百色水利樞紐安全監(jiān)測工作發(fā)展方向研究

王 偉 馬建新 周少良

(廣西右江水利開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 533000)

百色水利樞紐建成投運(yùn)至今已逾15年，為流域、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但工程安全監(jiān)測和智慧管理技術(shù)應(yīng)用卻相對滯后，不能滿足新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的要求。加快推進(jìn)工程安全監(jiān)測工作信息化、智能化建設(shè)，既是信息社會對水利工程管理提出的客觀要求，也是新階段水利發(fā)展的重大任務(wù)。作為流域重要控制性水利工程，百色水利樞紐安全監(jiān)測工作需要進(jìn)行全面技術(shù)升級，本文從該工程實(shí)際出發(fā)，認(rèn)真剖析現(xiàn)階段安全監(jiān)測工作存在的問題，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，研究探討百色水利樞紐工程安全監(jiān)測工作的發(fā)展方向。

1 工程概況

百色水利樞紐位于珠江水系郁江流域右江干流，壩址距離廣西百色市約22km，是集防洪、水資源配置、水力發(fā)電等綜合效益于一體的大型水利樞紐工程。工程總庫容56.6億m3，防洪庫容16.4億m3，正常蓄水位228m，汛限水位214m，水庫死水位203m(水庫初期運(yùn)行死水位195m)，電站裝機(jī)容量540MW，多年平均年發(fā)電量16.9億kW·h。樞紐工程由主壩、地下廠房、副壩和通航建筑物四部分組成。主壩為全斷面碾壓混凝土(RCC)重力壩，壩頂高程234m，壩頂總長720m，最大壩高130m。地下發(fā)電廠房布置在左岸，由主機(jī)洞、交通洞、通風(fēng)疏散洞等建筑物組成。副壩包括銀屯、香屯兩座副壩，均為均質(zhì)土壩，壩頂高程為235m，壩頂寬8m，其中銀屯最大壩高39m，壩頂長375m；香屯副壩最大壩高26m，壩頂長96m。通航建筑物一期工程已完成了受庫區(qū)蓄水水位影響的上游引航道部分。工程于2001年10月開工建設(shè)，2005年8月下閘蓄水，2006年12月4臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，2016年12月通過工程整體竣工驗(yàn)收。

2 安全監(jiān)測簡況

根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 601—2013)、《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551—2012)等要求，百色水利樞紐安全監(jiān)測工作以工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地質(zhì)條件，準(zhǔn)確分析工程的運(yùn)行狀況，給出調(diào)度運(yùn)行的合理化建議，在確保工程安全的前提下，盡可能地發(fā)揮工程的綜合效益。工程投運(yùn)以來，一直按照規(guī)定開展巡查、觀測、整編、分析等工作，有效保障了樞紐工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

百色水利樞紐安全監(jiān)測系統(tǒng)包括RCC主壩、引水發(fā)電、副壩及引航道監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測項(xiàng)目包含變形、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、滲流、水位、環(huán)境量等。監(jiān)測系統(tǒng)隨主體工程同步施工，監(jiān)測儀器于2002年11月開始埋設(shè)，2008年5月31日完成完工移交現(xiàn)場，共計(jì)埋設(shè)各類傳感器2202支，接入自動化系統(tǒng)1885支。經(jīng)過近15年的不間斷運(yùn)行，安全監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)傳感器老化失效、自動化系統(tǒng)軟件功能落后、穩(wěn)定性及可靠性降低，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)不到位等情況，副壩監(jiān)測項(xiàng)目未實(shí)現(xiàn)自動化，難以滿足百色水利樞紐工程實(shí)際監(jiān)測需求。2018年起，按照百色水利樞紐實(shí)際情況，參照國家有關(guān)規(guī)程規(guī)范，以全面提升監(jiān)測自動化水平為主旨，根據(jù)大壩運(yùn)行情況、安全監(jiān)測設(shè)施的完好情況和存在的問題，本文對現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備進(jìn)行合理有效的整合，對百色水利安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，以充分利用和發(fā)揮原有監(jiān)測儀器設(shè)施的功能及作用，重點(diǎn)保證及提升變形與滲流滲壓監(jiān)測儀器設(shè)施完好率。系統(tǒng)已于2021年改造完成并投入使用，改造后的安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)采用全B/S模式運(yùn)行，可跨平臺使用，并且提供手機(jī)APP客戶端。

