錦屏一級拱壩安全在線監(jiān)控研究與應(yīng)用

李嘯嘯，張 晨，傅春江，馮 濤

（1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國有一批200～300 m特高拱壩相繼建成并投運(yùn)，其中錦屏一級拱壩壩高（305 m）突破了300 m，是當(dāng)今世界第一高拱壩。由于特高拱壩規(guī)模巨大，無過往經(jīng)驗(yàn)可供借鑒參考，給大壩運(yùn)行管理帶來前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)和管理風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要針對特高拱壩開展在線安全監(jiān)控工作的研究，以實(shí)時(shí)、客觀地掌握特高拱壩的安全狀況，為大壩安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

在以往工作中，大壩安全監(jiān)控一方面由于監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差而易發(fā)生錯(cuò)判；另一方面利用單測點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型或制訂監(jiān)控指標(biāo)不足以準(zhǔn)確、可靠地評判大壩安全狀態(tài)。因此有必要研究、深化大壩安全在線監(jiān)控技術(shù)，并融合信息化技術(shù)，打造一款在線監(jiān)控的“利器”，以便及時(shí)、高效地發(fā)現(xiàn)和消除缺陷隱患，提升大壩安全日常管理和應(yīng)急管理水平。

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣境內(nèi)雅礱江干流上，樞紐建筑物包括拱壩、壩后水墊塘、泄洪洞及地下廠房等?；炷岭p曲拱壩壩高305.0 m。泄洪設(shè)施由壩身表孔、深孔、放空底孔及壩后水墊塘、右岸泄洪洞組成。引水發(fā)電建筑物由進(jìn)水口、壓力管道、主廠房、主變室、尾調(diào)室、尾水隧洞組成，電站總裝機(jī)3 600 MW。電站于2005年11月開工建設(shè)，2014年7月機(jī)組全部投運(yùn)，2014年8月首次蓄至正常蓄水位（1 880 m）。運(yùn)行至今，工程已經(jīng)歷4次庫水位消漲完整運(yùn)行周期，拱壩等樞紐建筑物及近壩庫岸邊坡運(yùn)行情況總體良好。

為及時(shí)掌握工程運(yùn)行狀態(tài)，錦屏一級水電站安全監(jiān)測范圍涵蓋樞紐建筑物、近壩庫岸邊坡等，主要監(jiān)測項(xiàng)目包括環(huán)境量、變形監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測等。所有監(jiān)測信息、水工巡查信息等均通過雅礱江流域大壩安全信息管理系統(tǒng)進(jìn)行管理和應(yīng)用。

2 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控方案

錦屏一級拱壩監(jiān)控方案包括：確定由大壩典型性態(tài)和重點(diǎn)部位組成的監(jiān)控對象集；提出在線監(jiān)控的技術(shù)方案和工作流程；研究開發(fā)實(shí)用可靠的在線監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

2.1 監(jiān)控對象確定

根據(jù)錦屏一級拱壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的薄弱環(huán)節(jié)，確定監(jiān)控對象包括典型性態(tài)和重點(diǎn)部位。

典型性態(tài)指能表征錦屏一級拱壩綜合性態(tài)的項(xiàng)目，包括：拱梁變形、橫縫變形、垂直位移、墊座變形、壩體應(yīng)力、壩基揚(yáng)壓力、壩基滲漏量、拱座變形、拱座地下水位、兩岸邊坡變形等。

重點(diǎn)部位指結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、缺陷和隱患部位、薄弱部位、安全度偏低的部位（斷面）等，包括：壩體應(yīng)力重點(diǎn)監(jiān)控部位、左抗力體置換洞及抗剪洞、谷幅變形、變形尚未穩(wěn)定的左岸邊坡、解放溝邊坡、三灘變形體等。

2.2 在線監(jiān)控技術(shù)方案

大壩安全監(jiān)控工作的核心在于大壩安全結(jié)構(gòu)評判。大壩結(jié)構(gòu)評判是一個(gè)充滿不確定性、多層次、多指標(biāo)的復(fù)雜非線性問題，需要識別與結(jié)構(gòu)安全評判有關(guān)的監(jiān)測、巡視檢查和結(jié)構(gòu)安全度等有效信息，通過尋求一種能融合上述不同來源、不同表現(xiàn)形式的信息并符合工程結(jié)構(gòu)原理的實(shí)用方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全評判的目標(biāo)。

在線監(jiān)控主流程見圖1。首先通過有效性檢驗(yàn)技術(shù)，對監(jiān)測信息進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的條件啟動(dòng)快速結(jié)構(gòu)計(jì)算，最后通過多源信息融合技術(shù)，融合監(jiān)測、巡查和結(jié)構(gòu)計(jì)算等信息，綜合評判大壩安全狀態(tài)。

