庫壩群全生命周期安全質(zhì)量綜合管控系統(tǒng)設(shè)計

張 嵐，凌 騏

［南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 211000］

0 引言

水庫大壩作為水電開發(fā)的重要舉措，能夠促進(jìn)環(huán)境友好的、對社會負(fù)責(zé)的和經(jīng)濟(jì)可行的水電發(fā)展。不同于一般的土木建筑物，庫壩建筑物自勘探設(shè)計到施工完建，經(jīng)歷不確定因素較多、建造技術(shù)復(fù)雜、歷時長環(huán)節(jié)多，竣工運(yùn)行后受荷載長期作用和惡劣環(huán)境因素影響，結(jié)構(gòu)物逐漸老化，存在可能發(fā)生事故的風(fēng)險[1]。為降低或消除庫壩生命周期中的各類風(fēng)險，確保其安全和質(zhì)量，要通過自動化、數(shù)字化、信息化等技術(shù)手段全面感知庫壩施工質(zhì)量和不同階段運(yùn)行性態(tài)，積極采用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)識別可能存在的安全隱患和風(fēng)險，實現(xiàn)庫壩全生命周期的安全質(zhì)量綜合管控。

近年來，國內(nèi)大型流域公司、集團(tuán)公司相繼組建了庫壩管理專業(yè)機(jī)構(gòu)，由主管單位專業(yè)管理機(jī)構(gòu)來承擔(dān)運(yùn)行單位的部分或全部庫壩安全管理責(zé)任，推動庫壩管理由分散獨(dú)立運(yùn)行模式向統(tǒng)一集中管控模式轉(zhuǎn)變[2-3]。庫壩群全生命周期安全質(zhì)量綜合管控系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)），適應(yīng)了行業(yè)發(fā)展的形勢和方向，通過統(tǒng)籌庫壩群資源、規(guī)范業(yè)務(wù)流程、共享多源信息，對大壩及庫區(qū)自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)進(jìn)行更加及時、科學(xué)、全面的安全分析評估，加強(qiáng)庫壩安全質(zhì)量風(fēng)險控制，為突發(fā)事件應(yīng)急處置提供遠(yuǎn)程會商平臺與技術(shù)支撐，基于集約化管理、精細(xì)化運(yùn)行切實提升庫壩群安全質(zhì)量管理水平，促進(jìn)工程與自然的和諧共處和持續(xù)發(fā)展[4-6]。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)庫壩群綜合管控數(shù)據(jù)中心。打通主管機(jī)構(gòu)與各工程運(yùn)行管理單位的信息采集和共享通道，實現(xiàn)安全質(zhì)量相關(guān)信息資源的集中存儲、共享訪問和有效利用，為開展統(tǒng)一集中管理提供基礎(chǔ)保障和支撐。

實現(xiàn)監(jiān)督管理行為數(shù)字化。主管機(jī)構(gòu)可通過遠(yuǎn)程監(jiān)管和現(xiàn)場檢查相結(jié)合的方式監(jiān)管所轄庫壩群，以信息化手段作為支持平臺，建立程序化的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程和多維度的指標(biāo)考核體系，優(yōu)化配置流域性資源，將遠(yuǎn)程管理作為常規(guī)工作方式，提高監(jiān)管效率和水平。

在線監(jiān)控庫壩群安全質(zhì)量。實時監(jiān)測和反饋控制大壩填筑碾壓質(zhì)量、施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)物運(yùn)行性態(tài)，智能分析與評估施工作業(yè)正確性及大壩安全狀態(tài)，識別可能存在的安全隱患和風(fēng)險，為日常管理和科學(xué)決策提供有力的信息服務(wù)支持。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)按照“四個一、兩張網(wǎng)”進(jìn)行設(shè)計，即遵循一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、共用一個硬件基礎(chǔ)，借助物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)兩張網(wǎng)，建設(shè)一個數(shù)據(jù)中心，搭建一個綜合的軟件應(yīng)用平臺。從時間維度來看，系統(tǒng)不再將施工期和運(yùn)行期的信息區(qū)分管理，而是在時間上形成一個完整的信息鏈；從空間維度看，系統(tǒng)將不同對象不同類型的信息統(tǒng)一集中管理，消除信息孤島，實現(xiàn)（跨）流域數(shù)據(jù)信息共享。在此基礎(chǔ)上綜合分析評估施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)物安全性態(tài)，找出可能存在的安全隱患，為庫壩群安全質(zhì)量管控提供決策支撐。

