基于監(jiān)測(cè)-檢測(cè)融合的水工程安全風(fēng)險(xiǎn)多層次動(dòng)態(tài)感知體系

方衛(wèi)華，丁慧峰，夏童童

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京，100038；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京，210012；3.山西省柏葉口水庫建設(shè)管理局，山西太原，030002）

0 引言

高效精準(zhǔn)感知工程安全風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和感知體系合理性客觀評(píng)價(jià)的本質(zhì)要求。盡管設(shè)計(jì)、施工和管理水平日益提高，但由于老工程結(jié)構(gòu)材料老化和歷史遺留問題、新工程又存在大量不確定因素，特別是隨著極端氣候的增加和地質(zhì)活動(dòng)的加劇，水工程安全風(fēng)險(xiǎn)依然存在。為有效規(guī)避工程安全風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)感知體系不僅應(yīng)能感知水工程當(dāng)前安全狀態(tài)，還應(yīng)能探測(cè)結(jié)構(gòu)隱患，從而分析異常成因、預(yù)知潛在風(fēng)險(xiǎn)和采取相應(yīng)措施服務(wù)。

一方面，盡管安全監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)研究成果日益增多、應(yīng)用推廣越來越廣以及相關(guān)規(guī)范日臻完善，但由于水工程安全風(fēng)險(xiǎn)的差異性、動(dòng)態(tài)性和耦合性，特別是水工程安全風(fēng)險(xiǎn)不僅高度依賴于自身的地理氣候、地形地質(zhì)和結(jié)構(gòu)材料等因素以及時(shí)間演化情況，還與自身位置、上游梯級(jí)建筑物的安全和運(yùn)行特征密切相關(guān)，而現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范的一般性、滯后性以及經(jīng)驗(yàn)性削弱了其對(duì)于具體工程的針對(duì)性。盡管監(jiān)測(cè)與檢測(cè)都是了解水工程安全狀態(tài)的有力手段，但現(xiàn)存體系都是將監(jiān)測(cè)和檢測(cè)割裂開來，不利于監(jiān)測(cè)-檢測(cè)體系的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。另一方面，隨著科技的發(fā)展，新的監(jiān)測(cè)技術(shù)、檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)分析手段不斷涌現(xiàn)，為監(jiān)測(cè)-檢測(cè)體系的深度融合以及建立基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)感知體系創(chuàng)造了條件[1]。為此，以更有效規(guī)避水工程安全風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，以現(xiàn)有體系存在的問題為牽引，在分析現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系不足和檢測(cè)體系特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適合水工程具體特性和動(dòng)態(tài)變化的安全風(fēng)險(xiǎn)多層次動(dòng)態(tài)感知體系。

1 現(xiàn)行監(jiān)測(cè)體系分析

雖然安全監(jiān)測(cè)在檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、反饋施工和指導(dǎo)運(yùn)行中的作用不可代替，但也存在著感知異常狀態(tài)不靈敏、感知危險(xiǎn)區(qū)域不全面和異常測(cè)值成因難解析等問題。從感知的基礎(chǔ)來看，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類設(shè)置和時(shí)空采樣是兩個(gè)根本問題。

1.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類和設(shè)置

在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類和設(shè)置方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2-9]、安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[10-14]和專門性監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[15-17]都有所涉及，上述規(guī)范在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置時(shí)基本規(guī)定都是一致的，即根據(jù)建筑物等級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置，但在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目名稱、分類和設(shè)置依據(jù)等方面還存在一些不一致的地方。設(shè)計(jì)規(guī)范將監(jiān)測(cè)分成一般性（安全性）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和專門性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，前者僅根據(jù)建筑物級(jí)別進(jìn)行設(shè)定，后者則綜合考慮建筑物級(jí)別、結(jié)構(gòu)型式及地質(zhì)條件等因素[2]。安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范根據(jù)建筑物級(jí)別將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和可選項(xiàng)目?？傮w上，上述規(guī)范在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置中都是依據(jù)建筑物級(jí)別，實(shí)際上就是依據(jù)工程等別，因?yàn)闊o論是主要建筑物還是次要建筑物，只要工程等別一旦確定，其建筑物級(jí)別就已經(jīng)確定。