2.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方案

錦屏一級在線監(jiān)控系統(tǒng)，是在已有的雅礱江流域大壩信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加在線監(jiān)測管理、結(jié)構(gòu)安全評判、結(jié)構(gòu)快速計(jì)算等模塊，并輔以結(jié)構(gòu)性態(tài)直觀顯示、即時(shí)反饋等功能的在線監(jiān)控平臺。

特高拱壩在線安全監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、算法要求高、專業(yè)技術(shù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了有效達(dá)成主要功能目標(biāo)，系統(tǒng)的技術(shù)性能要求穩(wěn)定可靠、實(shí)用高效、操作便捷、易于維護(hù)、方便擴(kuò)展。

3 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)技術(shù)[1]

監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)需要通過實(shí)用可靠的檢驗(yàn)技術(shù)，篩除數(shù)據(jù)系列“噪聲”，避免結(jié)構(gòu)安全評判出現(xiàn)錯(cuò)判。為了提高檢驗(yàn)技術(shù)的精準(zhǔn)度和效率，提出了兩種新的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)技術(shù)：奇異譜法和局部鄰近度法。

基于Toeplitz SSA（以下簡稱TSSA）的奇異譜法，首先構(gòu)造監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的軌跡矩陣，通過一定的算法重構(gòu)數(shù)據(jù)序列，再求出重構(gòu)序列與實(shí)測值的殘差，最后通過對殘差的分析識別異常值。奇異譜法的特點(diǎn)在于不需要人工預(yù)先建立數(shù)學(xué)模型，適用于非平穩(wěn)過程以及復(fù)雜監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的分析和異常值識別。

局部鄰近度法根據(jù)待評判數(shù)據(jù)距正常數(shù)據(jù)的鄰近距離是否大于正常測值的鄰近度來判斷該測值是否異常。首先需要選定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)序列，確定正常測值的局部鄰近度，即確定正常局部鄰近度閾值。局部鄰近度法的優(yōu)點(diǎn)在于所需要的前期數(shù)據(jù)序列長度較短，因而可適用于穩(wěn)定監(jiān)測時(shí)間不長的測點(diǎn)異常值識別。

同時(shí)對其他常用的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性技術(shù)（如統(tǒng)計(jì)原理法、統(tǒng)計(jì)模型法、灰色系統(tǒng)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、改進(jìn)包絡(luò)線法等）的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析研究。實(shí)際應(yīng)用中，首先對監(jiān)測數(shù)據(jù)的系列特征進(jìn)行分析，提煉出系列長度、數(shù)據(jù)序列形態(tài)、數(shù)據(jù)序列質(zhì)量分布等因素，據(jù)此自動(dòng)分析匹配合適的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)技術(shù)。

3.2 結(jié)構(gòu)安全評判技術(shù)[2]

結(jié)構(gòu)安全評判需要將不同來源、不同表現(xiàn)形式的信息進(jìn)行組織、融合得到評判結(jié)論，其本質(zhì)屬于“信息融合”的研究范疇?！靶畔⑷诤稀保ɑ蚍Q“數(shù)據(jù)融合”）的概念最早于20世紀(jì)70年代末被提出，目前其應(yīng)用已從最初的軍事領(lǐng)域拓展到智能制造、智能交通、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域[3-5]。比較常用的信息融合的方法（模型）主要有：Dempster-Shafer證據(jù)推理法、粗糙集理論法、貝葉斯估計(jì)法、卡爾曼濾波法、加權(quán)平均法、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、規(guī)則推理法。

上述方法中，除了規(guī)則推理法外，其余均屬量化方法（模型）。在大壩安全評判領(lǐng)域，量化方法無法規(guī)避以下問題：（1）評價(jià)指標(biāo)需要確定權(quán)重，而權(quán)重很難確定；（2）評價(jià)指標(biāo)應(yīng)相互獨(dú)立，實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)。而規(guī)則推理法采用因果關(guān)系的表達(dá)符合大壩安全評判邏輯，同時(shí)也能規(guī)避上述問題。

規(guī)則推理法，其基本原理為IF[P]THEN[Q]。式中，P表示一組前提條件或狀態(tài)，Q表示若干結(jié)論或動(dòng)作。規(guī)則的含義就是：如果前提P滿足，則可推出結(jié)論Q（或應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作Q）。推理系統(tǒng)一般由三個(gè)基本部分組成：規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機(jī)，見圖2。

圖2 產(chǎn)生式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of generation system

基于規(guī)則推理的大壩安全評判方法，其核心內(nèi)容是規(guī)則庫，只有建立符合工程實(shí)際和工程師評判邏輯的規(guī)則，才能得到客觀真實(shí)的大壩安全評判結(jié)論，切實(shí)解決工程安全問題。鑒于此，規(guī)則庫的建立基于錦屏一級拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和DL/T 5313-2014《大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》（以下簡稱導(dǎo)則）等技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，以保證推理得到的結(jié)論是準(zhǔn)確客觀的。

