工程與信息融合的水電工程“三甲醫(yī)院”探討

趙志勇,廖建軍,張禮兵,張 帥

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

正如人類生老病乃至死亡階段需要看病就醫(yī)或定期體檢來(lái)評(píng)價(jià)身體狀態(tài)一樣,水電工程在規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)維管理、退役拆除等全生命周期過(guò)程也需要依據(jù)國(guó)家、行業(yè)等規(guī)范要求[1-2]或企業(yè)管理需求等,開展設(shè)計(jì)審查、質(zhì)量監(jiān)督、安全鑒定、定期檢查與安全評(píng)價(jià)等工作,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩設(shè)計(jì)施工缺陷及運(yùn)行中病險(xiǎn)隱患,保障工程安全運(yùn)行。

針對(duì)水電工程安全評(píng)價(jià)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者從評(píng)價(jià)模型著手,基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊云理論、支持向量機(jī)、以熵權(quán)為基礎(chǔ)的改進(jìn)物元可拓模型、云模型與證據(jù)理論、AHP(層次分析法)-信息熵理論等[3-10],相繼提出了大壩安全性態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型,并進(jìn)行了典型工程應(yīng)用。顧沖時(shí)等[11-12]還從混凝土壩材料性能演化、隱患病害監(jiān)測(cè)與檢測(cè)、施工質(zhì)量控制、安全風(fēng)險(xiǎn)管理與評(píng)定等方面,論述了混凝土壩長(zhǎng)效服役與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定理論、方法及其技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

但由于水電工程全生命周期數(shù)據(jù)信息來(lái)源多樣、格式差異大,有監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、施工過(guò)程等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),也有文字報(bào)告、巡視檢查、專家經(jīng)驗(yàn)、視頻監(jiān)控等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。當(dāng)前來(lái)說(shuō),這些信息處于不同階段并在不同單位手中，兼之信息技術(shù)的滯后,信息相互獨(dú)立的“信息孤島”現(xiàn)象突出,未能有效融合更缺乏深度應(yīng)用。

近年來(lái)隨著GIS、BIM、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)及人工智能算法等信息技術(shù)和建筑物智慧感知等硬件設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,以智慧感知的信息為基礎(chǔ)、基于GIS+BIM技術(shù)與工程全生命周期的信息融合為手段、大數(shù)據(jù)及云存儲(chǔ)與人工智能算法的健康診斷為核心,使得打造工程與信息化融合的水電工程 “三甲醫(yī)院”成為可能。本文旨在從“醫(yī)院”視角，以工程為對(duì)象,采用邊緣性、交叉性前緣技術(shù)提供涉及水電工程全生命周期的多源異構(gòu)信息獲取、健康診斷、評(píng)價(jià)與整治于一體的一站式服務(wù)解決方案。

1 水電工程“三甲醫(yī)院”概念

1.1 定義

水電工程“三甲醫(yī)院”,是指以水電工程全生命周期安全為目標(biāo),按照“體檢、診斷、手術(shù)”醫(yī)院治病的思路,以大壩設(shè)計(jì)、施工過(guò)程等“出生”靜態(tài)信息為基礎(chǔ),以運(yùn)行期監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、檢查、管理等“成長(zhǎng)”動(dòng)態(tài)信息為核心,對(duì)大壩運(yùn)行性態(tài)和安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)認(rèn)定的病險(xiǎn)工程進(jìn)行消缺處理、除險(xiǎn)加固等整治措施的過(guò)程。即相當(dāng)于對(duì)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知、性態(tài)檢測(cè)、巡視檢查及運(yùn)行管理為手段的“日常體檢”,基于體檢信息對(duì)運(yùn)行性態(tài)和安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的“醫(yī)生診斷”,評(píng)價(jià)認(rèn)定的消缺處理、除險(xiǎn)加固等“動(dòng)手術(shù)”工程整治措施,實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的多源信息有機(jī)融合與數(shù)據(jù)挖掘,為水電工程全生命周期安全運(yùn)行提供一體化的一站式系統(tǒng)性服務(wù)解決方案,更加高效、高質(zhì)量地保障工程安全。

1.2 基本構(gòu)成

1.2.1 信息獲取——日常體檢

在施工期和運(yùn)行期,現(xiàn)場(chǎng)檢查、安全監(jiān)測(cè)、水下缺陷探測(cè)、材料長(zhǎng)期性態(tài)檢測(cè)等借助巡視檢查、底層傳感器、檢測(cè)儀器設(shè)備等手段,從不同維度獲取水電工程“成長(zhǎng)”的動(dòng)態(tài)信息,構(gòu)成與安全分析評(píng)價(jià)有關(guān)的信息專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù),為實(shí)現(xiàn)深層次數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)而進(jìn)行大壩性態(tài)健康診斷提供支撐。