系統(tǒng)的管理對象包括水庫及河道堤岸等結(jié)構(gòu)物、壩群及地下洞室等水工建筑物、庫區(qū)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害體、庫區(qū)交通建筑物以及水工隧洞和渠系建筑物等。系統(tǒng)用戶主要覆蓋庫壩群各級管理單位和部門、庫壩運(yùn)行管理單位，面向提供輔助決策的專家用戶，系統(tǒng)將提供專家咨詢和會商環(huán)境，提供信息瀏覽、資料查詢、意見反饋等功能。

圖1是系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。在統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息安全機(jī)制的支撐下，現(xiàn)地層利用各類傳感器、攝像頭、無人機(jī)、無人船等設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并將與工程質(zhì)量安全相關(guān)的信息送往數(shù)據(jù)層，然后通過服務(wù)層提供數(shù)據(jù)交互、報表、圖形、報警、日志等通用服務(wù)，應(yīng)用層利用下層獲取的數(shù)據(jù)和服務(wù)，向用戶提供各類應(yīng)用，如全景監(jiān)控、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)等。整個系統(tǒng)采用開放性的架構(gòu)，新的服務(wù)和應(yīng)用都可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Figure 1 Structural frame of dam groups integrated management and control system

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息包括與庫壩安全質(zhì)量管理相關(guān)的建筑物信息、日常監(jiān)測信息和運(yùn)行管理信息三大類，其中建筑物信息包括工程特性、氣象水文、工程地質(zhì)、設(shè)計施工圖紙及文檔等；日常監(jiān)測信息包括各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像資料、巡檢信息、定期整編及各類專題分析報告；運(yùn)行管理信息包括管理規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全檢查情況、缺陷處理、補(bǔ)強(qiáng)加固以及從事安全管理的人員信息等。

針對上述基礎(chǔ)信息，主要功能包括：

3.1.1 可視化瀏覽

基于WebGIS服務(wù)全面系統(tǒng)地展示庫壩群的地理位置和基本信息，實時顯示重要監(jiān)測數(shù)據(jù)（如庫前水位、入庫流量等），通過點(diǎn)擊地圖熱點(diǎn)可直接切換至單個庫壩。借助三維可視化模型，全景展示單個庫壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)物的安全運(yùn)行狀態(tài)，實時反饋各類物理量變化規(guī)律，定位疑似異常部位，通過統(tǒng)一的三維模型使管理人員對各類空間信息正確理解和快速反應(yīng)，全過程多維度監(jiān)控庫壩群安全質(zhì)量，保障工程長期安全穩(wěn)定。

3.1.2 查詢統(tǒng)計

系統(tǒng)提供可組態(tài)的查詢統(tǒng)計功能，針對庫壩群基礎(chǔ)信息，用戶可靈活組態(tài)查詢準(zhǔn)則，如：統(tǒng)計當(dāng)前已進(jìn)入汛期的大型工程多少個、數(shù)據(jù)缺失率異常的重力壩多少座等，具體可根據(jù)現(xiàn)場需求擴(kuò)展信息查詢統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.3 輸入輸出

系統(tǒng)提供圖表交互的方式，支持錄入并修改基礎(chǔ)信息，支持圖形、表格及文檔等資料的JPG、BMP、Excel、Word、PDF等格式輸出。

3.2 施工質(zhì)量管理

基于監(jiān)測感應(yīng)、GIS、GNSS、物聯(lián)網(wǎng)通信、移動終端等多種技術(shù)，系統(tǒng)在線監(jiān)測和反饋控制大壩填筑碾壓質(zhì)量、施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)物安全狀態(tài)，智能分析與評估施工作業(yè)正確性并給出報警，并結(jié)合人工干預(yù)糾正不合規(guī)行為，確保施工質(zhì)量和安全始終處于受控狀態(tài)。