3.3 快速結(jié)構(gòu)計(jì)算技術(shù)[6]

當(dāng)出現(xiàn)不利工況組合、極端氣象條件以及結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性態(tài)異?；蚪Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的缺陷時(shí)，需要通過快速結(jié)構(gòu)計(jì)算，以判斷結(jié)構(gòu)是否安全及輔助決策。錦屏一級拱壩的快速結(jié)構(gòu)計(jì)算采用三維非線性有限元方法作為基本計(jì)算方法。

錦屏一級拱壩運(yùn)行期快速結(jié)構(gòu)計(jì)算分析立足于“運(yùn)行”和“快速”兩個(gè)關(guān)鍵詞展開。一是考慮當(dāng)前實(shí)際環(huán)境條件、力學(xué)參數(shù)、荷載條件、結(jié)構(gòu)特性等因素，進(jìn)行真實(shí)工作性態(tài)下的拱壩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析；二是在不改變其他條件的情況下，實(shí)現(xiàn)參數(shù)、荷載、結(jié)構(gòu)模型等的快速修正和計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)分析成果的可視化展示。快速計(jì)算的實(shí)現(xiàn)主要從模型運(yùn)算、計(jì)算條件以及計(jì)算結(jié)果處理等幾方面著手，并主要研究了以下方法和技術(shù)：

（1）增量有限元求解方法。拱壩結(jié)構(gòu)計(jì)算需模擬施工過程，該步驟將消耗大量計(jì)算時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析的快速性，對施工過程僅計(jì)算一次并存儲計(jì)算成果，后續(xù)分析以拱壩施工完成后所處的初始應(yīng)力狀態(tài)為計(jì)算初始，實(shí)現(xiàn)增量求解。

（2）精準(zhǔn)快速力學(xué)參數(shù)反演技術(shù)。針對拱壩真實(shí)力學(xué)參數(shù)反演問題，重點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，從而提高其搜索效率和精度。此外，還對初始種群的生成、遺傳選擇以及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的選擇進(jìn)行了改進(jìn)。

4 錦屏一級拱壩在線監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用

在線監(jiān)控系統(tǒng)由在線監(jiān)測管理、在線結(jié)構(gòu)計(jì)算、在線結(jié)構(gòu)安全評判共3個(gè)業(yè)務(wù)模塊組成。其業(yè)務(wù)流程見圖1。

4.1 在線監(jiān)測管理

在線監(jiān)測管理模塊主要提供監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、異常值識別、識別方法定義和設(shè)置、缺測反饋、異常值反饋、資料整編、過程線繪制、定期報(bào)表等功能。其中異常值識別與反饋是該模塊核心功能，系統(tǒng)提供了統(tǒng)計(jì)模型、灰色理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、奇異譜、局部鄰近度、改進(jìn)包絡(luò)域等多種異常檢驗(yàn)方法，由系統(tǒng)根據(jù)系列特征自動(dòng)匹配異常檢驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)異常值識別。系統(tǒng)識別的異常值將被統(tǒng)一標(biāo)記為“疑似異常數(shù)據(jù)”。當(dāng)單個(gè)測點(diǎn)持續(xù)出現(xiàn)疑似異常數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)反饋機(jī)制，通知工作人員檢查，查明異常原因。

4.2 快速結(jié)構(gòu)計(jì)算

在線結(jié)構(gòu)計(jì)算的觸發(fā)分兩類，一類是根據(jù)預(yù)設(shè)的條件自動(dòng)觸發(fā)，另一類是以用戶提交任務(wù)的方式手動(dòng)觸發(fā)。自動(dòng)觸發(fā)由系統(tǒng)設(shè)置好對應(yīng)觸發(fā)條件的分析類型和實(shí)時(shí)的計(jì)算荷載，提交至預(yù)設(shè)有限元模型的云服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)相關(guān)計(jì)算條件啟動(dòng)后臺進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后相應(yīng)結(jié)果參與結(jié)構(gòu)評判并可供查看和分析。手動(dòng)觸發(fā)流程同自動(dòng)觸發(fā)，計(jì)算類型及荷載可供用戶選擇和預(yù)設(shè)。該模塊界面見圖3。

錦屏一級拱壩的快速結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊提供了兩種計(jì)算模式，即快速計(jì)算和精細(xì)計(jì)算，其中快速計(jì)算（計(jì)算用時(shí)3～5 min）采用小模型（模型網(wǎng)格體量5萬），精細(xì)計(jì)算（計(jì)算用時(shí)3～4 h）采用大模型（模型網(wǎng)格體量25萬）。每種計(jì)算模式下又提供不同計(jì)算類型，快速計(jì)算模式下提供基本工況、水壓荷載、變形參數(shù)以及溫度荷載敏感性分析四種分析類型，精細(xì)計(jì)算模式下提供基本工況、水壓荷載、變形參數(shù)、缺陷（裂縫）敏感性分析四種分析類型。

