抽水蓄能電站水工建筑物專家分析庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉強(qiáng)（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

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抽水蓄能電站水工建筑物專家分析庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉強(qiáng)
（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

摘要：隨著我國抽水蓄能電站的建設(shè)，對抽水蓄能電站水工建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)安全評價(jià)是電站安全運(yùn)行的重要保障。通過對抽水蓄能電站水工建筑物安全監(jiān)測主要問題的分析，采用產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法，結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，對抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)進(jìn)行了研究開發(fā)，介紹采用的技術(shù)路線、方法和有關(guān)模型，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有關(guān)功能模塊。采用改進(jìn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型并結(jié)合產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法的抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)可以對水工建筑物安全性態(tài)進(jìn)行快速分析評價(jià)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；安全監(jiān)測；綜合分析推理；水工建筑物

0　引言

隨著我國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，我國建設(shè)了一批抽水蓄能電站。我國抽水蓄能電站建設(shè)雖然起步較晚，但依靠以往大規(guī)模常規(guī)水電建設(shè)所積累的經(jīng)驗(yàn)，加上近十幾年來引進(jìn)的國外先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，中國抽水蓄能電站有較高的起點(diǎn)。例如在水工建筑物防滲方面，十三陵抽水蓄能電站上水庫成功采用了全庫鋼筋混凝土防滲襯砌，天荒坪、張河灣、西龍池和寶泉等抽水蓄能電站采用現(xiàn)代瀝青混凝土面板技術(shù)全庫盆防滲，處于世界先進(jìn)水平。為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)對抽水蓄能電站水工建筑物進(jìn)行安全評價(jià)。

在進(jìn)行水工建筑物的安全分析評價(jià)時(shí)，常常通過對單一觀測量進(jìn)行定性和定量分析來確定大壩的工作性態(tài)。但是水工建筑物的結(jié)構(gòu)和工作條件復(fù)雜，各種單一觀測量之間存在一定的聯(lián)系，因此大壩安全評價(jià)需要根據(jù)不同部位不同項(xiàng)目的多因素觀測數(shù)據(jù)綜合進(jìn)行。因此，研究以自動(dòng)化和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用綜合評價(jià)模型和方法，建立水工建筑物安全綜合分析評價(jià)系統(tǒng)，對建筑物性態(tài)進(jìn)行在線和離線分析及安全評估，確定結(jié)構(gòu)的異常程度，對建筑物的安全狀況進(jìn)行判斷是很有實(shí)用意義的。

目前大壩安全綜合分析評價(jià)系統(tǒng)中種所采用的方法主要有專家評估法（Expert Evaluation Meth?od）、專家系統(tǒng)（Expert System）、綜合法（Synthetic Method）、模糊綜合法（Fuzzy Synthetic Method）及模式識別法（Pattern Recognition）等。抽水蓄能電站水工建筑物安全評價(jià)的對象除了上庫大壩、下庫大壩以外，還有抽水蓄能電站所特有的庫盆、引水系統(tǒng)和地下廠房等水工建筑物，綜合分析的層次劃分、權(quán)重確定等具有的經(jīng)驗(yàn)相對于常規(guī)大壩偏少。同時(shí)，設(shè)計(jì)單位所能提供的設(shè)計(jì)指標(biāo)也僅僅是根據(jù)設(shè)計(jì)階段的有關(guān)計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)判斷給出，運(yùn)行期監(jiān)控指標(biāo)需要在運(yùn)行過程中結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)以及實(shí)際監(jiān)測資料綜合分析來擬定。因此，難以通過現(xiàn)有單測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)的判別實(shí)現(xiàn)對水工建筑物整體的安全評價(jià)和監(jiān)控。通過對以上幾種綜合分析評價(jià)方法實(shí)現(xiàn)的難易程度及本工程特點(diǎn)進(jìn)行分析、比較認(rèn)為，基于單測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)判別的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)綜合分析評價(jià)方法相對更適宜目前抽水蓄能電站水工建筑綜合分析推理子系統(tǒng)的研究和開發(fā)。這種方法通過統(tǒng)計(jì)模型或設(shè)計(jì)值建立安全監(jiān)控指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)有水工建筑物設(shè)計(jì)和監(jiān)測項(xiàng)目建立相應(yīng)的推理規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性態(tài)的合理評判，具有計(jì)算快速、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1　抽水蓄能電站樞紐布置與安全監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置

