數(shù)字水電大壩安全管理平臺建設(shè)研究及展望

徐金英，胡明庭

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省杭州市 310030；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 研究背景

21世紀(jì)初期，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的逐步增長，對能源需求尤其是清潔能源的需求大大增加，一大批高壩大庫陸續(xù)在西南、新疆和西藏修建[1-3]。近年來用電需求的持續(xù)走低，電力供應(yīng)過剩嚴(yán)重[4]，送出配合問題日益突出，西南地區(qū)的棄水棄電現(xiàn)象頻繁發(fā)生，水電建設(shè)速度放緩，“十三五”常規(guī)水電規(guī)劃數(shù)量是“十二五”規(guī)劃的一半，如此嚴(yán)峻的行業(yè)發(fā)展形勢給發(fā)電企業(yè)帶來了日趨加大的經(jīng)營壓力，如何經(jīng)營好現(xiàn)有水電資產(chǎn)，保障水電站大壩安全運行是發(fā)電企業(yè)當(dāng)前面臨的重大生存問題。早在2015年初，國家發(fā)展改革委發(fā)布的《水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定》，對電力企業(yè)大壩安全信息化工作做出了明確規(guī)定。因此，做好水電站大壩安全管理研究是當(dāng)前和今后一個長時期內(nèi)水利水電行業(yè)改革發(fā)展的總基調(diào)和風(fēng)向標(biāo)。

隨著智能制造、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等顛覆性技術(shù)的發(fā)展，以及國務(wù)院“互聯(lián)網(wǎng)+”系列文件的出臺，開展智慧能源建設(shè)正逐漸成為電力生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的新趨勢和方向[5-7]。數(shù)字水電大壩安全管理是構(gòu)建數(shù)字水電廠的一個應(yīng)用功能，是推動智能水電廠建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是最終實現(xiàn)智慧水電生產(chǎn)的前提保障。本文詳細(xì)介紹了中國華電集團(tuán)公司（以下簡稱華電集團(tuán)）開展數(shù)字水電大壩安全管理建設(shè)中取得的成果和經(jīng)驗，并基于當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，在詳細(xì)分析大壩安全管理需求和特點的基礎(chǔ)上，在“GIS+三維可視化技術(shù)”、去中心化保證數(shù)據(jù)不可篡改的區(qū)塊鏈技術(shù)[8]、基于大型商業(yè)軟件的ANSYS和ABAQUS的有限元數(shù)字仿真技術(shù)、基于Python程序開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法的大壩結(jié)構(gòu)參數(shù)反演技術(shù)、基于遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的新技術(shù)新設(shè)備等方面提出了對今后開展數(shù)字水電大壩平臺的建設(shè)進(jìn)行了科學(xué)和合理的展望。

2 數(shù)字水電大壩安全管理的主要研究成果

2.1 研究背景

華電集團(tuán)所屬水電站大壩113座，大壩數(shù)量眾多、壩高不等、壩型豐富、管理水平參差不齊給集團(tuán)水電站大壩安全管理工作帶來了嚴(yán)重不便，基于集團(tuán)大壩安全管理需求，并調(diào)研雅礱江[9]、大渡河[10]和清江河[11]流域的流域大壩集中安全管理[12]經(jīng)驗，2016年，華電集團(tuán)提出了智能水力發(fā)電建設(shè)及發(fā)展規(guī)劃，并制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中《智能水力發(fā)電大壩安全分析系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》明確了智能水力發(fā)電大壩安全分析系統(tǒng)的基本原則、功能要求和主要技術(shù)指標(biāo)，用于指導(dǎo)和規(guī)范未來智能水電廠大壩安全管理系統(tǒng)建設(shè)[13，14]。2018年初，華電集團(tuán)提出了實現(xiàn)“數(shù)字華電”的新思路，推動數(shù)字水電大壩試點工作，為下一步建設(shè)華電集團(tuán)智能化水力發(fā)電提供技術(shù)指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗。

2.2 數(shù)據(jù)存儲規(guī)則研究

數(shù)據(jù)存儲規(guī)則研究作為相關(guān)信息化工作的基礎(chǔ)工作，數(shù)字水電大壩安全管理系統(tǒng)的研究是基于統(tǒng)一平臺之上的，即所有大壩安全管理數(shù)據(jù)均在同一數(shù)據(jù)庫內(nèi)，現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)采用傳統(tǒng)建設(shè)模式，各系統(tǒng)單獨采集所需數(shù)據(jù)，獨立配置硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等，系統(tǒng)間信息交互、共享能力較差，影響數(shù)據(jù)的一致性和正確性，導(dǎo)致信息資源拆分零散和大量冗余。為此，編制數(shù)據(jù)編碼規(guī)范，是開展本項工作的首要任務(wù)。結(jié)合華電集團(tuán)的基本要求和本行業(yè)基本現(xiàn)狀，確定在德國VGB技術(shù)委員會KKS編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行制定華電集團(tuán)的數(shù)據(jù)編碼規(guī)范。