4.3 在線結(jié)構(gòu)評判

在線結(jié)構(gòu)評判模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控對象設(shè)置、評判規(guī)則管理、監(jiān)控結(jié)果可視化展示和異常反饋功能。可視化展示見圖4。

監(jiān)控對象類型分為建筑物、部位、項(xiàng)目和問題等，通過不限節(jié)點(diǎn)級數(shù)的節(jié)點(diǎn)樹對所有對象進(jìn)行設(shè)置和管理，用戶可以單測點(diǎn)、測點(diǎn)組、巡檢項(xiàng)目、結(jié)構(gòu)安全度項(xiàng)目及其任一組合來靈活設(shè)置評判規(guī)則。

圖3 在線監(jiān)控系統(tǒng)快速結(jié)構(gòu)計(jì)算界面Fig.3 Fast structure calculation interface of on-line monitoring system

圖4 在線監(jiān)控系統(tǒng)可視化展示界面Fig.4 Visual display interface of on-line monitoring system

4.3 應(yīng)用情況

錦屏一級拱壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)通過在線監(jiān)測管理、在線結(jié)構(gòu)計(jì)算、在線結(jié)構(gòu)安全評判3個(gè)模塊的建立，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控拱壩安全的目標(biāo)。以測值有效性自動(dòng)檢驗(yàn)與反饋為核心的在線監(jiān)測管理，大幅降低了以往人工審核數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、審核不及時(shí)的問題，提高了在線結(jié)構(gòu)評判的可靠性；拱壩結(jié)構(gòu)安全度的快速計(jì)算，提供了在線結(jié)構(gòu)評判的依據(jù)及輔助決策；實(shí)時(shí)評判拱壩結(jié)構(gòu)安全，及時(shí)反饋了水工結(jié)構(gòu)不安全征兆并采取相應(yīng)管控措施，進(jìn)一步提高了大壩運(yùn)行安全管理工作水平。

系統(tǒng)運(yùn)行以來，整體穩(wěn)定、性能良好、操作便捷，其采用的架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)思想，后續(xù)可應(yīng)用于雅礱江流域已投運(yùn)的其他電站。

5 結(jié)語

文章給出了錦屏一級拱壩安全在線監(jiān)控技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，對包括監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)、快速結(jié)構(gòu)計(jì)算、在線結(jié)構(gòu)評判等大壩在線監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研發(fā)了集在線監(jiān)測管理、快速結(jié)構(gòu)計(jì)算和在線結(jié)構(gòu)評判等功能于一體的在線監(jiān)控系統(tǒng)，并經(jīng)錦屏一級水電站拱壩工程實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

研究和應(yīng)用表明：在線監(jiān)控系統(tǒng)能有效助力于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控技術(shù)和管理的有機(jī)結(jié)合，是管理人員和專家高效發(fā)揮作用的輔助工具，但專業(yè)技術(shù)人員的作用目前仍不可完全替代。大壩安全在線監(jiān)控工作是大壩安全工作的重要組成部分，大壩運(yùn)行管理單位應(yīng)據(jù)此修編和制定相關(guān)工作制度和考核辦法，以確保大壩安全在線監(jiān)控工作的正常開展。■

[1]崔何亮,張秀麗,王玉潔,等.水電站大壩在線監(jiān)測管理平臺的探索與實(shí)踐[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運(yùn)行安全管理機(jī)制理念創(chuàng)新”學(xué)術(shù)交流會論文集,2017:115-122.

[2]傅春江,張秀麗,沈海堯,等.特高拱壩在線安全評判研究與應(yīng)用[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運(yùn)行安全管理機(jī)制理念創(chuàng)新”學(xué)術(shù)交流會論文集,2017:133-142.

[3]Waltz E L,Buede D M.Data Fusion and Decision Support for Command and Control[J].IEEE Transactions on Sys?tems Man&Cybernetics,2007,16(6):865-879.

[4]Comparato V G.Fusion——the Key to Tactical Mission Success[M].International Society for Optics and Photonics,1988.

[5]Hamilton M K.ATR architecture for multisensor fusion[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,1996,2755:126-133.

[6]孫輔庭,張秀麗,沈海堯,等.拱壩在線快速結(jié)構(gòu)分析平臺研究與應(yīng)用[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全專業(yè)委員會2017年會暨“大壩運(yùn)行安全管理機(jī)制理念創(chuàng)新”學(xué)術(shù)交流會論文集,2017:123-132.