抽水蓄能電站樞紐工程水工建筑物一般由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群等組成。上水庫較多采用全庫盆瀝青混凝土（如天荒坪抽水蓄能電站上水庫）和全庫盆鋼筋混凝土面板（如十三陵、宜興抽水蓄能電站上水庫）的防滲形式。近年來，隨著科技的進(jìn)步，也有采用鋼筋混凝土面板庫岸和庫底土工膜聯(lián)合防滲的形式（如泰安抽水蓄能電站上水庫）或?yàn)r青混凝土面板和庫底粘土聯(lián)合防滲形式（寶泉抽水蓄能電站上水庫）。輸水系統(tǒng)一般由進(jìn)/出水口、引水隧洞、岔管、高壓支管等組成。地下廠房及尾水系統(tǒng)一般由主廠房及安裝場、主變洞、尾水隧洞等組成。下水庫一般利用已建的水庫加固改建而成，大壩一般為常規(guī)混凝土壩或者土石壩。

上、下水庫環(huán)境量監(jiān)測主要為庫水位監(jiān)測，氣溫和降雨量一般引用水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

上水庫主要監(jiān)測大壩的表面和內(nèi)部變形、典型斷面壩體和壩基的滲壓。上水庫庫盆主要監(jiān)測庫盆和庫岸邊坡的變形、庫盆內(nèi)部沉降、以及庫盤底部滲壓以及滲流量。輸水系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目主要有圍巖應(yīng)力、變形、滲流監(jiān)測、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及其外水壓力等。

地下廠房及尾水系統(tǒng)布置的監(jiān)測項(xiàng)目一般主要有外水壓力、圍巖變形、錨桿應(yīng)力、錨索張力、襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力等。

下水庫大壩一般按照常規(guī)大壩要求布置有水平位移、沉降、壩基或壩體滲壓、滲流量等監(jiān)測項(xiàng)目。

2　安全綜合分析推理系統(tǒng)方法

2.1系統(tǒng)技術(shù)路線

抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、確定異常程度為主要目標(biāo)。具體技術(shù)路線如下：

（1）對單個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行定量分析，并對測點(diǎn)定量狀態(tài)進(jìn)行分類，以滿足下一步綜合推理的需要；

（2）利用產(chǎn)生式專家系統(tǒng)技術(shù)使綜合推理結(jié)構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線結(jié)構(gòu)異常發(fā)現(xiàn)和安全評價(jià)；

（3）為分析人員提供良好離線綜合分析的數(shù)據(jù)和模型支持。

抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)一般按照數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫以及推理機(jī)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫提供樞紐各建筑物不同監(jiān)測項(xiàng)目的各類基礎(chǔ)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)；模型庫提供樞紐各建筑物不同部位的各類統(tǒng)計(jì)模型分析模塊，利用模型判別測值的正常或異常性質(zhì)；知識庫用于知識信息的存儲(chǔ)，內(nèi)容一般包括樞紐各類建筑物的設(shè)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)和專家知識規(guī)則。

安全綜合分析推理系統(tǒng)采用開放的架構(gòu)設(shè)計(jì)，作為一個(gè)子系統(tǒng)接入已有的安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，子系統(tǒng)所需監(jiān)測數(shù)據(jù)（含測點(diǎn)信息、自動(dòng)化數(shù)據(jù)、人工數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)）以接口方式從其他監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中獲取，同時(shí)其他系統(tǒng)也可以使用接口的形式查詢、發(fā)布子系統(tǒng)的分析推理結(jié)果。

2.2推理機(jī)和知識庫技術(shù)

推理機(jī)和知識庫是系統(tǒng)研究開發(fā)的核心內(nèi)容。綜合分析推理子系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、確定異常程度為主要目標(biāo)，因此系統(tǒng)按產(chǎn)生式專家系統(tǒng)（規(guī)則系統(tǒng)）方法，一般采用正向推理，需要研究開發(fā)具有良好使用性能的通用不精確正向推理機(jī)，以通用組件的形式實(shí)現(xiàn)了對知識庫的操作。該推理機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)共享、通用和不精確推理等特性，實(shí)現(xiàn)方便，可以基于它來構(gòu)建功能強(qiáng)大的專家系統(tǒng)。

2.2.1規(guī)則表示

系統(tǒng)建立的不精確推理機(jī)用產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行知識表示，這種規(guī)則以標(biāo)準(zhǔn)的IF-THEN格式來表示知識模型。規(guī)則通常分為規(guī)則前件部分和規(guī)則后件部分，即條件部分和結(jié)論部分。

2.2.2知識庫設(shè)計(jì)

將知識庫設(shè)計(jì)成3類，分別表示規(guī)則前件（條件）、規(guī)則后件（結(jié)論）以及規(guī)則條件與規(guī)則結(jié)論的對應(yīng)關(guān)系。