1.2.2 安全評(píng)價(jià)——健康診斷

以“日常體檢”獲取的信息為基礎(chǔ),結(jié)合工程地質(zhì)、水工與金屬結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)等基本專業(yè)知識(shí),以辨識(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)防范為目標(biāo),基于專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn),從大壩防洪、抗震、壩基與壩體結(jié)構(gòu)安全、近壩庫(kù)岸和工程邊坡安全、泄洪消能設(shè)施安全、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全等方面進(jìn)行水電工程大壩安全復(fù)核或評(píng)價(jià),對(duì)水庫(kù)、擋水建筑物、泄水建筑物、水工金屬結(jié)構(gòu)、近壩庫(kù)岸與工程邊坡、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況提出評(píng)價(jià)意見(jiàn),綜合復(fù)核成果、運(yùn)行性態(tài)、后果危害性評(píng)價(jià)大壩安全等級(jí),并對(duì)存在的主要問(wèn)題與隱患提出處理建議[13]。

1.2.3 缺陷修復(fù)——?jiǎng)邮中g(shù)

工程健康診斷結(jié)果一旦出現(xiàn)諸如防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠、泄流能力不足、壩體壩基變形與滲流破壞、閘門啟閉失效等嚴(yán)重健康問(wèn)題,應(yīng)根據(jù)工程健康診斷結(jié)果的嚴(yán)重程度,對(duì)質(zhì)量缺陷進(jìn)行消缺處理,對(duì)防洪安全、結(jié)構(gòu)破損等病險(xiǎn)大壩采取除險(xiǎn)加固,包括壩體加固(如裂縫修補(bǔ),尤其水下裂縫處理)、壩面保護(hù)、壩體防滲及排水處理、泄洪設(shè)施改擴(kuò)建、金屬結(jié)構(gòu)更換修復(fù)等工程整治措施,以繼續(xù)發(fā)揮水庫(kù)的正常效益。

1.3 主要特征

1.3.1 多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)

涉及水電工程安全的信息種類有工程地質(zhì)、水文氣象、設(shè)計(jì)資料、施工質(zhì)量、安全監(jiān)測(cè)、性態(tài)檢測(cè)、視頻信息等,這些數(shù)據(jù)有靜態(tài)的、有動(dòng)態(tài)的,有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、也有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),還有相對(duì)模糊的專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí),通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、融合、重構(gòu),為水電工程“三甲醫(yī)院”提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3.2 全生命周期服務(wù)

跑出樹林后，我坐在河邊喘了好一陣氣，估計(jì)沒(méi)有危險(xiǎn)了，便又悄悄地返回樹林里，檢閱我的“戰(zhàn)果”。我看到馬蜂窩躺在樹下的一片水洼里，馬蜂們正驚慌失措地在上面爬來(lái)爬去，透明的翅膀不規(guī)則地顫動(dòng)著，一副可憐的樣子。

水電工程“三甲醫(yī)院”貫穿于水電工程設(shè)計(jì)、工程建造和運(yùn)行維護(hù)管理全生命周期各階段,通過(guò)工程設(shè)計(jì)、工程建造“出生”信息結(jié)合運(yùn)行維護(hù)管理的智慧感知“成長(zhǎng)”信息及基于專業(yè)知識(shí)的分析,實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)工程的安全情況及預(yù)測(cè)變化趨勢(shì),可真正確保對(duì)水電工程的全方位把控,保障安全運(yùn)行。

1.3.3 全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

水電工程“三甲醫(yī)院”,不僅能看病,還能治病。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)咨詢企業(yè)、水電施工建設(shè)企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)企業(yè)相互攜手,從安全信息采集、安全評(píng)估、缺陷修復(fù)、智慧信息系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈與全過(guò)程進(jìn)行水電工程大壩安全監(jiān)控、評(píng)估與修復(fù),為客戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈集成、一體化的一站式系統(tǒng)性服務(wù)解決方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)

2.1.1 安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

安全監(jiān)測(cè)是利用已埋設(shè)安裝的監(jiān)測(cè)傳感器或安裝的監(jiān)測(cè)裝置,基于全方位、全過(guò)程、信息化的動(dòng)態(tài)理念,全面捕捉水工建筑物不同工況下的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、降水量等效應(yīng)量及環(huán)境量。依據(jù)變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)施與監(jiān)測(cè)資料評(píng)價(jià)。目前監(jiān)測(cè)技術(shù)總體朝著光纖傳感器、非接觸、自動(dòng)化等方向發(fā)展。如隨著3S技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感、GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))變形監(jiān)測(cè)、合成孔徑雷達(dá)、激光三維掃描變形監(jiān)測(cè)等非接觸表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用(圖1),克服了傳統(tǒng)表面變形監(jiān)測(cè)固有的測(cè)讀不方便、無(wú)法長(zhǎng)距離及大范圍監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響嚴(yán)重等缺陷。

