工程安全综合评价模型研究及数字孪生应用

牛广利 胡雨新 胡蕾 李天旸 方豪文

摘要：工程安全综合评价是实现工程安全“四预”的核心和关键，然而传统方法存在着难以全面、可靠、实时获取工程安全状态的问题。结合数字孪生水利工程建设，开展工程安全综合评价模型研究工作，提出了工程安全综合评价的总体技术路线，通过构建工程安全综合评价体系，制定了测点评判规则和逐级评判规则，通过融合安全监测数据、结构计算成果和巡视检查信息，综合判别工程安全运行性态；同时基于数字孪生平台框架，集成开发了工程安全综合评价功能模块。目前，研究成果已在数字孪生丹江口工程中实现了初步应用，模型评价结果合理，功能集成方案可行，可为同类数字孪生水利工程建设提供参考。

关键词：工程安全； 综合评价模型； 数字孪生； 丹江口水利枢纽

中图法分类号： TV39；TP319

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.031

0引 言

水利工程是国家重要的基础设施，中国是世界上水库大坝数量最多的国家，工程安全事关国计民生和公共安全，具有重要的战略意义［1］。《“十四五”智慧水利建设规划》中提出“推进传统水利工程向新型水利基础设施转型，加快已建水利工程智能化改造，推进数字孪生水利工程建设，为水利工程安全高效运行提供有力保障”［2］。《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》（以下简称“导则”）中要求：数字孪生水利工程应以工程安全为核心目标，保证数字孪生体与物理体条件及其响应的同步和一致性，突出数字孪生体前瞻性预演作用；构建安全性态预测、安全风险预警、安全状态预演、安全处置预案“四预”功能，实现工程安全智能分析预警，守住工程安全底线［3］。

目前，基于监测资料建立的单测点监控模型［4］或拟定的监控指标［5］，仅能体现特定部位或部分监测项目的安全性态及变化规律，难以反映工程整体安全性态；而依据规程规范开展的安全评价和安全鉴定工作［6］，又由于流程复杂、涉及面广，往往历时较长，难以发挥实时评价预警的作用。因此，如何综合评价工程安全状态，并与数字孪生应用实现有效集成，是实现工程安全“四预”亟需解决的关键技术问题。

本文结合数字孪生水利工程建设及工程安全运行需要，开展工程安全综合评价模型研究，以求全面、可靠、实时地掌握工程安全状态，为工程安全风险预警和安全状态预演业务提供“算法”支撑，为工程调度运行提供决策支持。

1总体技术路线

数字孪生水利工程主要由信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系和保障体系构成［7］；其中，工程安全智能分析预警应用作为数字孪生水利工程建设中的核心业务应用之一，可有效提升工程安全运行保障水平与突发事件应急处置能力［8］。

基于数字孪生总体框架，针对工程结构特点、安全隐患与薄弱环节，开展工程安全综合评价模型研究，构建工程安全综合评价体系，制定测点级评判规则和逐级融合评判规则；基于安全监测数据，融合结构仿真计算、巡视检查等多源多维度信息，在工程安全智能分析预警业务应用中实现工程安全运行状态的综合评价，支撑工程安全风险预警和安全状态预演业务实现。

构建的工程安全综合评价模型其总体技术路线如图1所示。

（1） 收集工程资料。

收集工程设计、施工以及运行相关资料，尤其是安全监测布置、历史监测数据、整编分析报告、专题研究报告等各类资料，并纳入数字孪生知识库进行统一管理。

（2） 分析监控重点。

针对工程结构特点，分析重点部位和薄弱环节，确保能够全面反映大坝安全运行性态。

（3） 构建评价体系。

构建由监控对象、监控部位、监控项目和监控测点组成的工程安全综合评价体系，体系覆盖工程安全性态的重要监控内容和重点关注问题。

（4） 制定测点评判规则。

针对具体监控测点，建立测点级评判规则，将测点实测数据与预设的测点监控指标进行对比，判别实测数据是否有效、是否超限、是否存在趋势性变化，从而确定测点级安全性态。

（5） 制定逐级评判规则。

根据工程安全综合评价体系结构，建立监控测点→监控项目→监控部位→监控对象的逐级评判规则，为综合评判提供依据。

（6） 综合评价计算。

基于工程安全综合评价体系、测点评判规则、逐级评判规则，融合监测数据、仿真结果和巡检结果，实现综合评价计算，最终得到工程安全运行性态。

本文所构建的工程安全综合评价模型，其主要目的是得到基于实际监测数据所反映的大坝安全运行性态，便于运行管理人员及时发现监测异常现象，并及时针对性地开展专项分析和现场核查，必要时可启动会商研判机制，确定进一步处置措施。

