智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與研究

張宏禎，張鵬舉，徐寶山

（甘肅省疏勒河流域水資源局,735211,玉門）

水庫大壩安全監(jiān)測與數(shù)據(jù)資料整編分析是大壩日常管理的一項重要工作。為準確掌握大壩運行狀態(tài)，各個水庫大壩都會根據(jù)大壩類型和規(guī)模設計監(jiān)測項目，或者參考大壩安全監(jiān)測規(guī)范開展大壩安全數(shù)據(jù)監(jiān)測。由于數(shù)據(jù)分析主要依靠人工實現(xiàn)，造成觀測數(shù)據(jù)不能及時有效處理，為水庫大壩安全運行埋下隱患。近年，隨著水利信息化的快速發(fā)展，計算機技術運用到水利行業(yè)的范圍越來越廣，水庫大壩自動化監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)分析方法也取得了一定進展。目前，大部分水庫大壩開始對安全監(jiān)測設備進行更新改造，從原來的人工觀測轉變?yōu)樽詣佑^測，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，在數(shù)據(jù)采集方面發(fā)揮了巨大的作用。但是,安全監(jiān)測系統(tǒng)設計開發(fā)涉及信息化專業(yè)領域，相關人員缺乏水利業(yè)務知識，行業(yè)和領域之間缺乏深度結合，在數(shù)據(jù)分析方面依然存在許多問題和不足，僅僅停留在簡單統(tǒng)計匯總上，不能為水庫管理單位提供專業(yè)指導和智能評判。

一、基本情況

疏勒河灌區(qū)內建有昌馬、雙塔兩座大（2）型水庫和赤金峽1座中型水庫，總庫容4.72億m3。昌馬水庫于2001年建成并蓄水，總庫容1.934億m3，是疏勒河流域的龍頭工程。水庫開工建設至運行至今，只有極少部分安全監(jiān)測設備能夠正常運行且只有手工觀測記錄數(shù)據(jù)而無分析成果，其余部分都處于廢置狀態(tài)。雙塔水庫始建于1958年，原設計總庫容2.4億m3，2016年對雙塔水庫進行除險加固維修改造工程，已經更新改造全部設施設備，能夠實現(xiàn)自動觀測和記錄，但仍無法實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)分析和處理，僅僅停留在數(shù)據(jù)統(tǒng)計層面。赤金峽水庫始建于1958年，水庫大壩安全監(jiān)測手段整體落后，全部采用傳統(tǒng)人工觀測和統(tǒng)計分析。因此，疏勒河流域三座水庫大壩安全觀測設備和觀測數(shù)據(jù)都未能達到規(guī)范要求，均不能實現(xiàn)自動化觀測和自動分析，不能有效為水庫的安全運行提供技術數(shù)據(jù)支撐和設備保障。

為保障水庫大壩自身安全及下游灌區(qū)用水安全，本文通過對水庫大壩安全監(jiān)測綜合系統(tǒng)的分析研究，以解決水庫工程安全隱患為目標，開發(fā)一種基于云桌面超融合技術下大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集存儲系統(tǒng)，為水庫運行調度、防洪抗旱指揮提供直接、可靠、及時的信息及決策依據(jù)。

二、系統(tǒng)軟件設計

1.系統(tǒng)構架組成

疏勒河智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要基于疏勒河干流水資源監(jiān)測和調度管理綜合信息系統(tǒng)桌面云平臺開發(fā)，桌面云超融合平臺是通過虛擬化技術，將計算、存儲、網絡和網絡功能（安全及優(yōu)化）深度融合到一臺標準X86服務器中，形成的標準化超融合單元。多個超融合單元通過網絡方式匯聚成數(shù)據(jù)中心整IT基礎架構，并通過統(tǒng)一的WEB管理平臺實現(xiàn)可視化集中運維管理，IT架構可根據(jù)用戶隨需應變、平滑演進。

桌面云以服務器虛擬化為基礎，允許多個用戶桌面以虛擬機的形式獨立運行，同時共享CPU、內存、網絡連接和存儲器等底層物理硬件資源。

智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)大壩運行數(shù)據(jù)自動監(jiān)測并以圖、文信息進行發(fā)布，支持有權限的遠程用戶利用瀏覽器及移動端進行瀏覽查詢。對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)在統(tǒng)計模型、應力應變、滲壓系數(shù)和監(jiān)控指標等方面進行分析，利用數(shù)據(jù)在線評判功能模塊，結合傳統(tǒng)閾值比對獨立預警和層次分析法，借助人工智能前沿成果，構建大壩安全目標綜合評價體系，提供準確的大壩運行工況信息，輔助水庫大壩運行預警，為管理人員提供決策支持信息。

該系統(tǒng)模塊統(tǒng)一集成到疏勒河干流水資源監(jiān)測和調度管理綜合信息系統(tǒng)平臺，以實現(xiàn)管理自動化和信息網絡化，存儲高效、擴展性強，為領導部門提供決策支持信息，使平臺成為權威性基礎數(shù)據(jù)信息中心。

