)集成、通訊、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大壩安全遠(yuǎn)程在線管理已經(jīng)成為可能，借助新技術(shù)，可以迅速發(fā)現(xiàn)問題和異常，提升監(jiān)管水平[3]。

目前國內(nèi)外的相關(guān)研究主要針對(duì)單個(gè)大壩的數(shù)據(jù)采集、整編和分析，也有少數(shù)區(qū)域化的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和集中信息管理系統(tǒng)，但還沒有專門針對(duì)監(jiān)測工作管理的系統(tǒng)。本研究以對(duì)安全監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作的在線監(jiān)督管理為目標(biāo)，通過建立交互式平臺(tái)，探索高效便捷的反饋處理和長效閉環(huán)管理機(jī)制，確保數(shù)據(jù)采集、復(fù)測、復(fù)核等工作到位，保障監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 在線監(jiān)測管理的基本思路

在線監(jiān)測管理的核心是以監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，面向結(jié)果，通過建立多種數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法、不同監(jiān)測項(xiàng)目相互印證法，提高異常信息的甄別速度和可靠度，有效評(píng)判監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)問題并反饋、監(jiān)督。按照如圖1所示的構(gòu)架，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)挖掘等信息技術(shù)，搭建可供現(xiàn)場監(jiān)測操作人員、水工技術(shù)員、技術(shù)管理者、行政管理人員、主管單位和專家團(tuán)隊(duì)等各方信息共享、交流反饋、協(xié)同工作的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)完備性評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)有效性識(shí)別、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)評(píng)估、監(jiān)測工作存在問題及時(shí)反饋和閉環(huán)管理，不斷促進(jìn)監(jiān)測管理工作水平的提升，提高監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為大壩安全評(píng)判提供數(shù)據(jù)支撐。

在線監(jiān)測管理的目標(biāo)如圖2所示，主要是解決監(jiān)測過程中及時(shí)性、可靠性、完備性的問題，強(qiáng)化各方對(duì)監(jiān)測工作的重視和監(jiān)測人員的責(zé)任感，使得監(jiān)測工作的過程和質(zhì)量可控。

圖1 監(jiān)測管理平臺(tái)主要功能和架構(gòu)Fig.1 Main functions and architecture of monitoring manage?ment platform

圖2 在線監(jiān)測管理的目標(biāo)Fig.2 Goal of online monitoring management

2 研究技術(shù)路線和要點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測管理，建立可廣泛應(yīng)用的在線監(jiān)管平臺(tái)，主要在以下幾方面開展了研發(fā)工作。

2.1 完善測點(diǎn)基礎(chǔ)信息

大壩安全監(jiān)測信息管理數(shù)據(jù)庫中，大多側(cè)重儀器的管理，對(duì)結(jié)構(gòu)物相關(guān)的工程信息存儲(chǔ)不足，這對(duì)測值可靠性評(píng)判和監(jiān)測資料分析是不利的。因此，在線監(jiān)測管理要求完善大壩和邊坡變形、滲流等重要監(jiān)測項(xiàng)目必要的測點(diǎn)基礎(chǔ)信息，除了測點(diǎn)部位、樁號(hào)、高程、儀器等信息外，還包括諸如垂線的朝向、測縫計(jì)的方向、測壓管的孔口/孔底/基巖面高程、滲壓計(jì)或壓力表的安裝高程、量水堰的匯水區(qū)域、錨索的設(shè)計(jì)/鎖定/永存噸位等重要參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)缺失檢查和反饋

數(shù)據(jù)入庫或傳輸不及時(shí)的常見原因有四類：一是通訊或網(wǎng)絡(luò)中斷，需要及時(shí)恢復(fù)；二是人工測讀的數(shù)據(jù)錄入滯后，要求立即補(bǔ)充入庫；三是監(jiān)測設(shè)備故障或儀器損壞，要求盡快修復(fù)；四是未監(jiān)測，這種情況比較少。通過軟件自動(dòng)核查存儲(chǔ)和傳輸過程中的數(shù)據(jù)缺失情況，對(duì)軟件系統(tǒng)故障進(jìn)行快速識(shí)別，并立即向現(xiàn)場監(jiān)測工作人員發(fā)出缺報(bào)提醒，督促其及時(shí)處理問題，減少數(shù)據(jù)缺失率。

在線監(jiān)測管理平臺(tái)根據(jù)規(guī)定的監(jiān)測頻次，以一定的周期檢查各測點(diǎn)數(shù)據(jù)是否入庫，自動(dòng)對(duì)缺失的測點(diǎn)（或分量）增加一條缺測記錄，并通過短信和微信進(jìn)行提示。所有缺測記錄均由網(wǎng)頁顯示，生成“數(shù)據(jù)缺失表”，如圖3所示，可供各方人員隨時(shí)查詢和處理。

