基于“智能化”理念的大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

謝懷宇 林育任

摘要：水電能源對實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)有重要意義，為切實保障水電站安全，本文基于“智能化”理念，設(shè)計了一種大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過耦合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代先進信息化，切實提升對大壩安全的管理能力。

關(guān)鍵詞：大壩安全監(jiān)測;智能系統(tǒng);移動互聯(lián)網(wǎng)

引言

身為電力領(lǐng)域的重點清潔能源，水電能源可作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)性資源，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著極大意義。然而，水電工程在發(fā)揮巨大工程效益的同時，也存在一定的安全風(fēng)險。當(dāng)前，為有效預(yù)防水電工程病變，一種有效的手段就是對水工建筑物進行高精度的安全監(jiān)測，其通過對電站各水工結(jié)構(gòu)進行檢測，可準(zhǔn)確診斷出電站的工作狀態(tài)，工作人員可以在第一時間被告知安全風(fēng)險，支撐大壩安全穩(wěn)定地運行[1，2]。

而隨著大壩安全監(jiān)測技術(shù)水平的發(fā)展和大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測方式已難以滿足電站監(jiān)測的新要求，例如：原安全監(jiān)測系統(tǒng)無法對采集的數(shù)據(jù)進行合理的推斷評判;對數(shù)據(jù)的連續(xù)變化產(chǎn)生的原因不能自主做出準(zhǔn)確的判斷和隱患排查;存在監(jiān)測數(shù)據(jù)較多、較大異常時不會觸發(fā)相應(yīng)的應(yīng)急處置方案;系統(tǒng)與人員交互手段不足;監(jiān)測數(shù)據(jù)、技術(shù)資料存在多頭管理，不便維護等。

為改變傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測模式的機械性及滯后性，進一步加強人員對大壩安全的智能化管理水平。本文基于“智能化”理念，構(gòu)建設(shè)計了一套大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過對大壩安全日常監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的集成集中管理，結(jié)合數(shù)學(xué)模型、人工智能、手機APP等相關(guān)技術(shù)及相應(yīng)行業(yè)規(guī)范和專家經(jīng)驗以實現(xiàn)實時評判和在線監(jiān)控大壩安全，實現(xiàn)對大壩“智能評判、隱患辨析、應(yīng)急觸發(fā)、決策支持”的智慧化管理。

1 ?系統(tǒng)框架設(shè)計

為提升大壩監(jiān)測智能化、數(shù)字化管理水平，本文通過對大壩安全日常監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的集成集中管理，結(jié)合數(shù)學(xué)模型、人工智能、手機APP等相關(guān)技術(shù)及相應(yīng)行業(yè)規(guī)范和專家經(jīng)驗，構(gòu)建涉及了一套大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)框架，提供大壩安全各項業(yè)務(wù)的信息化流程和高效、智能業(yè)務(wù)支撐。圖1展示了該系統(tǒng)的框架設(shè)計圖，由功能層、對象層、數(shù)據(jù)層、傳輸層組成。

在功能層中，系統(tǒng)主要為用戶提供監(jiān)測管理、在線監(jiān)控、巡視檢查管理、缺陷隱患管理、綜合整編、信息共享等功能服務(wù)，切實運用信息化技術(shù)，提升用戶的安全管理水平。

在對象層中，系統(tǒng)主要面向攔河壩主體結(jié)構(gòu)、大壩兩岸邊坡、船閘、升船機和其他水工建筑物等對象的安全管理進行研制開發(fā)，通過針對不同的建筑物類型設(shè)置對應(yīng)的系統(tǒng)邏輯，使得系統(tǒng)在運用過程中更具實用性。

在數(shù)據(jù)層中，系統(tǒng)通過深度融合大壩安全監(jiān)測中環(huán)境量、變形量、滲漏量、應(yīng)力應(yīng)變等多方位數(shù)據(jù)，能更加準(zhǔn)確的掌握大壩結(jié)構(gòu)服役形態(tài)，提升系統(tǒng)魯棒性。

在傳輸層中，系統(tǒng)通過通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理模塊，實現(xiàn)與PC、平板等智能終端以及現(xiàn)場儀器間的互聯(lián)互通，可通過“一張網(wǎng)”的形式，實現(xiàn)各個設(shè)備間的互聯(lián)互通。

2 ?系統(tǒng)特色技術(shù)

（1）優(yōu)化集成現(xiàn)代測控、機器學(xué)習(xí)、數(shù)值模擬等專業(yè)前沿科技，搭建大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、可視化呈現(xiàn)、信息發(fā)布等功能，依托智能技術(shù)，有效增強人員對電站運行情況的管控能力。

（2）高度融合水情、滲流、變形等多源監(jiān)測信息，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用的協(xié)同和聯(lián)動，切實用“一網(wǎng)頁”耦合大壩安全各項業(yè)務(wù)工作，克服數(shù)據(jù)割據(jù)和信息孤島問題。