2评价体系建立

工程安全评价体系作为综合评价模型的基础，应根据工程结构特点、监测项目布置以及实际运行情况分析确定，充分体现安全监测仪器设施作为工程安全的“耳目”作用［9］，并覆盖重点监控内容，反映重点关注的工程安全问题。

工程安全评价体系一般可划分为工程安全状态层、监控對象层、监控部位层、监控项目层和监控测点层共计5个层级。其中，最顶层为最终得到的工程安全状态，最底层为具体的监测仪器设施，上下层之间具有关联隶属关系，形成一个多层递阶的体系结构。

通用化工程安全综合评价体系见表1，具体工程可参照并经针对性修改后确定。

3评判规则制定

评判规则是工程安全综合评价模型的核心，包括测点评判规则和逐级评判规则。通过确定评判规则，实现监控测点→监控项目→监控部位→监控对象逐级安全状态的定量化度量，得到工程安全运行性态结果。

3.1测点评判规则

监控测点层作为工程安全评价体系的最底层，具体测点的评判结果是综合评价模型的基础数据。通过制定明确的测点评判规则，拟定测点安全监控指标［10］，判别测点实测值是否有效、是否超限、是否存在趋势性变化，从而确定测点级安全性态。

测点评判规则主要包括固定限值评判规则、特征值评判规则和监控模型评判规则。

（1） 固定限值评判规则。固定限值监控指标一般根据规范标准、设计成果、仪器量程范围等进行确定，也可以通过典型小概率法、结构仿真等方法计算得出；固定限值包括测值上限、测值下限或测值区间，可针对测值的绝对值、变化量、变化速率分别设置固定限值。

（2） 特征值评判规则。将测点监测物理量的统计特征值、特定工况测值作为特征值监控指标，如历史最大值、近3 a最大值、历史最高水位工况下的实测值等。

（3） 监控模型评判规则。针对测点监测物理量建立数理统计模型，定量分析测值的历史变化规律，解析其水压分量、温度分量和时效分量组成，并采用置信区间法确定监控指标。

根据测点监测物理量偏离安全监控指标的绝对值或者百分比，定量评估测值的异常程度，可将测点级安全状态划分为正常、轻微异常、一般异常和严重异常4个等级，具体定量评价规则可根据实际工程情况进行调整。

3.2逐级评判规则

在测点评判的基础上，制定逐级评判规则，实现监控测点→监控项目→监控部位→监控对象的逐级融合评判，以及逐级安全状态的定量化度量，最终得到工程安全运行性态结果。

逐级评判具体可采用加权评分、综合推理等评判规则。

（1） 加权评分评判规则。可采用主观赋权法或客观赋权法［11］确定监控体系中各个监控对象、监控部位、监控项目和监控测点的权重；根据各监控测点的安全评判结果，计算监控测点层评分；根据各层监控体系权重，逐级向上计算各个评价指标的加权评分，最终得到工程安全状态的综合评分，从而确定工程安全状态等级。

（2） 综合推理评判规则。通过与、非、或3种逻辑运算符号，建立综合评价体系中各个层级之间的评判规则表达式，采用规则推理的方法［12］，利用下一层的安全状态推理得到上一层的安全状态，并将巡视检查信息、结构安全计算结果纳入评价体系，实现多源信息融合的综合推理评判。

另外，还可引入云模型、D-S证据理论等方法，充分考虑综合安全评价的不确定性，通过计算工程安全状态的概率分布，克服安全状态等级之间的模糊性和随机性问题，从而降低综合安全评判的主观性影响［13-14］。

4数字孪生应用实现

基于工程安全综合评价模型算法逻辑和评价流程，遵循数字孪生水利工程总体技术框架，利用数据底板、模型平台、知识平台等数字孪生引擎，集成可视化模型和相关技术体系，在工程安全智能分析预警业务应用中开发综合评价模块，为工程安全风险预警和安全状态预演提供基础支撑。

（1） 数据底板集成。数据底板汇聚了地理空间数据、基础数据、监测数据、业务数据以及外部共享数据，并实现了水情自动测报系统、安全监测系统、巡视检查系统等采集数据的统一管理。工程安全综合评价模块通过接口调用的方式，从数据底板中获取安全监测数据、环境量数据、巡视检查信息等数据资源，为工程安全综合评价模型运行提供“算据”基础。