實(shí)際上，工程等別難以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映工程所屬不同建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)大小及其動(dòng)態(tài)特征。首先，對(duì)于包括多個(gè)建筑物的水工程而言，由于不同建筑物之間安全風(fēng)險(xiǎn)不同，其失效模式、影響因素及其演化特征也各不相同，并非規(guī)范“規(guī)定”的各建筑物級(jí)別是相互確定的。此時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置應(yīng)分別根據(jù)各建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)整個(gè)樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度確定。其次，風(fēng)險(xiǎn)感知應(yīng)考慮建筑物本身、連接部位及關(guān)鍵部位不同結(jié)構(gòu)尺度的風(fēng)險(xiǎn)大小。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)工程應(yīng)從工程-建筑物-關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位，根據(jù)其總體安全風(fēng)險(xiǎn)-建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)-關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位安全風(fēng)險(xiǎn)及其之間的關(guān)系逐級(jí)精準(zhǔn)定位，明確各自感知要素。而對(duì)于小風(fēng)險(xiǎn)工程，則總體從工程尺度設(shè)置感知項(xiàng)即可，沒有必要精細(xì)到建筑物或建筑物關(guān)鍵部位。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)次

目前的測(cè)點(diǎn)布置主要體現(xiàn)在重點(diǎn)、代表性和典型部位，以及空間上形成監(jiān)測(cè)斷面和易于比較分析等方面。由于工程實(shí)際安全狀況及其發(fā)展的不確定性，基于規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)或某一時(shí)刻工程安全狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)布置往往難以跟蹤風(fēng)險(xiǎn)演化，從而存在缺乏動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)針對(duì)性等問題。由于不連續(xù)性、非均勻性、應(yīng)力集中和應(yīng)變局部化，以及現(xiàn)有監(jiān)測(cè)儀器或設(shè)施本身可能改變了監(jiān)測(cè)部位的原有結(jié)構(gòu)或測(cè)值屬性，在實(shí)際工程中往往存在難以將測(cè)點(diǎn)布置在最危險(xiǎn)部位或測(cè)值不能反映真正想要測(cè)量的物理量等問題，甚至存在越危險(xiǎn)的部位越難以有效、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的問題。如壩踵應(yīng)力，越是危險(xiǎn)部位其應(yīng)力集中愈明顯，而現(xiàn)有埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組的監(jiān)測(cè)方法誤差就越大。存在上述現(xiàn)象的本質(zhì)原因是監(jiān)測(cè)狀態(tài)輸出與結(jié)構(gòu)狀態(tài)本身聯(lián)合感知能力不足。

為能及時(shí)、準(zhǔn)確地感知工程異常信息，為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警創(chuàng)造條件，測(cè)點(diǎn)（群）應(yīng)能捕獲一定影響程度的安全信息，無論是直接地還是間接地。由于結(jié)構(gòu)本身的自組織、應(yīng)力重分布以及自愈特征，測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)體現(xiàn)敏感性、動(dòng)態(tài)性、非均勻性和代表性（即測(cè)點(diǎn)部位的異常能反映建筑物一定尺度的安全狀態(tài)）等要求。如果監(jiān)測(cè)到的僅是局部異常，而這種異常不能反映建筑本身的安全狀態(tài)，這樣的測(cè)點(diǎn)是沒有意義的。

在測(cè)次方面，現(xiàn)有的規(guī)范體系中將測(cè)次分成施工期、蓄水期和運(yùn)行期，同時(shí)對(duì)地震、臺(tái)風(fēng)和暴雨等特殊工況條件下加密測(cè)次進(jìn)行了規(guī)定，顯然這些都是合理的。但真實(shí)條件下，危險(xiǎn)發(fā)生總是伴隨儀器設(shè)備損壞、電源通訊中斷、觀測(cè)條件惡化等問題，這時(shí)如何保證能采集到有效信息是現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)體系必須考慮的問題。如果總是在極端工況或水工程特征轉(zhuǎn)異時(shí)錯(cuò)失異常信息的采集，說明現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)體系尚不完備。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)感知的要求