（1）基于GIS的綜合展示

平臺能提供地理信息底圖服務、工程部位、設備標注服務，實時預警狀態(tài)顯示服務。通過加載GIS底圖，實時顯示工程及傳感器所在地圖位置，查看監(jiān)測儀器具體位置和相關動態(tài)數(shù)據(jù)，并依靠圖標閃動等方式提示測站異常警告等信息。

（2）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)信息管理模塊是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的基本保障，主要實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的基本維護管理工作。主要包括工程管理、用戶信息管理、修改密碼、操作日志、權限管理、文檔管理、基本資料管理等功能。

（3）設備管理

設備管理主要包括采集儀管理、傳感器管理等。主要對安全監(jiān)測的工程設備信息進行配置管理,可以進行設備的添加、查詢、編輯和刪除。

2.監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括統(tǒng)計模型分析、應力應變分析、滲壓系數(shù)分析、監(jiān)控指標分析、數(shù)據(jù)在線評判。

統(tǒng)計模型分析對選中的測點數(shù)據(jù)進行建模分析，得到測點各影響因素權重及擬合公式，解釋監(jiān)測量的變化規(guī)律和原因，分解監(jiān)測量的組成成分，分析各影響量的對比關系，剔除粗差超限測點數(shù)據(jù)，對比剔除粗差前后測值過程線，并根據(jù)擬合模型預測環(huán)境量及測點數(shù)據(jù)。

應力應變分析對應變類測點（多向應變計和無應力計測點）數(shù)據(jù)進行分析，計算混凝土徐變應力及主應力。

滲壓系數(shù)分析對滲流類測點（滲壓計、測壓管）數(shù)據(jù)進行分析，計算該測點的滲壓系數(shù)。

監(jiān)控指標分析對變形類（垂線儀、引張線等）測點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到測點的監(jiān)控指標最大、最小值信息。

監(jiān)測數(shù)據(jù)評價對變形類測點數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)統(tǒng)計模型和監(jiān)控指標分析結果，對數(shù)據(jù)測值進行智能評價，為大壩安全穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

3.智能化評價

（1）安全評價分析

針對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用灰色系統(tǒng)理論和過程突變理論，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)在線檢驗模型，利用模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性和真實性進行在線檢驗，采用模糊測度和模糊積分算法，梳理監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立準確度高、能夠代表大壩安全運行的評價大數(shù)據(jù)庫。依據(jù)鑒定標準和監(jiān)測規(guī)范，對大壩安全進行定期評價、實時評價和動態(tài)評價，形成數(shù)據(jù)評價報告。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價報告，采用層次分析法確定權重向量和安全影響因子，通過權重融合原理將模糊一致判斷矩陣法和均方差法確定的兩種權重系數(shù)綜合得出診斷元素的最終權重。在確定模糊評價矩陣各因素的隸屬度過程中，針對定性因子采用逐級估量法和專家評分法進行隸屬度確定，并應用人工神經網絡技術建立基于自學習神經元的網絡監(jiān)控模型，預測預報大壩安全狀態(tài)演進趨勢，建立具有邏輯推理功能的大壩安全監(jiān)測專家系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩安全智能決策支持功能。最終軟件系統(tǒng)對水庫大壩的安全狀態(tài)進行綜合預評價，按預先設置的三種狀態(tài)（正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、險情狀態(tài)）發(fā)布預警輸出和人機互動。

圖1 華為桌面云架構圖

（2）預警預報

正常狀態(tài)指大壩完成設計功能后不存在影響正常使用的明顯缺陷，且各主要監(jiān)測量的變化連續(xù)在允許區(qū)間內；異常狀態(tài)指大壩工程的某些功能已不能完全滿足設計要求，或主要監(jiān)測量頻繁出現(xiàn)異常而可能影響正常使用；險情狀態(tài)指大壩工程出現(xiàn)危及安全的嚴重缺陷或環(huán)境監(jiān)測量中危及安全的因素正在加劇，致使主要監(jiān)測量出現(xiàn)較大異常，按設計條件繼續(xù)運行將會出現(xiàn)大事故的狀態(tài)。

預警預報模塊主要包括發(fā)送配置、預警配置、模板管理和預警信息四部分。在三種狀態(tài)下，都有相應的觸發(fā)閾值，一旦達到某種狀態(tài)，預警模塊可根據(jù)定制的發(fā)送規(guī)則，發(fā)送水庫大壩運行狀態(tài)消息。管理人員可以根據(jù)生成的評價報告和狀態(tài)信息及時對水庫大壩安全運行制定準確的措施辦法，為水庫運行調度提供直接、可靠、及時的信息及決策依據(jù)。

三、結 語

疏勒河智能化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建成能夠實現(xiàn)在云桌面超融合技術下的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，存儲匯總后進行自動分析、對比、展示，并形成數(shù)據(jù)評價報告。系統(tǒng)借助評價數(shù)據(jù)庫和評價報告自動評判水庫大壩運行狀態(tài)，通過設置觸發(fā)閾值發(fā)送運行狀態(tài)消息，為強化水庫監(jiān)管、安全運行和效益發(fā)揮提供實時數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。