石龍水電站廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

夏春芬,孫 麗,孔凡場,孟永東

(1.吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司,吉林撫松134500；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌443002)

石龍水電站廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

夏春芬1,孫 麗1,孔凡場1,孟永東2

(1.吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司,吉林撫松134500；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌443002)

石龍水電站廠房后山坡地質(zhì)條件復(fù)雜,巖石破碎且賦存大量夾泥裂隙,巖體卸荷強(qiáng)烈,表面防護(hù)變形嚴(yán)重,進(jìn)一步惡化趨勢明顯,一旦失穩(wěn)必將危及電站廠房及發(fā)電設(shè)備和人員安全。通過研究廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),對其邊坡狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測和預(yù)警,該系統(tǒng)以Visual Studio.Net為開發(fā)環(huán)境,具有數(shù)據(jù)自動采集入庫、實(shí)時分析和預(yù)警功能,可為石龍水電站的安全運(yùn)行決策提供技術(shù)支持。

邊坡穩(wěn)定；安全監(jiān)測；實(shí)時預(yù)測；預(yù)警；石龍水電站

(1. Jilin Songjiang River Water Power Generation Co., Ltd., Fusong 134500, Jilin, China;

2. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

0 引 言

邊坡的穩(wěn)定問題不僅涉及到工程本身的安全,同時也涉及到整體環(huán)境的安全,邊坡的失穩(wěn)破壞不僅會影響水電工程本身,也會給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來不利影響和災(zāi)害[1]。影響邊坡穩(wěn)定性和造成邊坡失穩(wěn)的原因是多因素、多變量、強(qiáng)耦合、非線性的綜合作用結(jié)果,為了做到對邊坡工作性態(tài)的實(shí)時掌握,保證水電站安全運(yùn)行,要求進(jìn)行邊坡安全監(jiān)測信息的及時快速反饋。監(jiān)測資料分析成果處理是安全監(jiān)測內(nèi)容的一部分,當(dāng)前使用較多的方法仍然是人工處理方法,無法應(yīng)對監(jiān)測設(shè)施實(shí)時獲取的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理；或者使用當(dāng)前通用型的邊坡監(jiān)測系統(tǒng),雖然能對監(jiān)測資料進(jìn)行存儲與管理,但是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線分析,自動采集和預(yù)警發(fā)布方面仍然存在著不足,大大影響了監(jiān)測分析反饋的實(shí)時性[2-3]。

石龍水電站廠房后山坡地質(zhì)條件復(fù)雜,巖石破碎且賦存大量夾泥裂隙,巖體卸荷強(qiáng)烈,表面防護(hù)變形嚴(yán)重,進(jìn)一步惡化趨勢明顯,一旦失穩(wěn)必將危及廠房及發(fā)電設(shè)備和人員安全。雖然現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施能夠采集到邊坡的變形等監(jiān)測數(shù)據(jù),但缺少對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析和預(yù)警功能,致使無法實(shí)時歸納、提取出邊坡變形特征和安全穩(wěn)定狀態(tài)信息,無法及時預(yù)警。本文針對石龍水電站復(fù)雜邊坡問題進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究,對廠房后山坡的監(jiān)測資料進(jìn)行整理分析,從各種零散的監(jiān)測數(shù)據(jù)中分析、歸納、提取出邊坡變形特征和安全穩(wěn)定狀態(tài)信息,為掌握邊坡的工作性態(tài)、評估邊坡的穩(wěn)定性提供依據(jù),為石龍水電站廠房后山坡安全運(yùn)行決策提供技術(shù)支持。

1 實(shí)時監(jiān)測預(yù)警原理

實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用定期現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)分析與解釋、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、理論分析和工程實(shí)際研究相結(jié)合的研究方法。首先對廠房后山坡安全監(jiān)測資料進(jìn)行整理分析,歸納提取出邊坡變形特征和安全穩(wěn)定狀態(tài)信息；然后根據(jù)對監(jiān)測信息的長期動態(tài)分析,分別研究廠房后山坡變形與失穩(wěn)預(yù)警準(zhǔn)則、邊坡的預(yù)警指標(biāo),建立石龍水電站廠房后山坡的安全監(jiān)控預(yù)警體系；最后實(shí)現(xiàn)對廠房后山坡安全性狀的動態(tài)綜合分析。