上述分析表明，水工程安全風(fēng)險(xiǎn)感知應(yīng)根據(jù)工程各組成建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)整個(gè)樞紐的安全影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。在測(cè)點(diǎn)布置方面，應(yīng)考慮測(cè)點(diǎn)局部特征、測(cè)值真實(shí)性以及局部對(duì)整體安全的代表性等方面。同時(shí)，為提高感知系統(tǒng)緊急狀態(tài)下感知信息的可靠性，必須有相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.1 工程運(yùn)行環(huán)境及荷載效應(yīng)

地理位置、氣候條件和地應(yīng)力場(chǎng)分布和演化，特別是地質(zhì)活動(dòng)、河勢(shì)變化、梯級(jí)建設(shè)、淤積沖刷情況的不斷改變等因素都將影響水工程安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)技術(shù)規(guī)范的普適性，其中的“可選項(xiàng)目”不能理解為可有可無的項(xiàng)目，而應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)置，甚至在某些工程中可上升為“必設(shè)項(xiàng)目”。如對(duì)于北方和南方不同位置的水工建筑物，北方攔河工程不僅需要設(shè)置冰凌和冰壓力監(jiān)測(cè)，而且應(yīng)該是必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，而南方攔河工程則可不用考慮冰凌和冰壓力監(jiān)測(cè)；對(duì)于多泥沙河流，淤積和含沙量已經(jīng)成為相關(guān)工程安全的重要荷載因素，因此必須將泥沙設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；對(duì)于受風(fēng)荷載影響比較大的沿海堤壩或水閘，風(fēng)荷載也應(yīng)設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。再者，由于規(guī)范依據(jù)的樣本、設(shè)計(jì)階段信息和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況了解的有限性，建筑物在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)事先并未預(yù)料到的情況，如機(jī)組或閘門振動(dòng)嚴(yán)重、冰壓力或風(fēng)荷載很大、鹽潮及氯離子腐蝕嚴(yán)重、壩體及壩基析出物突出、消能或溢洪道沖刷超出估計(jì)、白蟻危害嚴(yán)重等，當(dāng)上述現(xiàn)象可能對(duì)水工程安全構(gòu)成威脅或能通過這些現(xiàn)象反演水工程安全狀態(tài)時(shí)，這些現(xiàn)象則應(yīng)當(dāng)設(shè)置為安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。總之，是否設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目或一般性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，應(yīng)考慮建成后工程運(yùn)行的具體環(huán)境和實(shí)際工程運(yùn)行后的具體反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

2.2 結(jié)構(gòu)材料及地質(zhì)特征

不同結(jié)構(gòu)材料的破壞模式、耐久性、影響因素、衰減模型、突變拐點(diǎn)都存在明顯的差異，如土石料與混凝土其抗?jié)B性能和抗凍性能明顯不同、金屬結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式也不一樣。隨著時(shí)間的改變，不同結(jié)構(gòu)、材料的老化和表現(xiàn)形式也不一樣，而監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置必須與此相適應(yīng)。即將頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，“根據(jù)目前的施工技術(shù)水平，100 m以下常態(tài)混凝土壩可不設(shè)壩體滲透壓力監(jiān)測(cè)。而碾壓混凝土的壩體混凝土層間縫是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)滲透壓力監(jiān)測(cè)”?？梢娂词雇腔炷翂?，如果施工方法和材料不同，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置也應(yīng)不同。

在建設(shè)和運(yùn)行過程中，建筑物與地基之間將發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用，從而改變建筑物和基礎(chǔ)的初始狀態(tài)，甚至超過了初始估計(jì)，這些都對(duì)風(fēng)險(xiǎn)感知提出了新要求。

初應(yīng)力分布、初始缺陷、運(yùn)行中出現(xiàn)的損傷、材料徐變、殘余應(yīng)力、應(yīng)力松弛及應(yīng)力重分布、泥沙淤積等或裂縫咬合帶來剛度或防滲性能的改變等難以通過現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段得到有效反映，而這些安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素必須在新的感知體系中得到考慮。