圖1 先進(jìn)的非接觸測(cè)量技術(shù)和GIS應(yīng)用

2.1.2 檢測(cè)與探測(cè)技術(shù)

檢測(cè)及探測(cè)是利用水、陸、空等先進(jìn)的檢測(cè)儀器設(shè)備(如水下聲吶、淺地層剖面儀、三維激光掃描系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)等),對(duì)擋水建筑物、泄洪消能建筑物、洞室建筑物、金屬結(jié)構(gòu)及庫(kù)區(qū)的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)和探查。如依據(jù)多波束、水下機(jī)器人等檢測(cè)設(shè)備獲得的測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行混凝土缺陷、泥沙淤積、金屬結(jié)構(gòu)等項(xiàng)目探測(cè)。主要有基于紅外熱成像、地質(zhì)雷達(dá)的面板脫空探測(cè)技術(shù);基于多波束探測(cè)系統(tǒng)的水下全覆蓋探查技術(shù);基于三維激光掃描系統(tǒng)的庫(kù)岸邊坡、壩體(水上)、泄洪洞/道等部位混凝土全覆蓋掃描技術(shù);基于水下無(wú)人潛器,搭載多種外部傳感器(聲吶等),工程外觀質(zhì)量水下詳查技術(shù);基于淺地層剖面儀,水下淤積厚度與結(jié)構(gòu)探查技術(shù)等,可快速直觀地得到相關(guān)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)信息(圖2)。

圖2 水下綜合探測(cè)及BIM技術(shù)結(jié)合的運(yùn)行狀態(tài)探測(cè)

2.2 健康診斷技術(shù)

根據(jù)水電工程安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目的具體設(shè)置,結(jié)合不同工程的具體特點(diǎn),建立水電工程大壩健康狀態(tài)診斷的指標(biāo)體系,在相關(guān)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上,確定大壩健康狀態(tài)等級(jí)。主要有基于統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)模計(jì)算、定性評(píng)價(jià)并結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算成果、規(guī)范允許值等的監(jiān)控指標(biāo)綜合擬定技術(shù);基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的單測(cè)點(diǎn)閾值評(píng)判技術(shù);基于實(shí)測(cè)資料、模糊層析分析法的大壩安全評(píng)價(jià)技術(shù)等。

應(yīng)嘗試研究基于人工智能領(lǐng)域中的深度學(xué)習(xí)、認(rèn)知與推理等學(xué)科,借助融合人工智能、傳統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型與專家系統(tǒng)的智慧模型進(jìn)行大壩安全健康診斷。

2.3 大壩缺陷修復(fù)技術(shù)

主要包括病險(xiǎn)壩除險(xiǎn)加固技術(shù)、大壩改擴(kuò)建技術(shù)以及大壩維護(hù)技術(shù),在保障工程安全運(yùn)行的同時(shí),獲得最大的收益。其中,水下結(jié)構(gòu)缺陷處理技術(shù)已成為大壩安全領(lǐng)域一項(xiàng)亟待研究的重要技術(shù)。常見(jiàn)的水下工程缺陷有:擋水壩體滲漏、結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)沖坑破損、水下透水事故、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕老化等。與之對(duì)應(yīng)的有潛水安全作業(yè)技術(shù)(圖3，世界最大規(guī)模的氦氧混合氣潛水作業(yè)),壩體滲漏處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)缺陷處理技術(shù)、水下透水通道封堵技術(shù)、水下防腐技術(shù)、水下焊接技術(shù)等。

圖3 某電站大壩深水缺陷治理

2.4 大壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理及應(yīng)急技術(shù)

影響大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括工程風(fēng)險(xiǎn)因素、人為風(fēng)險(xiǎn)因素、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素三部分。結(jié)合大壩風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)挖掘工具確立可能引起大壩失事的潛在風(fēng)險(xiǎn)源,進(jìn)而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估[11-12],選擇合適的風(fēng)險(xiǎn)處理方案。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)可接受的大壩,其暫時(shí)可不進(jìn)行加固處理;對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)可容忍的大壩,應(yīng)采用“最低合理可行”原則分析判斷是否采取措施降低風(fēng)險(xiǎn);對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)不可接受的大壩,應(yīng)立即采取措施降低大壩風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 基于GIS+BIM的管理及預(yù)警信息平臺(tái)

