大渡河流域梯級電站大壩安全智慧管理實踐

黃 會 寶, 江 德 軍， 沈 定 斌， 柯 虎

(國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 前 言

梯級水電站群是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，其建設(shè)與運行安全為各級人員長期關(guān)注。每一座大壩從建成之日起，其工程性態(tài)均隨時間和環(huán)境動態(tài)變化，如何實時掌控其安全性態(tài)，智能識別其安全風險以提高洪水、地震等特殊工況下的應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)流域梯級電站安全風險智能管控，是國家、行業(yè)及企業(yè)大壩安全管理的迫切需求與發(fā)展趨勢[1-2]。

大渡河作為國家十三大水電基地之一，地處青藏高原和四川盆地之間的過渡帶，有多個地震斷裂帶縱橫交錯，且處于四川汶川、蘆山地震震中區(qū)，區(qū)域地震烈度高，氣象水文因素多變，洪水峰高量大，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。同時，大渡河流域梯級電站群安全管控還面臨壩高、庫多、壩型多樣(混凝土重力壩、混凝土雙曲拱壩、心墻堆石壩、面板堆石壩等)等難題，其中在建312 m高的雙江口心墻壩高居世界第一，已投運的210 m高的大崗山拱壩為世界同類型抗震設(shè)防標準最高(地震加速度0.557 g)，運行時間跨越半個世紀的龔嘴老壩是現(xiàn)役大壩中的高齡壩。壩型的多樣加之多源信息感知能力低，對安全運行管理帶來新的挑戰(zhàn)。如何實時智能識別流域梯級大壩與邊坡安全風險以提高洪水、地震等特殊工況下的應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)流域梯級電站間聯(lián)動應(yīng)急響應(yīng)與智能風險管控是大渡河公司面臨的巨大挑戰(zhàn)。

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的先進生產(chǎn)力衍生出“互聯(lián)網(wǎng)+”的變革模式[3]，并深刻影響社會行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，“智慧城市”、“智慧大壩”等概念相繼推出[4-5]。在此背景下，大渡河公司于2014年探索并提出了建設(shè)具有智能應(yīng)對風險和持續(xù)優(yōu)化管控能力的智慧企業(yè)解決方案，實現(xiàn)企業(yè)風險識別自動化、決策管理智能化、糾偏升級自主化的柔性組織形態(tài)和新型管理模式。在智慧企業(yè)建設(shè)框架下，大渡河公司庫壩管理中心在大壩安全風險監(jiān)控方面開展了安全風險智能感知、安全風險實時評判與預(yù)警響應(yīng)、流域梯級電站信息化、流域梯級風險聯(lián)防聯(lián)控等多項課題研究，強化智能管控體系的“感知、傳輸、分析”技術(shù)能力建設(shè)，相繼攻克了高置信度外部變形實時智能獲取、水工建筑物水下缺陷精確量化、高危邊坡三維數(shù)字化動態(tài)分析等難題，提出了梯級電站群安全風險分層遞進式預(yù)警及地震等特殊工況聯(lián)動響應(yīng)機制與管控技術(shù)體系，研發(fā)了以多源信息交互融合、風險自主預(yù)判、預(yù)警響應(yīng)調(diào)控為典型特征的流域梯級庫壩群安全風險智能管控體系及管控平臺，大幅提升了大渡河震后地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)多發(fā)條件下的流域庫壩群安全智能感知、預(yù)警和管控能力，推動了傳統(tǒng)庫壩管理向以自動預(yù)判、自主決策、自我演進為典型特征的流域梯級庫壩安全風險智能管控轉(zhuǎn)變。

2 大渡河流域大壩安全智慧管理

2.1 構(gòu)建智能管控架構(gòu)體系及管控平臺

以大渡河公司智慧企業(yè)建設(shè)為基礎(chǔ)，依托大渡河公司云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)，利用信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)和手段，構(gòu)建流域梯級庫壩群安全風險智能管控架構(gòu)體系及管控平臺。進一步豐富大數(shù)據(jù)來源，以點線面、表觀與微觀、遠程與現(xiàn)場、水陸空相結(jié)合的方式，實時感知大壩安全風險。通過業(yè)務(wù)量化、統(tǒng)一平臺、集中集成、智能協(xié)同等途徑，采用大數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)構(gòu)安全分析、智能風險評估、風險決策與風險調(diào)控等方法，實現(xiàn)監(jiān)測信息智能感知、多源信息交互融合、安全風險實時評判與調(diào)控、安全風險預(yù)警與響應(yīng)決策等功能，提高了安全風險管控的科學性、可靠性和及時性。

2.2 實施途徑及方法

2.2.1 多維監(jiān)測打造數(shù)據(jù)“大感知”網(wǎng)絡(luò)