利用定位技術(shù)和施工車輛車載監(jiān)測裝置，可以實時監(jiān)控大壩填筑施工和壩料運(yùn)輸、卸料過程，系統(tǒng)通過監(jiān)測統(tǒng)計各項關(guān)鍵施工工序的質(zhì)量控制參數(shù)，檢查校準(zhǔn)施工作業(yè)的正確性和完備性，一旦發(fā)現(xiàn)不合規(guī)行為，將關(guān)聯(lián)終端PC和手持PDA設(shè)備立即報警，從而實現(xiàn)大壩施工的精細(xì)化管理、確保工程質(zhì)量[7]。

3.3 工程安全評估

3.3.1 庫區(qū)安全評估

針對庫區(qū)安全管理，可采用巡視檢查、無線定點(diǎn)探頭、無人機(jī)巡視、無人船檢測等手段形成“水陸空”全方位的安全監(jiān)測體系。

通過建立規(guī)范化的作業(yè)流程，系統(tǒng)對庫岸邊坡穩(wěn)定、庫區(qū)周邊、水面生態(tài)等項目進(jìn)行實時監(jiān)控和巡查管理，支持上傳、下載、查詢巡視檢查結(jié)果，包含文檔、影像信息。同時系統(tǒng)可與泄水建筑物運(yùn)行管理系統(tǒng)形成聯(lián)動機(jī)制，在開閘泄洪前，提示開啟警戒廣播或鳴警，提醒上、下游挖沙船、漁船等船只、人員離開保護(hù)區(qū)。

系統(tǒng)積極應(yīng)用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)庫區(qū)靜動態(tài)監(jiān)測圖像的智能篩查識別，定位可能存在病害的圖像，為庫區(qū)日常安全管理提供科學(xué)指導(dǎo)，降低事故風(fēng)險。

3.3.2 大壩安全評估

智能分析管理大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對各庫壩報送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中提取出有效信息，最大限度地削弱監(jiān)測誤差對大壩安全分析評估帶來的不利影響?；谔崛〗Y(jié)果，能夠智能生成管理簡報，對各電站數(shù)據(jù)報送質(zhì)量予以統(tǒng)計考評，并通過餅圖、柱形圖、過程線、報表等多種組合形式對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行全方位多角度展示。監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的電站，系統(tǒng)將自動推送報警信息、故障預(yù)警；同時自動觸發(fā)數(shù)據(jù)異常事件流，電站指定聯(lián)系人反饋異常處理結(jié)果后，事件流方形成閉環(huán)結(jié)束，系統(tǒng)將定期整理通報事件流辦理狀況。

實時監(jiān)控重點(diǎn)工程關(guān)鍵部位關(guān)鍵監(jiān)測項目。為了及時掌控各庫壩的安全運(yùn)行性態(tài)，可考慮對重要大壩的重要監(jiān)測量建立監(jiān)控模型，系統(tǒng)實時監(jiān)控對大壩安全具有控制意義的監(jiān)測測點(diǎn)情況，一旦測值超限，將自動推送告警信息，并啟動監(jiān)控異常事件流，事件流的流程可根據(jù)管理制度來個性化定制，確保重點(diǎn)工程關(guān)鍵性測點(diǎn)在線評判、實時監(jiān)控。

智能分析評估大壩安全狀況。系統(tǒng)將建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的大壩運(yùn)行性態(tài)與安全狀態(tài)的映射關(guān)系及分析模型，通過持續(xù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化完善關(guān)系模型，智能評估大壩當(dāng)下的安全狀態(tài)，識別可能存在的安全隱患和薄弱區(qū)域，并實現(xiàn)異常定位告警、根本原因分析和風(fēng)險預(yù)測，全面提升大壩安全診斷的準(zhǔn)確性、可靠性和實時性[8]。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警

系統(tǒng)對庫區(qū)崩塌、滑坡、泥石流三類地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行監(jiān)測采集、數(shù)據(jù)處理、分析展示、預(yù)測預(yù)報及信息發(fā)布，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動分析判斷，構(gòu)建數(shù)學(xué)預(yù)測模型和預(yù)設(shè)監(jiān)控值對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評估，實時掌握監(jiān)測對象的健康狀態(tài)，為及時防范、處置地質(zhì)災(zāi)害和應(yīng)急管理提供決策輔助和技術(shù)支撐[9]。

