南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測預警機制研究

范 哲 ，黎利兵 ，商玉潔

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

水工建筑物任何潛在的破壞形式都可能造成災難，對人們的生命和財產(chǎn)造成巨大損失，因此水工建筑物的工程安全問題一直備受關(guān)注。為了確保水工建筑物的安全，并對異常現(xiàn)象進行實時預警，在水工建筑物中安裝和埋設(shè)大量的傳感器并形成安全監(jiān)測系統(tǒng)，用來監(jiān)測大型水壩靜、動態(tài)行為［1］。針對這些水工建筑物，開發(fā)和部署了各種監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)，以自動監(jiān)測建筑物的狀態(tài)，實時捕捉異常狀態(tài)并發(fā)出警報。目前，水庫大壩的安全管理體制、法律法規(guī)已較為規(guī)范和成熟，監(jiān)測預警系統(tǒng)開發(fā)也較為完善。20世紀80年代初，意大利針對混凝土壩制定MAMS（微機監(jiān)測系統(tǒng)），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和在線監(jiān)測；90年代又相繼開發(fā)了INDACO［2］，MISTRAL［3］和 DAMSAFE［4］，將人工智能應用于大壩安全管理，使之在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮主導作用。法國政府自1959年馬爾帕薩（Malpas?set）混凝土拱壩發(fā)生坍塌事故起就高度重視大壩安全。至今為止，由法國電力公司開發(fā)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)已監(jiān)測了150多座大壩的測量數(shù)據(jù)。我國國內(nèi)水庫大壩也相繼安裝了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并針對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和智能化進行了相關(guān)研究，以達到對大壩結(jié)構(gòu)發(fā)生異常實時預警的目的。隨著計算機科學與網(wǎng)絡通信技術(shù)在大壩安全監(jiān)測中的迅速發(fā)展，越來越多的理論和人工智能方法在大壩安全管理中得到應用。為實現(xiàn)自動化安全評價，大壩安全綜合評價系統(tǒng)中采用了專家評估法［5］、綜合法［6］、模糊綜合法［7］及模式識別［8］等理論和方法。然而，這些方法在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中并未得到廣泛地應用。建筑物報警系統(tǒng)也應適應時代要求逐漸智能化，以便準確掌握大壩運行性態(tài)，及時處理異常情況。本研究借鑒大壩安全預警系統(tǒng)模型和預警標準，結(jié)合南水北調(diào)中線工程特點，開發(fā)了南水北調(diào)中線工程可視化智能預警系統(tǒng)，通過基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的離線分析和在線分析兩種手段提出監(jiān)測預警的評價體系，對監(jiān)測系統(tǒng)和建筑物的安全進行實時監(jiān)控，為及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常并采取補救措施、降低結(jié)構(gòu)失事風險提供技術(shù)支撐服務。目前，該系統(tǒng)已應用于南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測，其預警體系與預警模型的建立將為我國類似的引調(diào)水工程安全監(jiān)測提供有益的參考或借鑒。

2 工程安全評價及報警

建筑物的安全性取決于測點的測量情況和檢驗結(jié)果，即定性分析和定量分析。定性分析是對研究對象進行歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括。定量分析是從數(shù)量和變化趨勢兩方面對數(shù)據(jù)進行評價。建立統(tǒng)計模型后，利用時效分量對數(shù)據(jù)的變化趨勢進行檢驗。DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［9］和大壩的數(shù)據(jù)分析中都要求確定監(jiān)控指標。監(jiān)控指標是指不同時段監(jiān)測量的安全邊界值，對大壩的安全管理起到了重要的作用。該系統(tǒng)在項目的不同時段以設(shè)計指標、模型指標和特征指標作為監(jiān)控指標。設(shè)計指標是由設(shè)計單位提供的每一項監(jiān)測量的設(shè)計值，是一個先驗標準。模型指標是從統(tǒng)計回歸模型得到的統(tǒng)計值。特征指標是在一個特定的時間段內(nèi)測值的最大值或最小值。在實際操作過程中，模型指標和特征指標一直在變化，作為后驗標準。通常根據(jù)實際情況，特別是運行初期，測點無法提出有效的設(shè)計指標，或者設(shè)計指標與實際情況不符時，可采用模型指標進行判別。統(tǒng)計模型的準確性決定了模型指標的可靠性，因此需要考慮多種環(huán)境量因子和影響統(tǒng)計模型的因素?？傊_定監(jiān)控指標是定量分析的基礎(chǔ)、是進行安全評價的關(guān)鍵步驟。定性分析主要依據(jù)監(jiān)測結(jié)果、建筑物特點和工程師經(jīng)驗。根據(jù)工程安全是否受到影響，定性分析的結(jié)果分為正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)兩種。建筑物的安全評價是定量分析與定性分析的結(jié)合。