3 存在問題剖析

3.1 信息資源匱乏

目前百色水利樞紐安全監(jiān)測系統(tǒng)僅接入了水工建筑物的傳感器監(jiān)測信息，但要全面分析并保障百色水利樞紐安全運(yùn)行，卻需要掌握工程地質(zhì)條件、工程建筑質(zhì)量、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料、運(yùn)行調(diào)度情況、安全管理規(guī)定以及水雨情等多元信息。上述各類信息采集的時空間隔、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)精度與信息表達(dá)方式具有多樣性特點(diǎn)，并且各信息系統(tǒng)分屬不同的職能部門或行業(yè)，各系統(tǒng)間相對獨(dú)立，信息的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化程度非常低，信息種類不全。

3.2 信息共享困難

由于各類數(shù)據(jù)交互渠道缺失，數(shù)據(jù)共享機(jī)制不健全，導(dǎo)致原本就有限的信息資源共享更加困難。百色水利樞紐工程建設(shè)了水雨情遙測、閘門在線監(jiān)測、水調(diào)決策輔助等多個應(yīng)用系統(tǒng)，獲取了大量的寶貴數(shù)據(jù)信息，但由于各應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)單一，各自的專用數(shù)據(jù)庫和軟件技術(shù)水平、開放程度各異，導(dǎo)致出現(xiàn)條塊分割的特征，形成了以專業(yè)為邊界的信息孤島。由于已建成的各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與具體業(yè)務(wù)緊密綁定，數(shù)據(jù)庫規(guī)范性較差，基本自成體系，未嚴(yán)格按照現(xiàn)行的水利數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)執(zhí)行，在共享環(huán)境中數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息很難理解，客觀上形成了難以逾越的數(shù)字鴻溝。各系統(tǒng)基本是委托開發(fā)，在開發(fā)建設(shè)之初未考慮數(shù)據(jù)共享需求，后續(xù)很難進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的二次開發(fā)，人為產(chǎn)生了信息壁壘。從客觀上講，目前百色水利樞紐網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，從各水工建筑物現(xiàn)場至數(shù)據(jù)中心的通信網(wǎng)絡(luò)保障率低，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級低，難以有效支撐信息資源共享需求，導(dǎo)致信息交流不暢、效率不高、安全缺乏保障，阻礙了信息共享。

3.3 現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用不足

目前BIM、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI、VR等技術(shù)蓬勃發(fā)展，但在百色水利樞紐工程中的應(yīng)用卻很少，不僅表現(xiàn)在應(yīng)用的范圍和水平上，還表現(xiàn)在對各類現(xiàn)代信息技術(shù)的認(rèn)知上。當(dāng)前階段，在電力、交通、航運(yùn)等行業(yè)，智能感知、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等信息技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用，遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、合成孔徑雷達(dá)、BIM等多種先進(jìn)技術(shù)手段也不斷升級，但水利工程監(jiān)測仍然停留在傳統(tǒng)水利層面，對新技術(shù)、新手段的應(yīng)用捉襟見肘。數(shù)字孿生工程建設(shè)推進(jìn)緩慢，由此導(dǎo)致安全監(jiān)測工作向智慧水利階段轉(zhuǎn)變的思路及方向仍不清晰。

4 發(fā)展方向研究

按照水利十四五規(guī)劃要求，2025年基本實(shí)現(xiàn)水利工程數(shù)字孿生建設(shè)，百色水利樞紐安全監(jiān)測工作迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。但安全監(jiān)測的未來絕不是簡單的將工程對象數(shù)字化、信息化，它應(yīng)該是在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測工作數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)上，高度融合信息技術(shù)，形成以深度感知、廣泛共享、全面整合為特征且具備自動預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)、智慧管理能力的監(jiān)測工作模式。