3.5 安全監(jiān)管考評

系統(tǒng)提供庫區(qū)安全監(jiān)管指標(biāo)創(chuàng)建、統(tǒng)計及管理的功能，用于評價各庫壩運(yùn)行管理單位監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、管理及巡檢、維護(hù)等各項工作開展情況[10]。根據(jù)主管單位專業(yè)管理機(jī)構(gòu)要求，系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)定一系列指標(biāo)，定期結(jié)合考核時段內(nèi)的數(shù)據(jù)情況自動計算指標(biāo)結(jié)果，并給出綜合評分，主管機(jī)構(gòu)可依據(jù)各單位評分情況，對其安全管理工作進(jìn)行考評和指導(dǎo)，從而促進(jìn)大壩安全管理水平的提升。

督促各電站開展大壩安全定期檢查和鑒定工作。針對辦理過注冊登記、定檢或備案的大壩，綜合工程現(xiàn)狀，系統(tǒng)按現(xiàn)行法規(guī)要求，自動擬定年度安全檢查工作計劃，督促各電站按期完成各項安全檢查工作，并可對當(dāng)前辦理情況進(jìn)行瀏覽查閱。

3.6 設(shè)備設(shè)施全生命周期管理

系統(tǒng)實施全生命周期的庫壩建筑物及其附屬安全監(jiān)測設(shè)施信息管理。針對庫壩結(jié)構(gòu)本身，建立全生命周期的隱患、缺陷臺賬，記錄施工期、試運(yùn)行期及運(yùn)行期不同階段的結(jié)構(gòu)隱患缺陷及其處置措施、處置結(jié)果；建立工程安全監(jiān)測設(shè)備設(shè)施臺賬，涵蓋安全監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信裝置、計算機(jī)軟硬件等各類對象，臺賬信息包括設(shè)備的基本信息、圖形圖像、歷史維護(hù)記錄、歸屬人員等。以設(shè)備設(shè)施及其維護(hù)管理為目標(biāo)，實現(xiàn)水工設(shè)備設(shè)施維護(hù)信息的實時查詢和管理。

3.7 應(yīng)急響應(yīng)

系統(tǒng)可查詢各庫壩運(yùn)行單位事先制定的防臺、防汛、防地質(zhì)災(zāi)害、堤壩潰口險情等方面的應(yīng)急搶險預(yù)案。當(dāng)工程安全性狀、水質(zhì)狀況、氣象水文條件等出現(xiàn)超限險情或異常時，由現(xiàn)地系統(tǒng)觸發(fā)報警，提醒用戶當(dāng)前所需要重點(diǎn)關(guān)注的工程，并給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級與響應(yīng)措施。系統(tǒng)提供應(yīng)急預(yù)案流程化工具，可自動執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案流程。

3.8 移動應(yīng)用

移動應(yīng)用主要面向手機(jī)和平板電腦用戶，為用戶提供當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行情況、重要即時信息、文檔資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表的瀏覽查詢，同時能夠綜合GPS定位技術(shù)、4G/3G/GPRS/WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸、云數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，用戶可利用移動應(yīng)用對區(qū)域內(nèi)的指定地點(diǎn)、設(shè)備進(jìn)行巡邏和檢查，實現(xiàn)智能巡檢。

4 結(jié)語

隨著科技水平及管理觀念的發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)越來越多的流域、梯級電站主管單位推行采取庫壩集中統(tǒng)一管控模式，庫壩群安全管理向著一體化、信息化、智能化方向發(fā)展。庫壩群全生命周期安全質(zhì)量綜合管控系統(tǒng)引入全生命周期理念，綜合考慮施工期和運(yùn)行期不同階段的業(yè)務(wù)需求和特點(diǎn)，應(yīng)用流域化、集團(tuán)化的優(yōu)勢，一方面在線管控庫壩建設(shè)質(zhì)量，另一方面綜合評估大壩、庫岸邊坡、地質(zhì)災(zāi)害體等結(jié)構(gòu)及巖土體的安全性態(tài)，同時量化考評單個庫壩運(yùn)行管理工作內(nèi)容，利用技術(shù)手段和管理創(chuàng)新助推效能提升，推動庫壩群安全質(zhì)量管理不斷創(chuàng)新。