針對不同建筑物的推理對象，確定推理異常目標(biāo)并編寫推理目標(biāo)的相關(guān)規(guī)則，形成知識庫。可在水工建筑物運(yùn)行過程中，根據(jù)建筑物可能發(fā)生的各種異常編寫推理規(guī)則擴(kuò)充知識庫內(nèi)容。

3　系統(tǒng)主要功能模塊

3.1推理對象管理

在進(jìn)行綜合分析推理時(shí)，按照監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測部位或者特殊的物理過程來設(shè)置推理對象，并組織該推理對象下相關(guān)的測點(diǎn)。根據(jù)各個(gè)建筑物可能存在的安全問題及監(jiān)測儀器布置情況，劃分和確定具體分析對象，并以此為單位，組織及建立相應(yīng)的知識庫（規(guī)則庫）。

抽水蓄能電站投入運(yùn)行后主要的工程問題包括上庫大壩和庫盆滲流、大壩的不均勻變形可能產(chǎn)生裂縫、引水系統(tǒng)滲流以及變形等，這些問題是系統(tǒng)中需要分析的主要推理對象，運(yùn)行中對這些對象進(jìn)行在線監(jiān)控及分析（包括人工監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入后的即時(shí)檢查分析）。

3.2監(jiān)控指標(biāo)管理

系統(tǒng)采用統(tǒng)計(jì)模型監(jiān)控指標(biāo)、設(shè)計(jì)指標(biāo)以及監(jiān)控指標(biāo)來對單測點(diǎn)進(jìn)行判別，其中監(jiān)控指標(biāo)是指在運(yùn)行過程中結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)以及實(shí)際監(jiān)測資料綜合分析擬定的監(jiān)測指標(biāo)。由于統(tǒng)計(jì)模型外延后和實(shí)測值比較時(shí)差別較大，采用固定模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型判別效果較差，因此系統(tǒng)中不管是否有設(shè)計(jì)指標(biāo)和監(jiān)控指標(biāo)，系統(tǒng)可通過統(tǒng)計(jì)模型來實(shí)時(shí)計(jì)算最新模型指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對測點(diǎn)測值的判別。

3.3知識庫規(guī)則管理

知識庫規(guī)則對某一具體對象而專門設(shè)置，同類分析對象可共用同一知識庫或部分相同規(guī)則。規(guī)則和推理目標(biāo)針對一個(gè)或多個(gè)具體的分析推理特定問題（對象）設(shè)置。在抽水蓄能電站綜合分析推理系統(tǒng)開發(fā)過程中，收集有關(guān)水工建筑物安全監(jiān)測資料分析、安全鑒定等資料，根據(jù)各建筑物可能出現(xiàn)的不安全問題，確定分析推理對象開發(fā)相應(yīng)的知識庫。

3.4在線綜合分析推理

當(dāng)新增監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)在線綜合分析推理，主要由單測點(diǎn)的各類標(biāo)準(zhǔn)檢查、單點(diǎn)信息的定量化、在線綜合推理等組成。用戶可以在離線分析系統(tǒng)中查看在線分析結(jié)果，進(jìn)行在線分析有關(guān)設(shè)置。

3.4.1單點(diǎn)檢查及定量化

以統(tǒng)計(jì)模型及監(jiān)控指標(biāo)對新測數(shù)據(jù)進(jìn)行單測點(diǎn)檢查。統(tǒng)計(jì)模型指標(biāo)包括模型限值以及速率標(biāo)準(zhǔn)以及時(shí)效的發(fā)展趨勢；監(jiān)控指標(biāo)包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、根據(jù)實(shí)測資料分析確定的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)等。在上述各類標(biāo)準(zhǔn)檢查過程中，自動(dòng)形成單個(gè)測點(diǎn)的定量信息，包括模型超界類型、監(jiān)控指標(biāo)、時(shí)效發(fā)展趨勢的檢查結(jié)果，從而確定測點(diǎn)異常程度等級，為進(jìn)一步綜合分析推理提供條件。

3.4.2在線綜合推理

在單點(diǎn)定量化的基礎(chǔ)上，按推理對象對監(jiān)測量（測點(diǎn)）結(jié)果進(jìn)行綜合推理，以測量或結(jié)構(gòu)是否異常為推理目標(biāo)，完成對水工建筑物狀態(tài)的自動(dòng)評估。

3.5離線綜合分析推理

離線綜合分析推理可隨時(shí)對各建筑物、各種推理對象和測點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，對大壩性態(tài)做出綜合判斷。綜合分析結(jié)果給管理人員提供充分的圖形支持和模型支持，方便管理人員進(jìn)行有關(guān)決策。