該系統(tǒng)以Visual Studio.Net為開發(fā)環(huán)境,利用數(shù)據(jù)庫引擎(ODBC),在MySQL數(shù)據(jù)庫平臺上建立廠房后山坡的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫、工程信息庫、監(jiān)測布設(shè)信息庫等,作為監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過建立數(shù)據(jù)庫來解決數(shù)據(jù)的存放問題[4]；通過獲取的現(xiàn)場地質(zhì)資料、監(jiān)測信息等,建立監(jiān)測信息和分項(xiàng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信息的查詢、分析和處理的可視化輸出；同時,通過對大量現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測資料的噪聲剔除、數(shù)據(jù)挖掘分析處理,制定預(yù)警判據(jù)指標(biāo),建立預(yù)警系統(tǒng),適時地反饋和預(yù)報(bào)電站運(yùn)行過程中的變形狀態(tài),實(shí)現(xiàn)警情的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

由于當(dāng)前通用型的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)能夠能對監(jiān)測資料進(jìn)行存儲和管理,不足的地方是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線分析,自動采集和預(yù)警發(fā)布方面,因此本文將重點(diǎn)介紹石龍水電站廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)分析預(yù)測模塊和監(jiān)測預(yù)警模塊。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)

石龍水電站廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)邊坡動態(tài)和靜態(tài)信息的多元信息集成管理,具有監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時采集、預(yù)處理、變形預(yù)測、預(yù)警發(fā)布等功能,具有判斷邊坡穩(wěn)定的多級控制體系和預(yù)警閥值調(diào)整功能,并具備對邊坡變形的突變信息進(jìn)行辨識和提示的功能,可實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測資料及其預(yù)測分析結(jié)果的實(shí)時可視化表達(dá),以達(dá)到及時掌握邊坡動態(tài)信息的目的。

2.1 數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊

考慮到安全性和傳輸速度以及穩(wěn)定性等方面的要求,該監(jiān)測系統(tǒng)采用WebService技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測信息數(shù)據(jù)自動采集功能,以及解決自動采集系統(tǒng)與邊坡監(jiān)測三維可視化及實(shí)時預(yù)警系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步單向傳輸問題。

單向傳輸和存儲的過程如下：首先,根據(jù)自動采集系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建WebService服務(wù),并將它發(fā)布到在線服務(wù)器,對于邊坡監(jiān)測三維可視化及實(shí)時預(yù)警系統(tǒng)的服務(wù)器端而言,服務(wù)器端通過獲取各類WebService客戶端API傳遞WSDL文件的URL地址,來創(chuàng)建相應(yīng)的API底層代理類,通過這些代理類將邊坡監(jiān)測三維可視化及實(shí)時預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器端的方法調(diào)用轉(zhuǎn)換為SOAP請求；然后再通過HTTP協(xié)議將SOAP請求數(shù)據(jù)傳遞到WebService服務(wù)端,WebService服務(wù)端接收到請求數(shù)據(jù)后開始解析數(shù)據(jù),查找或者創(chuàng)建對象,調(diào)用WebService服務(wù)中的函數(shù)方法,客戶端通過創(chuàng)建的API底層代理類將接收到的SOAP響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)值,并將其存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,完成系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動獲取。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

針對監(jiān)測原始數(shù)據(jù)和監(jiān)測物理量數(shù)據(jù)序列的預(yù)處理功能要求,采用可信度分析方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,對整編監(jiān)測物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法包括三點(diǎn)中值濾波、加權(quán)平均濾波和移動平滑濾波三種濾波方式。

(1)可信度分析模塊。測量誤差、機(jī)器誤差、人為誤差等原因會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)中不可避免的存在粗差和異常值,而在邊坡監(jiān)測項(xiàng)目中,監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真對整個系統(tǒng)的監(jiān)測和判斷影響重大,因此,須對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度分析。可信度分析的原理為：選取適當(dāng)?shù)乃阉鞣秶?以某個測值為中心,向前和向后搜索,以一定的偏差范圍確定出當(dāng)前測值在鄰域內(nèi)的可信度，由此可判斷測值是否有效。

(2)三點(diǎn)中值濾波模塊。中值濾波的過程就是將連續(xù)測量的監(jiān)測數(shù)據(jù)先按照值的大小來進(jìn)行排序,然后再根據(jù)排列序列,直接取中值作為該次測量的有效值。為方便快速取得中值,采樣次數(shù)應(yīng)為奇數(shù)。中值濾波可以有助于解決一些不確定因素引起的波動或者是由于監(jiān)測儀器的不穩(wěn)定造成的誤差干擾。

(3)加權(quán)平均濾波模塊。加權(quán)平均濾波的過程就是將連續(xù)的測量值分別乘上一個與之對應(yīng)的系數(shù)后再求和,這個系數(shù)稱作加權(quán)系數(shù),根據(jù)以往的算法,加權(quán)系數(shù)一般都是小于1的數(shù),但是總和等于1,并且一般先小后大。加權(quán)平均濾波算法能夠提高系統(tǒng)的靈敏度,并且有助于解決平滑度和靈敏度之間的問題。