考慮數(shù)字化大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際情況，并結(jié)合工作經(jīng)驗，對于大壩內(nèi)觀的儀器，只編到某一部位的一類儀器（如無應(yīng)力計、三向應(yīng)變計、應(yīng)力計、鋼筋計、溫度計），具體到各個測點以相應(yīng)的順序編號予以區(qū)分；對于外觀的儀器，要求編到各個測點。在設(shè)備組A1位中，定義水電站大壩安全監(jiān)測的儀器和設(shè)備，A2位中定義不同的儀器設(shè)備，A3位依據(jù)不同的測量方法和要求，視情況而定[如：水平位移監(jiān)測中，A3位（D-倒垂，Z-正垂，C-測點）]。

2.3 已建大壩系統(tǒng)簡介

2016年初，華電集團(tuán)建設(shè)了集團(tuán)大壩安全管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由大壩安全監(jiān)測信息整編C/S軟件及應(yīng)用網(wǎng)站系統(tǒng)組成[15]。系統(tǒng)在水力發(fā)電領(lǐng)域首次實現(xiàn)兩個管理全覆蓋，一是區(qū)域全覆蓋，即大壩安全管理系統(tǒng)匯集集團(tuán)七大區(qū)域所轄大壩集群；二是等別全覆蓋，即大壩安全管理系統(tǒng)匯集集團(tuán)所有等別的水電站大壩。

2.3.1 軟件實施情況

大壩安全監(jiān)測信息整編C/S軟件采用華東勘測設(shè)計研究院自主研發(fā)的idam，主要提供大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、人工和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)質(zhì)量治理、周月季年度報告報表制作、基本設(shè)置等功能。截至目前，華電集團(tuán)已接入大壩83座，完成國家能源局大壩中心數(shù)據(jù)報送100%；按區(qū)域推廣大壩安全監(jiān)督運維，其中烏江公司作為華電集團(tuán)最大的水電基地，于2019年開始月度大壩安全監(jiān)督工作，全面提升烏江公司大壩安全監(jiān)測信息的及時率、完好率、報送率、處理率和使用率，實時效果可觀。

2.3.2 應(yīng)用網(wǎng)站系統(tǒng)實施情況

大壩安全應(yīng)用網(wǎng)站系統(tǒng)主要基于大壩現(xiàn)地采集到的大壩監(jiān)測信息，在數(shù)據(jù)匯集到區(qū)域和集團(tuán)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，開發(fā)建設(shè)的服務(wù)于大壩安全管理綜合業(yè)務(wù)的網(wǎng)站系統(tǒng)。系統(tǒng)以展示、監(jiān)督、管理和評價為核心，在線監(jiān)控和實時展示大壩安全監(jiān)測信息整編C/S軟件接入的所有大壩的安全監(jiān)測管理信息，并定期進(jìn)行評價統(tǒng)計，為各大壩安全管理考核提供依據(jù)。

2.4 管理機(jī)制探索

華電集團(tuán)數(shù)字水電大壩安全管理工作采用三級管理體系，即電廠級、區(qū)域級和集團(tuán)級。根據(jù)國家及行業(yè)現(xiàn)行法律法規(guī)，首次制定集團(tuán)《大壩安全管理系統(tǒng)管理辦法》，明確集團(tuán)公司、二級單位以及各基層水力發(fā)電企業(yè)的管理職責(zé)，并提出了相應(yīng)的管理要求及評價考核辦法，這是華電集團(tuán)首次在集團(tuán)層面以管理辦法的形式構(gòu)建水工專業(yè)的大壩安全管理模式和機(jī)制，為下一步實現(xiàn)大壩安全管理“無人值守，集中管理，少人維護(hù)”的管理模式提供制度指導(dǎo)與保障，充分體現(xiàn)了集團(tuán)對保障所轄水電站大壩安全運行的管理手段和管理決心。

3 研究展望

基于華電集團(tuán)大壩安全管理工作上取得的成效與經(jīng)驗，同時響應(yīng)集團(tuán)公司建設(shè)數(shù)字水電大壩的發(fā)展規(guī)劃，針對大壩安全管理研究的專業(yè)特點，利用GIS、三維可視化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)、區(qū)塊鏈等手段，結(jié)合華電集團(tuán)各水電站大壩的現(xiàn)場實際、集團(tuán)管理思路以及集團(tuán)企業(yè)發(fā)展和改革方向和重點，確定下一步的主要研究內(nèi)容為：

（1）大壩安全監(jiān)測信息GIS+三維可視化展示技術(shù)研究。結(jié)合GIS和三維可視化技術(shù)，進(jìn)行大壩安全監(jiān)測在線監(jiān)控和專家診斷分析成果給出動態(tài)預(yù)警、報警研究。通過創(chuàng)建各測點監(jiān)測測值的數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型，統(tǒng)計動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律（如變化速度、加速趨勢）及相互關(guān)系，實現(xiàn)大壩真實性態(tài)的三維在線展示及動態(tài)預(yù)警、預(yù)報。