2.3 運(yùn)行調(diào)度與除險(xiǎn)加固

工程運(yùn)行目的、相關(guān)政策和調(diào)度方式的改變，特別是經(jīng)過除險(xiǎn)加固等工程措施以及運(yùn)行調(diào)度變化后，工程安全風(fēng)險(xiǎn)都可能發(fā)生改變，而在設(shè)計(jì)階段完成的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置難以考慮上述因素的影響，因此安全監(jiān)測(cè)必須適應(yīng)新情況，反映新狀態(tài)。

3 檢測(cè)及其對(duì)風(fēng)險(xiǎn)感知的意義

結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要通過電磁場(chǎng)（波）、機(jī)械波或圖像等方式進(jìn)行水工程狀態(tài)的顯示，具體方法包括探地雷達(dá)、地震勘探、彈性波、層析成像、水聲探測(cè)、放射性測(cè)量、綜合示蹤、綜合測(cè)井、太赫茲、聲發(fā)射、震電效應(yīng)檢測(cè)等。上述方法有些可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)檢測(cè)，有些可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。具體檢測(cè)項(xiàng)目包括水工程覆蓋層、隱伏構(gòu)造破碎帶、喀斯特、巖體風(fēng)化帶、卸荷帶、軟弱夾層、滑坡體產(chǎn)狀、性質(zhì)以及參數(shù)，同時(shí)可用于感知堤防隱患、隧道施工超前預(yù)報(bào)、地下水、環(huán)境放射性、地基巖體質(zhì)量、灌漿效果、混凝土質(zhì)量、洞室混凝土襯砌質(zhì)量、洞室松弛圈、錨桿錨固質(zhì)量、防滲墻質(zhì)量、堆石（土）體密度、地基承載力、鋼襯與混凝土/巖石接觸狀況、堆石壩面板、水文地質(zhì)參數(shù)、巖土物理和力學(xué)參數(shù)等[18-19]。

以旋轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角變化曲線為對(duì)比，觀察圖13中的航向角變化基本與其斜率相同，因此航向角的變化可以滿足可視化輔助截割系統(tǒng)的精度要求。

相較于主要通過獲取輸入因素和輸出效應(yīng)從而分析結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)，檢測(cè)則主要直接針對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的幾何、力學(xué)、物理狀態(tài)參數(shù)，能夠獲得結(jié)構(gòu)一定尺度的空間連續(xù)多場(chǎng)信息，因此具有更直接、更本質(zhì)和更全面等特征，對(duì)于揭示結(jié)構(gòu)變異機(jī)理、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性態(tài)演化和成因分析都具有十分重要的意義。由于初始應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)失效路徑具有顯著影響，特別是進(jìn)入塑性狀態(tài)以后，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段無法探知結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力，而檢測(cè)方法卻可以有效感知初始應(yīng)力，如對(duì)于軟弱疏松巖體，可用空心包體應(yīng)力計(jì)法等傳統(tǒng)方法，還可以采用結(jié)合粘滯剩磁和聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的方法感知圍巖初始應(yīng)力?？傊瑱z測(cè)可以從更合適的尺度對(duì)水工程內(nèi)部進(jìn)行針對(duì)性地檢查。美國奧洛維爾水庫溢洪道泄槽破壞事件直接說明了安全監(jiān)測(cè)必須結(jié)合安全檢測(cè)，才能更好地進(jìn)行工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[20]。

隨著無人機(jī)監(jiān)測(cè)、視頻與圖像識(shí)別、衛(wèi)星遙感、（次）聲波監(jiān)測(cè)、太赫茲等技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)和檢測(cè)的界限日趨模糊，而新形勢(shì)下安全管理對(duì)風(fēng)險(xiǎn)感知提出了更高要求：智慧感知、協(xié)同感知、自適應(yīng)感知、應(yīng)急感知、魯棒感知等。準(zhǔn)確規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和高效預(yù)警要求安全監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)融合，并根據(jù)水工程安全狀態(tài)的演化在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和時(shí)空采樣等方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。西安交通大學(xué)等單位開發(fā)的復(fù)雜工況三維全場(chǎng)動(dòng)態(tài)變形檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像相關(guān)法以及工業(yè)三維攝影測(cè)量等技術(shù)能夠在多種工況、多種尺寸下對(duì)三維全場(chǎng)變形、應(yīng)變、運(yùn)動(dòng)軌跡、輪廓外形等進(jìn)行檢測(cè)，相對(duì)于安全監(jiān)測(cè)只能獲取“點(diǎn)”信息而言其覆蓋范圍更為全面。