建立以INSAR、GIS、衛(wèi)星遙感及無人機搭載多類型傳感器等為基礎(chǔ)的覆蓋全流域的災(zāi)害普查監(jiān)控體系，及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點，從大面積、大尺度范圍內(nèi)對流域影響工程安全的災(zāi)害進行全面監(jiān)控。對于災(zāi)害普查發(fā)現(xiàn)的重點關(guān)注部位以及樞紐區(qū)大壩等建筑物，通過地表三維智能監(jiān)測技術(shù)、GNSS、PLC+傳感器智能測量、視頻監(jiān)控、微芯樁、微震、三維激光掃描、傾斜攝影等手段進行重點管控，形成從宏觀到局部、從大尺度到精細化多維度、多尺度安全監(jiān)測模式。在時間上，既有瞬間變化監(jiān)測，又有長時間序列趨勢變化監(jiān)測；在空間上，既有全流域災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，又有不同區(qū)域甚至微觀的局部監(jiān)測系統(tǒng)；維度上，既有單一地球物理屬性的災(zāi)害監(jiān)測，又有多種指標體系的災(zāi)害監(jiān)測，從而更加有利于掌握影響大壩安全的災(zāi)害以及大區(qū)域地質(zhì)環(huán)境演變過程及災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律。針對樞紐區(qū)大壩等重點建筑物，研發(fā)了地表三維位移智能監(jiān)測技術(shù)、PLC+的智能測控單元以及適應(yīng)大變形的真空激光測量技術(shù)等，將點面體、表觀與微觀、遠程與現(xiàn)場、水陸空相結(jié)合，構(gòu)建了“空天地、水上水下、內(nèi)外”一體化大壩及庫岸邊坡多時空分辨的立體化動態(tài)監(jiān)測體系(圖1)。同時，構(gòu)建以無人機搭載傾斜相機、三維激光掃描等為核心的災(zāi)后應(yīng)急技術(shù)支援。

圖1 “空天地、水上水下、內(nèi)外”一體化網(wǎng)絡(luò)體系

2.2.2 多網(wǎng)聯(lián)動提升信息“大傳輸”能力

全面構(gòu)建了由局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、移動網(wǎng)組成的四大數(shù)據(jù)傳輸通道，確保前端采集的數(shù)據(jù)資源與后臺反饋的信息指令及時傳輸交換。建立了萬兆骨干、千兆到桌面的局域網(wǎng)，有力支撐了安全管理中大量數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息的傳輸，為設(shè)備在線監(jiān)測、技術(shù)故障診斷以及專家遠程會診提供了技術(shù)保障。建立了與8M運營商專線、2.5G電力光纖專網(wǎng)相連接的廣域網(wǎng)，確保各電站數(shù)據(jù)與大渡河公司大數(shù)據(jù)后臺實時對接。同時，針對網(wǎng)絡(luò)安全管控導致的庫壩安全信息孤島化而無法集中管控的核心問題，在嚴格落實網(wǎng)絡(luò)安全管理要求基礎(chǔ)上，探索引進并創(chuàng)新應(yīng)用LoRa無線通訊傳輸技術(shù)、4G COMWAY 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、CDMA物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)、固定外網(wǎng)IP傳輸技術(shù)以及加裝網(wǎng)閘防護等多網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，解決了流域電站大壩及邊坡安全監(jiān)測、流域水庫大壩地震監(jiān)測以及微信和短信平臺信息發(fā)布等一系列庫壩安全信息集中管控問題，打通了流域各站庫壩安全監(jiān)測各自動化監(jiān)測子系統(tǒng)，實現(xiàn)了大渡河流域庫壩安全信息集成集中管理。

2.2.3 智慧運用提升數(shù)據(jù)“大分析”水平

依托大數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲與計算平臺，開發(fā)建立了大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，依托該平臺實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的集成集中、異常數(shù)據(jù)的智能識別、安全風險的實時評判與預(yù)警、安全風險響應(yīng)決策等。

2.2.3.1 業(yè)務(wù)集成集中管控

開發(fā)建立大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，系統(tǒng)以大壩安全監(jiān)測信息為主體，集成了大壩注冊(換證)、定期檢查、壩工維修加固、信息報送、水工技術(shù)監(jiān)督、水雨情信息、機組和泄洪孔洞閘門運行情況、應(yīng)急處置等庫壩安全綜合信息，以現(xiàn)場主要監(jiān)測項目自動化為基礎(chǔ)，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(水工水文監(jiān)測、滑坡體等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、地震監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等)的遠程自動采集、監(jiān)測信息的及時處理與實時分析評判、大壩安全風險的實時掌控與決策處置，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中、功能集成、管理高效及隱患辨析和事件智能響應(yīng)及輔助決策等功能，提高梯級電站大壩安全風險管控水平。