（2）基于有限元數(shù)值分析的整體性大壩安全狀態(tài)預(yù)警報警技術(shù)研究。應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元仿真計算、參數(shù)反饋修正技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，在對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析評價的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)反演，實現(xiàn)對大壩及基巖關(guān)鍵物性參數(shù)、模型的動態(tài)反演和修正。并實現(xiàn)從傳統(tǒng)的、基于點、線局部實測數(shù)據(jù)的安全分析、預(yù)警向基于全壩、全過程動態(tài)仿真的大壩工作性態(tài)分析、預(yù)警的跨越。

（3）開展基于集團(tuán)管轄大壩管理特點的大壩安全風(fēng)險辨識和評估。根據(jù)集團(tuán)管轄大壩及流域上下游相關(guān)電站大壩設(shè)計、施工、運行資料，結(jié)合大壩運行管理缺陷和隱患臺賬，對存在的所有缺陷、安全隱患進(jìn)行風(fēng)險點辨識和分類。結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)有限元分析和大壩監(jiān)測信息在線監(jiān)控，并對重大缺陷和隱患進(jìn)行跟蹤和分析，分析事故風(fēng)險發(fā)生的概率，評估隱患事故可能造成的后果，綜合評判大壩風(fēng)險等級，結(jié)合前述預(yù)警報警研究成果，給出大壩風(fēng)險預(yù)警報警評價結(jié)論。

（4）基于當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字水電大壩平臺建設(shè)。大壩安全監(jiān)測作為大壩安全評判的“耳目”，在一定程度上直接反映著大壩安全狀況[16]，部分水電廠人員為了工作的“便捷”和逃避考核處罰，任意編造、捏造、篡改大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得大壩安全的真實狀態(tài)得不到真實關(guān)注。而區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁椉夹g(shù)，是一種分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸和加密算法等計算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，具有透明、信用、不可篡改的特點，同時也基于其分布式存儲的特點，導(dǎo)致了當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)下的數(shù)據(jù)處理速度較慢，無法進(jìn)行快速高效的應(yīng)用。依據(jù)水電站大壩運行安全信息報送辦法[17]：對于工程安全特別重要的大壩安全監(jiān)測信息于48小時內(nèi)自動報送至大壩監(jiān)察中心，其他大壩應(yīng)于次月15日前報送至大壩監(jiān)察中心。綜上所述，大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求監(jiān)測頻次較少，一般為水情數(shù)據(jù)1次/天、重要大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)1次/2天，其余大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)1次/月，因此即便在當(dāng)前的區(qū)塊鏈發(fā)展技術(shù)下，依然能夠滿足水電數(shù)字大壩安全管理平臺的建設(shè)要求，采用區(qū)塊鏈技術(shù)將各區(qū)域公司和集團(tuán)總部連通，各大壩現(xiàn)地監(jiān)測自動化設(shè)備應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)完成采集后直接存儲到各區(qū)域公司和集團(tuán)總部服務(wù)器上，能夠從根本上避免數(shù)據(jù)的篡改，這是區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字大壩平臺上最大的應(yīng)用特點。

（5）大壩安全監(jiān)測及傳輸新技術(shù)、新方法研究。如將現(xiàn)代成熟的傳感器、機(jī)電控制、精密測量、軟件、數(shù)理統(tǒng)計平差與互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧地融為一體，可實現(xiàn)全自動、全天候、無人值守的安全、可靠的大壩外部變形遠(yuǎn)程智能監(jiān)控技術(shù)研究；綜合多波束探測技術(shù)、水下無人潛航器探測技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、淺地層剖面儀技術(shù)以及側(cè)掃聲吶探測技術(shù)等新型水下檢測技術(shù)研究等。

4 結(jié)論

進(jìn)入21世紀(jì)以來，以人工智能、移動通信、區(qū)塊鏈為代表的新一代科學(xué)技術(shù)的突破應(yīng)用，正在深刻影響著國家的發(fā)展和人民的生活，引領(lǐng)著企業(yè)的發(fā)展和改革方向，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，提升原創(chuàng)力是企業(yè)占據(jù)創(chuàng)新高地、取得產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新優(yōu)勢的必然選擇。本文在華電集團(tuán)搭建數(shù)字水電廠的建設(shè)框架下，結(jié)合華電集團(tuán)構(gòu)建大壩安全管理系統(tǒng)的實施經(jīng)驗和提供的信息管理平臺，給出了數(shù)字水電大壩安全管理平臺的建設(shè)思路和研究展望，為發(fā)電企業(yè)構(gòu)建集團(tuán)統(tǒng)一的數(shù)字水電大壩平臺提供參考，為下一步推動華電集團(tuán)建成“智能電廠”實現(xiàn)“智慧發(fā)電”生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。