圖3 數(shù)據(jù)缺失記錄和反饋處理頁面Fig.3 Data missing record and feedback processing

2.3 數(shù)據(jù)有效值判別

選用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ潜O(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判斷結(jié)論合理可靠的依據(jù)。為此，本研究將多種異常數(shù)據(jù)識(shí)別方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，根據(jù)不同方法的適應(yīng)性，針對(duì)不同測點(diǎn)、測值序列的特征選擇最適合的方法，設(shè)置相應(yīng)的評(píng)判規(guī)則及指標(biāo)。

數(shù)據(jù)有效性判別的總體流程如圖4所示。輸入歷史數(shù)據(jù)序列后，首先，將根據(jù)測點(diǎn)儀器量程和所監(jiān)測量的物理意義刪除歷史數(shù)據(jù)序列中明顯異常的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)序列中基本正常數(shù)據(jù)的總歷時(shí)、結(jié)束時(shí)間以及形態(tài)（例如周期性、趨勢性）等因素選擇有效性評(píng)判方法。此后，根據(jù)所選擇的評(píng)判方法，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出對(duì)應(yīng)于各個(gè)方法的有效性判別標(biāo)準(zhǔn)。

目前已應(yīng)用的系統(tǒng)中采用了改進(jìn)包絡(luò)域、奇異譜分析和統(tǒng)計(jì)模型三種數(shù)據(jù)有效性評(píng)判方法。圖5從方法的敏感性、易操作性、對(duì)數(shù)據(jù)序列的要求以及適用的數(shù)據(jù)序列類型等方面對(duì)上述方法進(jìn)行了比較。其中，奇異譜法與統(tǒng)計(jì)回歸模型法對(duì)異常測值的敏感性近似較高，而改進(jìn)包絡(luò)域法敏感性較弱。改進(jìn)包絡(luò)域法的易操作性僅優(yōu)于奇異譜法；而由于建立統(tǒng)計(jì)回歸模型通常需要人工選擇回歸因子和回歸數(shù)據(jù)段，基于回歸模型的異常值識(shí)別方法的易操作性較弱。對(duì)歷史數(shù)據(jù)序列的要求方面，奇異譜法對(duì)數(shù)據(jù)序列長度要求略高于統(tǒng)計(jì)回歸模型法，而預(yù)測點(diǎn)前正常數(shù)據(jù)缺失太多時(shí)（例如多于1年）得出的預(yù)測結(jié)果也可能不可靠；改進(jìn)包絡(luò)域法對(duì)數(shù)據(jù)序列長度要求相對(duì)較高，但對(duì)數(shù)據(jù)缺失、階躍等干擾的魯棒性更強(qiáng)?？煞治龅臄?shù)據(jù)序列類型方面，所有方法都可對(duì)平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行分析；統(tǒng)計(jì)回歸法和奇異譜法還可對(duì)具有周期性和趨勢性的序列進(jìn)行分析，但對(duì)階梯型數(shù)據(jù)序列分析精度較差；而改進(jìn)包絡(luò)域法對(duì)周期性、趨勢性以及階梯型數(shù)據(jù)都能進(jìn)行分析。

圖4 在線監(jiān)測管理中應(yīng)用的有效值識(shí)別方法Fig.4 Valid value recognition method used in online monitor?ing management

2.4 無效值識(shí)別和反饋

工程經(jīng)驗(yàn)表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)的“異常值”大多是儀器或監(jiān)測方法的問題，而隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的普及，其中毛刺狀的突跳誤差占了大多數(shù)。為提高管理的效率，把有限的人力資源集中到重點(diǎn)需要關(guān)注的問題上，在線監(jiān)測管理系統(tǒng)對(duì)識(shí)別的“無效值”進(jìn)行了分類，篩選掉大量明顯粗差后，挑選出必須核查的測值，例如明顯的階躍或持續(xù)超限的情況，反饋現(xiàn)場監(jiān)測人員和相關(guān)管理者關(guān)注。

圖5 三種數(shù)據(jù)有效性判別方法的適用性Fig.5 Applicability of three valid value recognition methods