盡管檢測(cè)有自身的優(yōu)勢(shì)，但由于檢測(cè)具有不定期和有限檢測(cè)時(shí)間窗口等特點(diǎn)，難以長期對(duì)工程安全狀態(tài)起到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，不僅容易“遺漏”重要安全信息，也難以利用長期檢測(cè)信息通過學(xué)習(xí)或訓(xùn)練建立時(shí)間預(yù)測(cè)模型。

總之，檢測(cè)可以彌補(bǔ)安全監(jiān)測(cè)覆蓋度不夠、狀態(tài)滯后和不直接等不足，而安全監(jiān)測(cè)可以起到長期現(xiàn)場(chǎng)“站崗”的作用。對(duì)于安全監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的異常，可通過檢測(cè)進(jìn)一步揭示成因?？傊?，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)和檢測(cè)之間深度融合，對(duì)提高水工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警具有重要意義[20-23]。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)感知框架

風(fēng)險(xiǎn)感知體系應(yīng)能精準(zhǔn)捕獲結(jié)構(gòu)性態(tài)異常、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，為此風(fēng)險(xiǎn)感知不僅應(yīng)關(guān)心水工程的輸入和輸出，也應(yīng)該關(guān)心包括結(jié)構(gòu)、材料和基礎(chǔ)在內(nèi)的水工程本身狀態(tài)，因?yàn)槿咧g是不可分割的有機(jī)體系（圖1）。特別是在極端情況下，三者之間的耦合與關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。由于有些變量的不可觀性和變量之間的耦合特性，加上解的不適定性和測(cè)量誤差的存在，有些工程風(fēng)險(xiǎn)及其變化難以僅通過輸入和輸出監(jiān)測(cè)加以感知（圖2），此時(shí)必須借助于結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知進(jìn)行綜合分析。

圖1 水工程安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)體系Fig.1 Safety risk correlation system for water projects

圖2 工程安全狀態(tài)與輸出之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between project safety state and output

考慮到不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的工程風(fēng)險(xiǎn)感知要求不同，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)論和控制論思想，將風(fēng)險(xiǎn)感知按工程風(fēng)險(xiǎn)從低到高劃分為輸入（影響因素、作用）感知、輸出（效應(yīng)）感知、（結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)）狀態(tài)感知和隨動(dòng)感知四個(gè)層次，每個(gè)層次根據(jù)具體建筑物甚至關(guān)鍵部位所設(shè)置的具體項(xiàng)目，可分別擬定相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)，從而構(gòu)建多層次預(yù)警指標(biāo)體系。低風(fēng)險(xiǎn)工程其風(fēng)險(xiǎn)感知體系只需要設(shè)置輸入感知一個(gè)層次，隨著工程風(fēng)險(xiǎn)的增大，其風(fēng)險(xiǎn)感知層次應(yīng)逐步增加，即中等風(fēng)險(xiǎn)的工程風(fēng)險(xiǎn)感知體系需設(shè)置輸入感知和輸出感知兩個(gè)層次，高風(fēng)險(xiǎn)工程風(fēng)險(xiǎn)感知體系需設(shè)置輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知三個(gè)層次，而特高風(fēng)險(xiǎn)工程其風(fēng)險(xiǎn)感知體系需設(shè)置輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知和隨動(dòng)感知全部四個(gè)層次。表1給出了上述四個(gè)層次具體內(nèi)容以及與現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)/檢測(cè)體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如對(duì)于低安全風(fēng)險(xiǎn)的小型水庫、塘壩只需要設(shè)置降雨、水位和入庫流量等第一層次感知項(xiàng)目，而對(duì)于特高風(fēng)險(xiǎn)的大型水庫大壩，則需要設(shè)置全面四個(gè)層次的所有感知項(xiàng)目。每層次感知體系中，再根據(jù)具體建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別及其對(duì)整個(gè)工程的影響程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序后選擇重要的感知項(xiàng)。