4.1 深度感知

百色水利樞紐需要建設(shè)全方位、全對象、全指標(biāo)的監(jiān)測感知體系，為工程運(yùn)行管理提供多種類、精細(xì)化的數(shù)據(jù)支撐。既需要不斷升級完善傳統(tǒng)監(jiān)測手段，又需要衛(wèi)星遙感、GNSS、視頻監(jiān)控等新技術(shù)；既采集工程的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)，又采集與其相關(guān)的水文、環(huán)境量等數(shù)據(jù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的“深度感知”網(wǎng)絡(luò)。未來三年，百色水利樞紐需要不斷提升監(jiān)測覆蓋范圍，建立全面覆蓋主壩、副壩、汪甸防護(hù)工程、剝隘滑坡治理工程以及近壩庫岸的監(jiān)測系統(tǒng)，以衛(wèi)星遙感、GNSS等技術(shù)為支撐，實(shí)時感知各建筑物的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等信息，并以統(tǒng)一格式傳輸至百色水利樞紐數(shù)據(jù)中心，建設(shè)智能視頻巡視檢查系統(tǒng)，提升缺陷隱患感知能力，建立隱患缺陷數(shù)據(jù)庫，彌補(bǔ)常規(guī)傳感器感知的不足；此外，還要提升感知系統(tǒng)的可靠性，強(qiáng)化數(shù)據(jù)感知保障能力，采用邊緣計(jì)算、增量傳輸、云存儲、云計(jì)算等技術(shù)，對感知系統(tǒng)采集裝置、傳輸存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動分析評級系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 廣泛共享

廣泛共享包含網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息共享兩個層面。在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層面，要實(shí)現(xiàn)感知對象和其他各平臺之間的互通互聯(lián)，既需要光纖、微波、RS485等傳統(tǒng)通信技術(shù)的支撐，又需要物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙、zig-bee、衛(wèi)星通信等現(xiàn)代技術(shù)支持，建設(shè)覆蓋百色水利樞紐整個工程區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)，重要節(jié)點(diǎn)建設(shè)由局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、移動網(wǎng)組成的數(shù)據(jù)傳輸保障體系，確保數(shù)據(jù)傳輸暢通無阻。在信息共享層面，需要通過制定統(tǒng)一的信息交換渠道和數(shù)據(jù)交換格式，利用異常數(shù)據(jù)自適應(yīng)識別技術(shù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、BIM+技術(shù)等，使各類數(shù)據(jù)能全參與、全交換，實(shí)現(xiàn)百色水利樞紐安全監(jiān)測、巡視檢查、水雨情、工程運(yùn)行調(diào)度等深度感知數(shù)據(jù)的共用、復(fù)用和再生，為各類工程應(yīng)用提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。

4.3 全面整合

全面整合現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，充分考慮結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并存的多

源異構(gòu)信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對百色水利樞紐長期運(yùn)行累積的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，彌補(bǔ)因僅依據(jù)單一數(shù)據(jù)信息造成的工程性狀評估偏差。同時建立環(huán)境變量與變形、滲流等效應(yīng)量同類和異類信息融合的感知模型，實(shí)現(xiàn)樞紐工程多尺度、多維度、異構(gòu)、多源信息數(shù)據(jù)層和特征層的深度融合，進(jìn)一步建設(shè)基于BIM的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合智能可視化分析系統(tǒng)乃至數(shù)字孿生百色水利樞紐，為百色水利樞紐工程運(yùn)行調(diào)度決策提供技術(shù)支持。

5 結(jié) 語

百色水利樞紐安全監(jiān)測工作在工程安全運(yùn)行中扮演著極其重要的角色，深度感知、廣泛共享、全面整合是其發(fā)展方向，但是目前尚停留在思考和設(shè)想階段。如何將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化技術(shù)融入到監(jiān)測工作中，全面感知樞紐工程多源信息，通過廣泛共享和全面融合，科學(xué)優(yōu)化資源配置，增強(qiáng)風(fēng)險識別能力，實(shí)現(xiàn)大壩安全智能監(jiān)測和智慧管理，充分發(fā)揮百色水利樞紐工程綜合效益，保障工程安全，提升管理水平，是當(dāng)前及今后一個階段的重要任務(wù)。