(4)移動平滑濾波模塊。當(dāng)監(jiān)測周期較長或監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較快時,可以采用移動滑動平均濾波來解決數(shù)據(jù)的實(shí)時性問題。移動滑動平均濾波的過程是在每個監(jiān)測周期內(nèi)測量一次,然后將這次測量值與以前的若干次測量值求取平均值,平均值即可作為有效測量值。

2.3 預(yù)測建模模塊

預(yù)測預(yù)報(bào)建模方法包括指數(shù)平滑預(yù)測建模、灰色理論預(yù)測建模、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建模、曲線回歸預(yù)測建模4種預(yù)測建模方法[5- 6]。

(1)指數(shù)平滑預(yù)測模塊。指數(shù)平滑預(yù)測的過程就是在每個時間序列內(nèi)獲得監(jiān)測數(shù)據(jù),然后讓曲線變得更加平滑,在該監(jiān)測數(shù)據(jù)中去掉極大值和極小值,最后獲得該時間序列的平滑值,并將它作為下個時間序列的預(yù)測值。值得注意的是,在整個預(yù)測過程中,需要不斷用預(yù)測的誤差來對新的預(yù)測值做出修正。依據(jù)以上原理開發(fā)指數(shù)平滑預(yù)測模塊。

(2)灰色預(yù)測模塊?；疑Ｐ褪且曰疑K為基礎(chǔ),然后再以微分?jǐn)M合法建成的模型,跟其他預(yù)測的方法比較而言,灰色預(yù)測只需較少的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行預(yù)測。

(3)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是把每一組數(shù)據(jù)的輸出與輸入轉(zhuǎn)換成非線性的優(yōu)化問題,以此來簡化問題,經(jīng)過調(diào)整BP網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)值,就能夠達(dá)到完成以任意精度接近任何的非線性函數(shù),可以用于監(jiān)測物理量過程曲線的擬合。

(4)回歸預(yù)測模型?；貧w預(yù)測理論認(rèn)為,在回歸方程中如果包含的自變量越多,那么回歸平方和就會越大,剩余平方和與剩余均方和就會越小,因而預(yù)報(bào)就會越精確。所以在“最優(yōu)”的回歸方程中就希望包括盡可能多的自變量,特別是對預(yù)測變量有顯著影響的變量不能遺漏。模塊設(shè)計(jì)時如擬選擇逐步回歸方法來建立回歸方程,回歸預(yù)測需要較多的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

2.4 監(jiān)測預(yù)警模塊

石龍水電站廠房后山坡監(jiān)測預(yù)警模塊將邊坡的安全等級分為安全、比較安全、一般、危險(xiǎn)、比較危險(xiǎn),分別用綠色、藍(lán)色、黃色、橙色、紅色表示。同時為方便監(jiān)測人員及時獲得邊坡信息,該系統(tǒng)可將邊坡信息以網(wǎng)頁推送或短信發(fā)送的形式告知監(jiān)測人員,當(dāng)監(jiān)測人員獲得邊坡信息后,可根據(jù)預(yù)警信號的顏色判定邊坡安全等級,并根據(jù)相應(yīng)安全等級采取相應(yīng)措施。

系統(tǒng)實(shí)時預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能的實(shí)現(xiàn)是基于遠(yuǎn)程實(shí)時在線共享信息原理,且充分利用了現(xiàn)有的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,為工程內(nèi)部區(qū)域或跨區(qū)域?qū)崟r在線共享預(yù)警信息提供了一種簡單有效的方法,系統(tǒng)實(shí)時預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

(1)系統(tǒng)客戶端推送相關(guān)的HTML文件至Web服務(wù)器,瀏覽器與Web服務(wù)器建立TCP連接,并發(fā)出基于HTTP協(xié)議的訪問請求。根據(jù)HTTP協(xié)議,該請求中包括URL、IP地址、瀏覽器類型等信息。

(2)Web服務(wù)器接收訪問請求,并根據(jù)HTTP協(xié)議對其進(jìn)行解析,明確后續(xù)需完成的動作,涉及的內(nèi)容主要包括方法(GET)、文檔(/index.html)、和瀏覽器使用的協(xié)議(HTTP/1.1)。其中,GET方法明確Web服務(wù)器需執(zhí)行的動作,主要包括實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器定位、文檔信息讀取以及返回文檔至瀏覽器。