4.1 輸入感知

輸入感知是水工程安全風(fēng)險(xiǎn)的各種外界影響因素，根據(jù)其對(duì)水工程安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度和水工程可接受的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)地選擇前面若干重要因素，感知其相應(yīng)物理量及變化過程。輸入感知需要根據(jù)其對(duì)建筑物安全的影響程度、體系可靠度的演化方向和速度確定具體工程的感知要素并優(yōu)化相應(yīng)的時(shí)空采樣頻次和密度。如對(duì)于水位波動(dòng)速度和幅度、泄洪霧化以及振動(dòng)等，只有達(dá)到一定量級(jí)或?qū)哂幸欢L(fēng)險(xiǎn)的水工程，才將其作為風(fēng)險(xiǎn)感知要素。

4.2 輸出感知

4.3 狀態(tài)感知

結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括水工程各部件之間的連接狀態(tài)、姿態(tài)、密實(shí)狀態(tài)、均勻狀態(tài)、力學(xué)狀態(tài)、熱力學(xué)狀態(tài)、防滲抗凍狀態(tài)等。由于許多內(nèi)在狀態(tài)難以通過輸出效應(yīng)加以分析（圖2），因此必須設(shè)置狀態(tài)感知，尤其當(dāng)狀態(tài)對(duì)工程安全風(fēng)險(xiǎn)及其演化的影響很大時(shí)。應(yīng)用無損檢測(cè)方法是感知結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)狀態(tài)的有效措施。對(duì)于水工程而言，重點(diǎn)感知的要素包括防滲止水結(jié)構(gòu)、支撐穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、泄水結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)部位材料力學(xué)和變形狀態(tài)以及發(fā)電設(shè)施和供電設(shè)施可靠性等。隨著認(rèn)知的不斷深入，新的結(jié)構(gòu)參數(shù)和敏感系數(shù)不斷被發(fā)現(xiàn)，從而使得感知要素不斷得到優(yōu)化，如螺栓緊固度、堆石結(jié)構(gòu)密實(shí)度、管片連接牢固性、接觸面狀態(tài)和整體姿態(tài)等。

4.4 隨動(dòng)感知

對(duì)于非長期或不定期的水工程安全影響因素，盡管這些因素不是長期作用在水工程上，但是由于其巨大影響和嚴(yán)重后果，應(yīng)該根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小予以感知，如社會(huì)和電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)上的輿情和電網(wǎng)監(jiān)測(cè)、船舶航行狀態(tài)和異常狀態(tài)診斷、工程運(yùn)行或相關(guān)群體和個(gè)人異常行為檢測(cè)等。

表1 水工程安全風(fēng)險(xiǎn)感知體系與監(jiān)測(cè)/檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)照表Table 1 Comparison of safety risk perception system and monitoring or detection items in water project

續(xù)表1

5 結(jié)語

水工程安全狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間發(fā)生變化，為有效實(shí)現(xiàn)工程安全狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，有必要結(jié)合安全監(jiān)測(cè)與檢測(cè)在水工程安全信息感知方面的各自優(yōu)勢(shì)建立風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)感知體系。

工程安全風(fēng)險(xiǎn)大小決定了感知深度，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)大的工程，感知項(xiàng)布設(shè)應(yīng)從工程向具體建筑物、從具體建筑物向建筑物關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位延伸，而小風(fēng)險(xiǎn)的只需在工程層面設(shè)置感知項(xiàng)即可。

風(fēng)險(xiǎn)感知體系可劃分為輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知和隨動(dòng)感知四個(gè)層次，各層次可設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)。根據(jù)工程風(fēng)險(xiǎn)從小到大，風(fēng)險(xiǎn)感知體系層次逐步增加。從低風(fēng)險(xiǎn)工程只需要設(shè)置輸入感知，到高風(fēng)險(xiǎn)工程需要設(shè)置全部四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)感知層，這既保證了與現(xiàn)有監(jiān)測(cè)-檢測(cè)體系的兼容，也符合水工程風(fēng)險(xiǎn)管理的趨勢(shì)。