圖4 水電站安全監(jiān)測(cè)可視化管理及預(yù)警系統(tǒng)

隨著社會(huì)信息化的發(fā)展,水電工程信息化已經(jīng)成為水電工程現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。集數(shù)字化、信息化、可視化于一體且結(jié)合工程實(shí)際的水電工程全生命周期安全信息三維可視化平臺(tái)(圖4),集成水情、監(jiān)測(cè)、運(yùn)行調(diào)度等信息化管理系統(tǒng),融合結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算、健康診斷、風(fēng)險(xiǎn)分析等的輔助決策模塊,能夠有效提升水電工程管理的技術(shù)水平。

黨的十九大報(bào)告提出,推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。應(yīng)嘗試將VR/AR、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)引入水電工程領(lǐng)域,將傳統(tǒng)水電技術(shù)和人工智能結(jié)合,打造普適性、開放性、包容性的智慧信息平臺(tái)。

3 分級(jí)管理體系

正如醫(yī)院需要依據(jù)功能、設(shè)施、技術(shù)力量等指標(biāo),進(jìn)行資質(zhì)評(píng)定、分級(jí)分等一樣(醫(yī)院分一、二、三級(jí),每級(jí)再劃分為甲、乙、丙三等,其中三級(jí)醫(yī)院增設(shè)特等),宜從企業(yè)資歷、信譽(yù)和業(yè)績(jī)、技術(shù)條件、技術(shù)裝備及管理水平等方面對(duì)從事大壩安全服務(wù)的機(jī)構(gòu)分級(jí)分等,便于開展實(shí)際工作。其中,級(jí)別跟隨企業(yè)自身勘察、設(shè)計(jì)、施工或咨詢資質(zhì),如綜合甲級(jí)、設(shè)計(jì)甲級(jí)、乙級(jí)等,承擔(dān)對(duì)應(yīng)工程項(xiàng)目的主體工程及其配套工程的設(shè)計(jì)、施工、咨詢等安全業(yè)務(wù),而后根據(jù)企業(yè)大壩安全服務(wù)的技術(shù)人員、技術(shù)裝備、相關(guān)業(yè)績(jī)、社會(huì)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行分一等、二等。

針對(duì)缺陷檢測(cè)、水下修復(fù)等水電工程大壩安全業(yè)務(wù),還需要相關(guān)行業(yè)或協(xié)會(huì)專項(xiàng)資質(zhì),在分級(jí)分等時(shí)亦需考慮。如水下檢測(cè)時(shí),技術(shù)人員需持有水下工程檢測(cè)員證、潛水員證等[14],實(shí)施機(jī)構(gòu)需具備對(duì)應(yīng)水下工程檢測(cè)機(jī)構(gòu)能力等級(jí);進(jìn)行信息系統(tǒng)集成開發(fā)時(shí),機(jī)構(gòu)需具備相應(yīng)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成資質(zhì)。

已獲得級(jí)別、等別的服務(wù)機(jī)構(gòu),對(duì)滿足條件的可申請(qǐng)高一等級(jí)的評(píng)估。級(jí)別跟隨企業(yè)資質(zhì)晉升,根據(jù)申報(bào)等級(jí)相符的技術(shù)人員、技術(shù)裝備、相關(guān)業(yè)績(jī)、社會(huì)評(píng)價(jià)等進(jìn)行晉等評(píng)估。

4 結(jié) 語(yǔ)

水電工程作為支撐全球可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其安全事關(guān)工程效益、事關(guān)下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)公共安全,如何進(jìn)一步做好安全管理工作,尤為重要。工程與信息融合的水電工程“三甲醫(yī)院”,基于“體檢-開方-動(dòng)手術(shù)”的思路,綜合利用監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)、健康診斷技術(shù)、缺陷修復(fù)技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)管理與應(yīng)急處置等,對(duì)水電工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、定期檢查、安全評(píng)價(jià)、除險(xiǎn)加固與綜合整治,并借助數(shù)字化、信息化、可視化于一體且結(jié)合工程實(shí)際的三維可視化平臺(tái),系統(tǒng)性、全方位、全過(guò)程提供安全服務(wù),保障工程安全運(yùn)行。

應(yīng)當(dāng)指出,在水電工程“三甲醫(yī)院”建立及運(yùn)營(yíng)中,仍會(huì)面臨諸多問(wèn)題,如應(yīng)急處置體系、分級(jí)體系指標(biāo)量化、安全信息智慧平臺(tái),需要人們不斷研究并推廣。