當(dāng)發(fā)現(xiàn)最近測值無效時(shí)，通過與歷史無效值比對(duì)、后續(xù)測值比對(duì)等方式，將其分為三類：自動(dòng)判定粗差數(shù)據(jù)、待核實(shí)數(shù)值、其他測值，通過網(wǎng)頁展示，如圖6所示?，F(xiàn)場人員對(duì)“待核實(shí)數(shù)據(jù)”必須進(jìn)行查閱，檢查后，說明測值無效的原因（儀器設(shè)備故障、人工觀測誤差、外部擾動(dòng)、計(jì)算有誤等），或經(jīng)確認(rèn)后說明測值有效（儀器設(shè)備維護(hù)或更換、計(jì)算公式或參數(shù)調(diào)整、測值真實(shí)變化等）。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況分析和統(tǒng)計(jì)

在線監(jiān)測管理平臺(tái)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用數(shù)據(jù)缺失率（缺測次數(shù)/統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的應(yīng)測次數(shù)）和有效值比例（有效值測次/統(tǒng)計(jì)期內(nèi)有數(shù)據(jù)的測次數(shù)量）兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)一定時(shí)間段內(nèi)各測點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析，并根據(jù)測點(diǎn)優(yōu)劣分布的統(tǒng)計(jì)，對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。在線監(jiān)測管理平臺(tái)以月為單位對(duì)各大壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判和統(tǒng)計(jì)，并且每季度或半年生成監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況（預(yù)）報(bào)告，生成圖7所示的網(wǎng)頁報(bào)表。相關(guān)責(zé)任人可在規(guī)定的期限內(nèi)（如15 d）進(jìn)行瀏覽和處理，到期系統(tǒng)將生成正式的報(bào)告并存檔。

圖6 無效測值反饋和處理頁面Fig.6 Invalid value feedback and processing

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況定期反饋報(bào)告Fig.7 Regular feedback report on monitoring system operation

2.6 監(jiān)測問題在線反饋流程

在線的分析離不開離線的現(xiàn)場檢查，而且后者往往更重要。因此，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)不能直接反映的監(jiān)測工作問題，如日常維護(hù)、校測、各類檢查、大壩安鑒、監(jiān)測專項(xiàng)驗(yàn)收或?qū)ｎ}分析等工作中發(fā)現(xiàn)的監(jiān)測完備性和可靠性問題，在線監(jiān)測管理平臺(tái)將通過任務(wù)流程的方式（如圖8所示）提示相關(guān)責(zé)任人限期處理，并對(duì)處理過程和結(jié)果進(jìn)行記錄和監(jiān)督。

3 初步應(yīng)用情況

本研究成果已達(dá)到實(shí)用化的程度，大壩中心已將其應(yīng)用到了對(duì)注冊和備案大壩的日常監(jiān)管中，搭建了可供大壩中心與電力企業(yè)技術(shù)人員共享的交互管理平臺(tái)。以報(bào)送的監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各大壩監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀、監(jiān)測工作存在問題的監(jiān)控和反饋，隨時(shí)、快速、有效地督促和指導(dǎo)電力企業(yè)不斷提升監(jiān)測工作水平，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為大壩安全評(píng)判提供依據(jù)。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作問題在線反饋流程Fig.8 Online feedback process for monitoring system and monitoring problem

電力企業(yè)使用本單位賬號(hào)登陸大壩中心網(wǎng)站后，即可通過點(diǎn)擊頁面左側(cè)的監(jiān)測管理相關(guān)按鈕查詢所轄大壩的情況并進(jìn)行操作，各頁面中均有具體的操作說明，主要功能有以下幾方面。

3.1 監(jiān)測問題反饋

查詢監(jiān)測系統(tǒng)評(píng)判的結(jié)果以及大壩中心提出的監(jiān)測問題和要求，在完成后通過網(wǎng)頁說明處理情況。問題程度分為嚴(yán)重、一般、輕微等三類。對(duì)嚴(yán)重問題，大壩中心可能會(huì)同時(shí)發(fā)函督辦，一般問題多項(xiàng)或長期未按要求整改的，按嚴(yán)重問題處理。一般、輕微問題會(huì)通過系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送郵件或短信、微信等方式提醒處理。問題類型分為報(bào)送數(shù)據(jù)不及時(shí)、監(jiān)測設(shè)施不可靠、監(jiān)測系統(tǒng)不完備、其他管理問題、多方面綜合問題等五類。截至2017年底，大壩中心已在線提出了268條監(jiān)測問題。

3.2 報(bào)送測點(diǎn)狀態(tài)表

查看大壩中心要求報(bào)送的測點(diǎn)范圍、監(jiān)測分量、頻次、最近測值日期，并可以在線申報(bào)測點(diǎn)狀態(tài)和頻次變更。對(duì)在測和應(yīng)測的測點(diǎn)，其測點(diǎn)狀態(tài)顯示為“在測”；若最近的數(shù)據(jù)未按時(shí)報(bào)送，顯示“在測（缺報(bào)）”。對(duì)報(bào)送的絕大多數(shù)測點(diǎn)，其狀態(tài)為“在測”，對(duì)個(gè)別短期暫停、損壞待恢復(fù)的情況，從監(jiān)測需求的角度也屬于在測。