(3)Web服務(wù)器執(zhí)行請求所要求的動作,讀取相關(guān)文檔信息,并按照文檔相關(guān)信息在Web服務(wù)器的文檔目錄中搜索請求文檔。若文檔不存在(或文檔存在但不能正常讀取),則通過HTTP協(xié)議返回錯誤指示信息至瀏覽器。若文檔存在且可正常讀取,則將文檔通過HTTP協(xié)議返回至瀏覽器,并載入到瀏覽器中,完成文檔內(nèi)容的呈現(xiàn)。

3 應(yīng)用成果

石龍水電站是混合式開發(fā)的混凝土重力壩,位于吉林省東南部山區(qū)撫松縣境內(nèi),是松江河上梯級水電站第三級電站。壩高43 m,電站總裝機(jī)容量為70 MW。石龍水電站廠房后山坡主要由變質(zhì)巖組成,地質(zhì)條件比較復(fù)雜,并且?guī)r體卸荷強(qiáng)烈,表面防護(hù)變形嚴(yán)重,進(jìn)一步惡化趨勢比較明顯。

通過借助監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集功能(見圖1),可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集和實(shí)時轉(zhuǎn)換,將采集得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動錄入監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)置

進(jìn)而可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整編計(jì)算,并且可對監(jiān)測物理量進(jìn)行預(yù)處理和預(yù)測建模，如圖2和圖3所示,以達(dá)到對石龍水電站廠房后山坡進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測的目的。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測建模

借助系統(tǒng)對預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警等級設(shè)置(見圖4),在自動采集設(shè)置界面開啟預(yù)警信息網(wǎng)頁發(fā)布和短信推送功能,可實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測的實(shí)時預(yù)警,如圖5和圖6所示,以實(shí)時掌握石龍水電站廠房后山坡的安全狀況。

圖4 預(yù)警指標(biāo)及預(yù)警等級設(shè)置

圖5 預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

圖6 預(yù)警短信推送

從圖5和圖6可知,在該次預(yù)警中,石龍水電站出現(xiàn)了藍(lán)色、綠色和紅色預(yù)警信號,監(jiān)測人員由此可判定此時邊坡的安全狀態(tài),及時采取相應(yīng)措施。

4 結(jié) 論

借助石龍水電站廠房后山坡實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),可以及時掌握石龍水電站廠房后山坡變形趨勢和工作性態(tài),實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)實(shí)時分析和預(yù)警功能,以便作出及時的應(yīng)對預(yù)案。該系統(tǒng)可為石龍水電站廠房后山坡安全運(yùn)行決策提供技術(shù)支持,為保證該邊坡的安全、穩(wěn)定地運(yùn)行提供有利的保障。

[1]張有天. 從巖石水力學(xué)觀點(diǎn)看幾個重大工程事故[J]. 水利學(xué)報(bào), 2003, 34(5)： 1- 10．

[2]張強(qiáng)勇, 陳曉鵬, 劉大文, 等. 巖土工程監(jiān)測信息管理與數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(2)： 362- 366．

[3]孟永東, 徐衛(wèi)亞, 田斌, 等. 高邊坡工程安全監(jiān)測在線分析系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版, 2009, 31(5)： 20- 25．[4]袁寶遠(yuǎn), 呂建紅, 劉大安, 等. 邊坡監(jiān)測信息可視化查詢分析系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 1999, 7(4)： 355- 360．

[5]吳玉財(cái), 徐衛(wèi)亞, 趙志峰, 等. 邊坡監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫分析系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]. 中外公路, 2005, 25(6)： 46- 49．

[6]鄧建輝, 李焯芬, 葛修潤. BP網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在巖石邊坡位移反分析中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2001, 20(1)： 1- 5．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Research on Real-time Online Warning System for the Back Slope of Powerhouse in Shilong Hydropower Station

XIA Chunfen1, SUN Li1, KONG Fanchang1, MENG Yongdong2

The geological conditions of the back slope of powerhouse in Shilong Hydropower Station are complicated. The rock is broken and a large number of mud cracks are formed in the slope, the rock mass unloading is strong and the surface protection deformation is serious, and the further deterioration trend is obvious, so the landslide of slope will damage powerhouse and generation equipments and threaten personnel safety. The real-time online warning system for the back slope is researched to monitor the state of slope. The system is established under VisualStudio.Net development environment with the functions of automatic data collection and storage, real-time analysis and early warning, which will provide technical supports for the safe operation of Shilong Hydropower Station．

slope stability; safety monitoring; real-time forecast; early warning; Shilong Hydropower Station

2016-10-16

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51679129)；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BCE079)

夏春芬(1975—),女,吉林四平人,工程師,主要從事工程測量技術(shù)管理及水工建筑物安全監(jiān)測；孟永東(通訊作者)．

TV6981.1(234)

A

0559- 9342(2017)05- 0104- 04