（3）打破人機交互壁壘，通過軟件技術(shù)集成計算機、PDA、智能手機等多智能終端，切實滿足作業(yè)人員通過多渠道進行人機交互的需求，擺脫時間、空間對業(yè)務(wù)工作的束縛，方便隨時隨地決策指揮，打造高效便捷的智能管理模式。

（4）針對大型水利工程的運行特點，集成相關(guān)行業(yè)規(guī)范、專家經(jīng)驗與現(xiàn)代數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立大壩安全評判規(guī)則庫和推理系統(tǒng)，建立主客觀相結(jié)合的大壩安全狀況綜合評判體系。

（5）基于人工智能技術(shù)，可以使得數(shù)據(jù)的輸入采集、計算處理、歸納整合等過程自動完成，用專業(yè)軟件代替人工接管機械性工作，大幅度提升監(jiān)測工作管理效率。

3 ?系統(tǒng)主要功能

3.1 ?監(jiān)測管理模塊

該模塊具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入、檢查與審核以及數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計、分析等應(yīng)用功能，能夠支持人工管理監(jiān)測項目，以監(jiān)控部位和監(jiān)控對象作為劃分單元，可自由增添或刪減監(jiān)測項目，并可對監(jiān)測項目的測量頻次、報警閾值等參數(shù)進行修改以滿足大壩監(jiān)測現(xiàn)行使用需求。

3.2 ?在線監(jiān)控模塊

鑒于大壩安全評價具有不確定性和復(fù)雜性的特點，因此該模塊采取多源信息融合方法對大壩各處監(jiān)測狀況給予符合其特性的評價。該模塊選取大壩各方位監(jiān)測信息、重要測點數(shù)據(jù)及指標(biāo)準(zhǔn)則組合為分析資料，采用機器學(xué)習(xí)方法對大壩歷史數(shù)據(jù)進行深度分析，挖掘各影響因子對壩體結(jié)構(gòu)的作用機理，并根據(jù)規(guī)則推理法模擬專家決策過程，形成相應(yīng)的評判規(guī)則庫和推理系統(tǒng)對大壩安全性態(tài)進行定性評價

3.3 ?巡視檢查管理模塊

該模塊支持的應(yīng)用包括日常巡檢、汛期前后檢查、年度詳查等。系統(tǒng)配置了專門的手機APP，提供運行單位現(xiàn)場檢查錄入信息該模式下，工程師可在巡檢過程中通過移動辦公的方式時刻向后方人員報送巡檢情況，并可通過智能應(yīng)用隨時查詢巡檢關(guān)注測點的詳細(xì)資料（視頻、照片等）和測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)場比對判斷監(jiān)測目標(biāo)的運行狀況，以確保巡檢成果的有效性和完整性。

3.4 ?缺陷隱患管理模塊

該模塊主要包括缺陷或隱患信息的填報、審核、處理、驗收一系列過程。可支持業(yè)務(wù)模塊發(fā)現(xiàn)的問題自動導(dǎo)入和人工錄入缺陷，對缺陷隱患等問題進行分類分級。當(dāng)測點數(shù)據(jù)達(dá)到其評判標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)將以短信和手機APP的形式向用戶發(fā)出警報提醒，以達(dá)到及時消除隱患的目的，進而實現(xiàn)隱患缺陷從發(fā)現(xiàn)、填報、審核、消除到驗收的全過程流程和管控。

3.5 ?綜合整編功能模塊

該模塊可以用數(shù)字化手段，自動生成相應(yīng)圖表，并根據(jù)個性化制作需求，提供自定義報表制作功能，代替人工整編的工作，實現(xiàn)校核、審查、核定的信息化流程，為大壩安全監(jiān)測管理工作提供有力輔助支撐，顯著提高監(jiān)測整編的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，并極大減少人力成本。

3.6 ?信息共享模塊

為解決傳統(tǒng)監(jiān)測管理工作中資料分散、多頭管理等問題，該模塊開發(fā)了信息共享功能，可支持大壩安全相關(guān)的各種規(guī)程規(guī)范、技術(shù)資料分類、上傳、審核、下載操作，并可對文件的標(biāo)題、類別、來源、欄目、編號等信息進行定義，以便于技術(shù)人員的集中統(tǒng)一管理和信息查詢共享，極大便利技術(shù)人員的日常管理工作。

4 ?結(jié)語

對于水利實體工程的安全運行而言，大壩安全監(jiān)測是至關(guān)重要的，本文基于“智能化”理念，通過運用人工智能、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)，加之行業(yè)規(guī)范和專家經(jīng)驗，構(gòu)建設(shè)計了智能化的大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)框架，切實依托數(shù)字化手段強化工作人員在大壩安全過程中如巡視檢查、防汛管理、綜合整編等各業(yè)務(wù)工作的管理水平，為大壩安全管理工作人員提供新的工作思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙新華，李慧瀅，何宇，查益華，范振東，傅春江.新安江水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)探討和監(jiān)測效果分析[J].水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2021，4（06）：61-63.

[2]張曉松，馮永祥，李小偉.雅礱江流域大壩安全信息化建設(shè)與應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電，2014，33（02）：158-161.