2.1 測點狀態(tài)評價等級

首先針對單個測點的狀態(tài)展開評價。排除測量錯誤數(shù)據(jù)或粗差后，擬將測點狀態(tài)評價等級分為A、B、C、D、E，如表1所示。其中，等級A表示測點狀態(tài)良好，測值在監(jiān)控指標范圍內(nèi)；等級B和C表示測值超界，不在監(jiān)控指標范圍內(nèi)；等級D和E表示數(shù)據(jù)變化趨勢異常，時效分量呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，需加以重視。測點綜合評價流程見圖1。

表1 測點狀態(tài)評價

圖1 測點綜合評價流程

2.2 建筑物安全評價及報警

在測點安全評價的基礎(chǔ)上，對建筑物的安全評價進行分類。評價等級數(shù)量劃分的多少，是一個涉及到評價目的、已有方法或相應規(guī)范、實踐經(jīng)驗、人類心理活動與認知能力等多方面因素的問題。然而，對評價指標特性和最終評價目標的評價等級數(shù)量劃分目前尚無規(guī)范可循。若評價等級數(shù)量劃分的過少，將失于粗略，難以全面真實地反映評價對象的工作狀態(tài)；若評價等級數(shù)量劃分得過多，將過于繁瑣，加大評價等級之間界限的確定難度和計算工作量。因此，本文借鑒美國墾務局對大壩安全評價和風險管理辦法，并基于實際工程提出了建筑物的安全綜合評價方法。

為了及時發(fā)現(xiàn)異常并報警，建筑物的評價等級可分為以下4個等級（見表2），分別以綠、藍、黃、橙4種不同顏色表示。其中，綠色代表各因素測量數(shù)據(jù)都在模型指標和監(jiān)控指標范圍內(nèi)，建筑物運行正常，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常；黃色代表各因素測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)超過模型指標的情況，但設(shè)計指標和監(jiān)控指標未超界，建筑物的運行基本正常，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常；橙色代表各因素測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常測點，或者是在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)構(gòu)可能存在一定的破壞；紅色代表建筑物存在嚴重的安全問題。若確定了建筑物的狀態(tài)，則在地圖界面上顯示對應的顏色。圖2中所有的水工建筑物被標為綠色，說明建筑物都處于正常狀態(tài)。右上角的文本顯示了每種建筑物的監(jiān)測分析結(jié)果。報警系統(tǒng)流程狀態(tài)見圖3。

表2 建筑物安全評價等級及判斷依據(jù)

圖2 工程安全監(jiān)測系統(tǒng)操作界面

圖3 報警流程狀態(tài)

3 監(jiān)測系統(tǒng)評價及報警

3.1 測點數(shù)據(jù)和監(jiān)測系統(tǒng)評價

監(jiān)測系統(tǒng)異常導致測量數(shù)據(jù)不可用，因此，首先應對監(jiān)測系統(tǒng)進行評價，再對測量數(shù)據(jù)的狀態(tài)進行評價。監(jiān)測系統(tǒng)的評價是基于現(xiàn)場調(diào)查和長期觀測精度測試與實測數(shù)據(jù)分析的檢查結(jié)果。將測點數(shù)據(jù)分為A、B、C三級，見表3。只有等級A或等級B的數(shù)據(jù)才能用于進一步分析。