離線分析為分析人員提供了強(qiáng)有力的分析環(huán)境，可對在線綜合分析發(fā)現(xiàn)的疑點(diǎn)做進(jìn)一步的分析處理，以利于分析人員根據(jù)自己的需要調(diào)用多種數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行更廣泛的綜合分析，同時(shí)，還可以修改模型參數(shù)對模型進(jìn)行調(diào)整，以取得更滿意的結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輔助決策功能。

通過對相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測物理量進(jìn)行合理的組織，可靈活調(diào)用各類圖形及模型結(jié)果，從而提供有效的數(shù)據(jù)支持及模型支持。常規(guī)大壩統(tǒng)計(jì)模型分析時(shí)，所使用的環(huán)境量一般是某個(gè)固定時(shí)刻的水位、平均氣溫和日降水量。抽水蓄能電站水位波動(dòng)較大，對于荷載影響較快的混凝土結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測量，應(yīng)采用即時(shí)水位；對于影響滯后的監(jiān)測量如滲壓、滲流量等，可采用前期平均水位進(jìn)行建模。

圖1　離線綜合分析推理Fig.1 Off-line comprehensive analysis and reasoning

3.6綜合分析結(jié)果查詢

綜合分析結(jié)果查詢是實(shí)現(xiàn)對建筑物在線分析和離線分析結(jié)果、單點(diǎn)檢查結(jié)果和分析推理過程的綜合查詢。建筑物分析結(jié)果查詢時(shí)，顯示建筑物名稱、綜合分析推理結(jié)果、分析類型、綜合評價(jià)結(jié)果、分析數(shù)據(jù)截止時(shí)間以及分析時(shí)間；單點(diǎn)檢查結(jié)果查詢時(shí)，顯示與當(dāng)前分析對象有關(guān)的全部測點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)的定量評價(jià)結(jié)果，包括測點(diǎn)編號、測時(shí)、測值、模型（統(tǒng)計(jì)模型）檢查結(jié)果、超界次數(shù)及類型、速率標(biāo)準(zhǔn)檢查結(jié)果、時(shí)效類型、統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢查、監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)檢查、環(huán)境量狀態(tài)、單點(diǎn)狀態(tài)判別及備注等多項(xiàng)內(nèi)容，對每項(xiàng)內(nèi)容給出評價(jià)等級的具體劃分方法或范圍；推理對象和異常測點(diǎn)的推理結(jié)果提供所使用的規(guī)則和推理鏈明細(xì)等。

4　結(jié)語

抽水蓄能電站水工建筑物專家分析庫系統(tǒng)針對抽水蓄能電站水工建筑物特點(diǎn)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型并結(jié)合產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法對抽水蓄能電站水工建筑物的安全性態(tài)進(jìn)行快速評價(jià)。系統(tǒng)以水工建筑物安全問題為重點(diǎn)設(shè)計(jì)推理對象并可以靈活配置和擴(kuò)展，可以設(shè)置相應(yīng)的知識規(guī)則和推理目標(biāo)，擴(kuò)展和提升系統(tǒng)的使用效果。對分析模型和推理機(jī)算法和知識庫進(jìn)行抽象，可快速用于國內(nèi)外同類抽水蓄能電站監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［2］高洪深.決策支持系統(tǒng)（DSS）-理論·方法·案例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1996.

［3］陳文偉.智能決策技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998.

［4］何金平，李珍照，施玉群.大壩結(jié)構(gòu)實(shí)測性態(tài)綜合評價(jià)方法研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2001（2）:36-42.

［5］鄭付剛，游強(qiáng)強(qiáng)，等.基于安全監(jiān)測系統(tǒng)的大壩安全多層次模糊綜合評判方法［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（4）:407-414.

［6］萬江平，嚴(yán)明，楊建梅.用Java語言開發(fā)專家系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，1997（5）:62-64.

作者郵箱：liu_q@ecidi.com

Title:Research and development of expert analysis system for hydraulic structures of pumped storage power plant//by LIU Qiang//Zhejiang Huadong Engineering Safety Technology Co.，Ltd.

Abstract:As the development of pumped storage power plants in China，the real time safety evaluation of hydraulic structures is of great importance.By analysis on the main problems in safety monitoring，the production expert system is adopted.Combined with latest software technology，comprehensive analysis and reasoning system for hydraulic structures of pumped storage power plants is developed.The paper introduced the technology，method and related models used as well as the functions realized.By applica?tion of optimized statistic mathematic model and production expert system，the safety performance of hy?draulic structures can be analyzed and evaluated quickly，which is worthy reference.

Key words:pumped storage power plant；safety monitoring；comprehensive analysis and reasoning；hy?draulic structure

中圖分類號：TP315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-1092（2016）01-0042-04

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：劉 強(qiáng)（1981-），男，湖南漢壽人，高級工程師，主要從事水利水電工程安全監(jiān)測工作。