報(bào)送測點(diǎn)原則上不得停測，某些特殊情況下，如內(nèi)部埋設(shè)儀器損壞后確實(shí)無法修復(fù)，或系施工期臨時(shí)項(xiàng)目、短期科研項(xiàng)目測點(diǎn)的，經(jīng)技術(shù)論證說明可以中止監(jiān)測且經(jīng)由主管單位審批后，可以在本頁面中如實(shí)申報(bào)測點(diǎn)狀態(tài)為“停測（損壞）”并說明原因。經(jīng)大壩安全鑒定、定期檢查、注冊檢查、原設(shè)計(jì)單位正式論證后認(rèn)定為可封存、報(bào)廢的，運(yùn)行單位可將相關(guān)資料向大壩中心報(bào)告，由大壩中心將測點(diǎn)狀態(tài)修改為封存、報(bào)廢或移出報(bào)送測點(diǎn)表。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)完備性不足時(shí)，大壩中心將要求相關(guān)單位進(jìn)行測點(diǎn)修復(fù)或增補(bǔ)。

3.3 缺報(bào)反饋和異常數(shù)據(jù)反饋

查詢?nèi)眻?bào)信息和異常數(shù)據(jù)信息，經(jīng)檢查核實(shí)后，說明缺報(bào)、缺測、數(shù)據(jù)無效、數(shù)據(jù)有效的原因。為實(shí)現(xiàn)反饋的及時(shí)性，還提供了手機(jī)端的提示，后期將逐步開放手機(jī)端的處理功能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的操作。

在線監(jiān)測管理平臺(tái)可以對(duì)所有大壩的監(jiān)測報(bào)送數(shù)據(jù)進(jìn)行定期分析、評(píng)判和對(duì)比，也可以對(duì)不同大壩進(jìn)行橫向比較。2017年12月，已納入監(jiān)測管理的543座大壩的月度評(píng)判結(jié)果（試行版）見表1和圖9。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中有91座大壩綜合評(píng)判為差，約占1/6，其主要原因是報(bào)送不及時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了缺報(bào)提醒和反饋，對(duì)其中問題比較突出的，還采用了監(jiān)測問題的網(wǎng)上處理流程，限期整改。電力企業(yè)可據(jù)此加強(qiáng)自身監(jiān)測工作管理，認(rèn)真履行主體責(zé)任，做好監(jiān)測工作。

表1 報(bào)送數(shù)據(jù)評(píng)級(jí)結(jié)果（2017年12月份）Table 1 Data rating results(December 2017)

圖9 大壩監(jiān)測系統(tǒng)在線評(píng)判結(jié)果列表Fig.9 List of online evaluation results in dam monitoring system

4 結(jié)語

在線監(jiān)測管理是一項(xiàng)全新的管理手段，通過互聯(lián)網(wǎng)、信息化等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程傳輸、誤差自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)反饋，實(shí)時(shí)把握監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，反饋處理監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，評(píng)估監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況。本技術(shù)旨在建立在線平臺(tái)，為大壩安全管理、監(jiān)測工作管理和監(jiān)測操作人員創(chuàng)造共同協(xié)作的交互環(huán)境，是互聯(lián)網(wǎng)+大壩監(jiān)測管理的管理創(chuàng)新，不僅可用于大壩中心的技術(shù)監(jiān)督管理，也能服務(wù)于電力企業(yè)內(nèi)部的監(jiān)測管理和流域化、集團(tuán)化管理，提高行業(yè)整體的監(jiān)測工作水平。 ■

[1]水電站大壩安全監(jiān)測工作情況報(bào)告(2015年度)[R].國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,2016.

[2]王玉潔,周建波.對(duì)《水電站大壩運(yùn)行安全監(jiān)督管理規(guī)定》有關(guān)大壩安全監(jiān)測內(nèi)容的解讀[J].大壩與安全,2015(2):15-16.

[3]張秀麗.用新理念新技術(shù)提升監(jiān)管水平[J].大壩與安全,2015(2):7-9

[4]發(fā)展改革委令第23號(hào),水電站大壩運(yùn)行安全監(jiān)督管理規(guī)定[Z].

[5]國能安全〔2016〕261號(hào),水電站大壩運(yùn)行安全信息報(bào)送辦法[Z].

[6]國能發(fā)安全〔2017〕61號(hào),水電站大壩安全監(jiān)測工作管理辦法[Z].