表3 測點數(shù)據(jù)的評價等級

為避免安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價等級數(shù)量劃分得過多，導致判斷、處理測點數(shù)據(jù)過于繁瑣，使報警頻繁和管理難度增加，結(jié)合南水北調(diào)工程實際情況，系統(tǒng)采用的監(jiān)測系統(tǒng)評價等級見表4。

表4 監(jiān)測系統(tǒng)的評價等級

3.2 在線和離線綜合評價及報警

綜合分析評價根據(jù)啟動方式不同可分為在線綜合評價和離線綜合評價。在線綜合分析評價是一個服務器后臺的程序，沒有操作界面，客戶端可以對其進行啟動、停止、設(shè)置運行頻率等。在線綜合分析評價模塊主要分為以下4個部分：

（1）單點各類標準檢查和單點信息定量化。系統(tǒng)采用3種標準作為單個測點的檢查標準：①模型標準，以統(tǒng)計模型為主。②速率（包括加速度）標準。③監(jiān)控標準，包括設(shè)計標準和重癥標準。各類標準檢查完成以后，定量確定單點的狀態(tài)，并將測點的各項檢查結(jié)果進行保存。

（2）在單點定量化的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物巡視檢查結(jié)果進行綜合分析評價，完成對建筑物安全狀態(tài)的綜合評估。

（3）系統(tǒng)根據(jù)異常程度，自動發(fā)出相應級別的報警，作為輔助決策的依據(jù)。

（4）系統(tǒng)自動輸出兩類檢查信息。一類為單個測點檢查結(jié)果，并對異常測點進行匯總；另一類為按建筑物所得安全評價結(jié)果，對安全狀態(tài)等級進行標識。用戶可通過在線綜合分析推理結(jié)果顯示界面了解在線檢查結(jié)果。

離線綜合分析系統(tǒng)主要是為分析人員提供綜合分析的集合環(huán)境及有效支持。用戶可以通過檢查圖標來進行離線綜合分析，圖標包括任何時段的測量時間圖、相關(guān)圖、分布圖及特征值。設(shè)置不同類型的指標，如最小速率、最小加速度。點擊離線綜合推理圖標，系統(tǒng)將自動顯示離線綜合分析結(jié)果。單點信息定量化同樣適用于離線綜合分析。建立模塊的方法很多，可用于進一步分析。該模塊對特定的分析模式進行調(diào)整，并將評價過程設(shè)置為在線分析。一旦建筑物發(fā)生異常，操作員可以根據(jù)最新的分析結(jié)果發(fā)出警報。

綜合建筑物安全評價等級和監(jiān)測系統(tǒng)評價等級，在建筑物安全或者監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，分別發(fā)出4級報警，見表5。報警器的報警流程包括報警接收、報警處理和報警排除。報警排除可通過自動和手動兩種方式來實現(xiàn)。

表5 報警級別分類

4 結(jié)論

（1）本文闡述了長距離調(diào)水工程安全評價與預警的方法，提出了工程安全與監(jiān)測系統(tǒng)預警的分級準則，結(jié)合在線分析和離線分析方法確定了南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測的預警機制，通過建立工程安全監(jiān)測預警系統(tǒng)為南水北調(diào)中線干線工程的安全保駕護航。

（2）目前，安全監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠基本保障工程的安全運行，可以對工程或系統(tǒng)出現(xiàn)的異常狀況進行實時報警。但長距離調(diào)水工程建筑物的狀態(tài)在施工階段、早期運行階段和長期運行階段都有很大的不同，應根據(jù)工程不同階段分別制定相應的監(jiān)控指標。同時，監(jiān)控模型的設(shè)計指標應確保與實際工況相對應，模型指標和特征值指標需有3～5 a以上歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，使監(jiān)控模型在不斷調(diào)整后仍滿足精度要求。

（3）在線和離線綜合分析推理過程需結(jié)合建筑物具體失效模式或失效路徑進行深入研究。此外，在單點定量分析基礎(chǔ)上，定量分析巡視檢查結(jié)果并實現(xiàn)二者的有效結(jié)合也是下一步研究工作的重點。