2.2.3.2 數(shù)據(jù)異常在線智能識別診斷

依托大渡河流域庫壩安全信息綜合管控平臺，構(gòu)建了隨數(shù)據(jù)序列的新陳代謝適時自動更新、自動修正、自動適應(yīng)的異常數(shù)據(jù)在線識別模型簇，自動匹配數(shù)據(jù)類型與識別模型，在保證計算效率的基礎(chǔ)上，把誤判率和漏判率降低到2%以內(nèi)。提出不同異變誘因在線分類辨識方法，集在線復測反饋、時空特性辨識、環(huán)境響應(yīng)形變分離于一體，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)異變、監(jiān)測儀器故障、環(huán)境變化響應(yīng)等不同異變誘因的智能分類辨識，以及遠程智能復測消減偶然誤差誘發(fā)的異常突變；構(gòu)建斷面、壩段、整體等多維度高精度時空模型，考慮空間同步性和區(qū)域一致性辨識監(jiān)測設(shè)施故障誘發(fā)的突變；建立環(huán)境量與效應(yīng)量響應(yīng)的藕聯(lián)關(guān)系，自動識別環(huán)境量突變及滯后影響，分離環(huán)境量變化響應(yīng)值，辨識環(huán)境量變化誘發(fā)的突變。

2.2.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)-結(jié)構(gòu)故障耦聯(lián)機制與風險動態(tài)評估

提出了大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)-結(jié)構(gòu)故障動態(tài)耦聯(lián)機制，構(gòu)建了“主、次、驗”三層次的大壩安全實時監(jiān)控關(guān)鍵指標體系，并考慮監(jiān)測儀器對結(jié)構(gòu)故障的反映度和模糊度，以及工程差異性、風險動態(tài)變化規(guī)律等，建立了變形、滲流、應(yīng)力3大類15項準則和預(yù)警標準，實現(xiàn)了以故障鏈為推理途徑的大壩安全實時評判和分類分層預(yù)警。構(gòu)建了信息驅(qū)動參數(shù)辨識的大壩安全風險動態(tài)評估模型。提出了基于異常狀態(tài)持續(xù)時間的大壩安全風險評估原理，以及融合主客觀信息進行風險模型參數(shù)動態(tài)辨識的理論方法，基于大壩故障出現(xiàn)時間的指數(shù)概率分布，以及主客觀信息驅(qū)動的參數(shù)動態(tài)辨識更新，構(gòu)建了信息驅(qū)動參數(shù)辨識的大壩安全風險動態(tài)評估模型，實現(xiàn)了大壩故障的時變概率估計和基于概率的大壩故障出現(xiàn)時間預(yù)測。

2.2.3.4 安全風險實時評判與預(yù)警

包括安全風險實時評判和綜合評估。安全風險實時評判采用新源信息自動觸發(fā)，側(cè)重管控關(guān)鍵部位安全性態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)時序和空間變化趨勢，實時掌控結(jié)構(gòu)異變，及時核實和處理安全隱患，避免結(jié)構(gòu)的進一步惡化，包括監(jiān)測儀器運行管控、監(jiān)測時序變化趨勢管控、監(jiān)測空間變化趨勢管控和關(guān)鍵部位實時安全管控四大功能。關(guān)鍵部位安全性態(tài)推理結(jié)合工程特性，綜合安全監(jiān)測資料、設(shè)計、研究成果、相關(guān)規(guī)程規(guī)范、力學準則及類似工程經(jīng)驗建立關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)安全模型，并集成實測數(shù)據(jù)分析其實時安全；數(shù)據(jù)時序變化趨勢推理采用數(shù)學模型分離各環(huán)境變量，提取時效趨勢，并進行趨勢評判；空間變化趨勢則根據(jù)空間部位提取變化特征，并判斷空間分布特性是否存在異常變動。定期綜合評價大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀況，實現(xiàn)安全風險超前預(yù)警。包括自我推理、人工決策、安全演進三大核心智能系統(tǒng)和數(shù)據(jù)向量、方法、知識、解釋四個支撐庫。模塊觸發(fā)條件包括環(huán)境量大幅變化(如超標洪水、破壞性地震)、設(shè)定監(jiān)控時間、人工啟動三類，模型觸發(fā)后，三大智能推理系統(tǒng)驅(qū)動四個支撐庫，運用方法庫中的5類方法逐層計算指標隸屬度，采用基于信息熵的動態(tài)安全評價方法綜合評價大壩安全性態(tài)，給出大壩安全綜合評定建議等級，并分析原因，為決策和應(yīng)急方案制定提供技術(shù)支持。

3 結(jié) 語

在當前國家加快布局新一代人工智能發(fā)展的新形勢下，智能化的安全風險管控是當前大壩安全風險管控的發(fā)展趨勢[6-7]。近年來，大渡河公司圍繞大渡河流域庫壩安全管控及地質(zhì)災(zāi)害防治的重大需求，瞄準大壩安全風險風險識別、異常辨識、監(jiān)測預(yù)警三大關(guān)鍵問題和難點，基于“大感知、大傳輸、大存儲、大計算、大分析”的智慧化運行管控理念，構(gòu)建了“空天地”、水上水下、內(nèi)外結(jié)合的庫壩安全長時間動態(tài)立體觀測體系，研制了系列新型智能化監(jiān)測設(shè)備和終端，提升了多源數(shù)據(jù)在時間、空間、精度上的協(xié)同處理能力和隱患技術(shù)識別能力。提出了三段進階式形變異常在線識別與預(yù)警、多目標智能驅(qū)動測控及風險管控技術(shù)，研發(fā)了大壩及邊坡安全風險智能管控平臺，突破了大壩安全智能管控的難題。