（2） 模型平台集成。模型平台实现了水利专业模型的统一管理、发布、配置和运行；工程安全综合评价模型通过标准化接口注册至模型平台，明确模型输入参数与输出结果格式，并与工程安全分析预测模型、监控预警模型、结构计算模型实现关联与调用，为工程安全综合评价模块提供“算法”支撑。

（3） 知识平台集成。知识库包括预报调度方案库、工程安全知识庫和业务规则库等内容，并通过知识引擎实现知识的抽取、存储、表达及应用［15］；将测点评判规则、逐级评判规则、结构计算成果等多源异构工程安全知识统一纳入知识平台进行管理，并利用知识图谱实现多层级工程安全综合评价体系的关系表达；在工程安全综合评价计算时，通过接口调用的方式，从知识平台中动态获取模型所需的知识信息，为工程安全综合评价模型运行提供“知识”资源。

（4） 业务应用开发。工程安全综合评价模块基于通用化设计和模块化开发理念，遵循数字孪生水利工程技术开发体系，综合运用B/S开发模式、微服务架构、轻量化BIM以及GIS平台等主流开发框架，引入游戏引擎等可视化渲染技术，结合数字孪生三维场景，动态呈现工程安全综合评价计算结果，实现基于数据驱动的工程安全运行性态高保真展示、模拟仿真与交互操作［16］。

5工程应用

5.1丹江口工程概况

丹江口水利枢纽位于汉江与丹江汇合口下游800 m处，是汉江开发治理的关键性工程，具有防洪、供水、发电、航运、生态等综合利用效益。为充分发挥丹江口水利枢纽的综合效益，在南水北调中线水源工程建设过程中，对初期混凝土坝培厚加高，大坝坝顶高程由162.00 m抬升至176.60 m，加高后水库总库容增加至319.5亿m3，并于2021年10月首次蓄水至正常蓄水位170.00 m。

丹江口水利枢纽混凝土坝划分为58个坝段，由右岸联接段、深孔坝段、溢流坝段、厂房坝段及左岸联接段等部分组成；其中，右1号坝段、7号坝段、10号坝段、17号坝段、21号坝段、31号坝段及34号坝段等7个坝段为重点监控坝段。

5.2数字孪生建设概况

数字孪生丹江口工程被列为“十四五”期间首批重点水利工程数字孪生先行先试建设项目之一，也是数字孪生长江试点建设任务［17］。数字孪生丹江口工程以大坝安全、供水安全、水质安全、库区安全为需求导向，通过构建智慧水源管理体系，保障工程综合效益的持续发挥。

在数字孪生丹江口工程建设过程中，充分利用已有安全监测感知体系［18］，实时获取变形、渗流、应力应变等安全监测数据，为工程安全“四预”应用提供“算据”支撑。

5.3综合评价模型应用

为有效支撑丹江口大坝安全风险预警和安全状态预演功能实现，针对丹江口大坝加高工程结构特点以及工程安全薄弱环节，重点从强度、抗滑稳定性以及新老混凝土结合面稳定性3个方面建立了工程安全综合评价体系，确定了关联监控测点，制定了测点评判规则和逐级评判规则，开发了综合评价功能模块，初步实现了丹江口工程安全运行性态的综合评价。

具体以21号坝段为例，该坝段为溢流坝段，坝段长24 m，坝顶高程176.6 m，坝段设置两个8.5 m宽的溢流表孔。在21号坝段中布置了水平位移测点、精密水准点、测缝计、渗压计、应变计、钢筋计、温度计等监测仪器设施，所建立的综合安全评价体系如图3所示，所制定的逐级评判规则如表4所列。

工程安全综合评价功能模块界面如图4所示，已无缝集成至数字孪生丹江口工程应用平台，具体实现了综合评价模型的体系构建、规则设置、計算调用及成果展示等功能，可融合监测数据、巡检成果和结构计算成果，通过综合推理的方式，实现丹江口大坝安全运行性态的综合评价，并且模型评价结果与实际工程安全会商结论一致，验证了综合评价模型的可靠性，支撑了工程安全“四预”应用实现，为大坝运行管理提供了决策支持。

6结 语

本文结合数字孪生水利工程建设，围绕工程安全综合评价模型开展研究工作，提出了工程安全综合评价体系建立及评判规则制定方案，开展了工程安全综合评价功能模块开发，并在数字孪生丹江口工程中初步实现了集成应用。

下一阶段，将进一步结合工程安全结构仿真计算模型，充分考虑不利工况组合和极端荷载条件，预演工程安全性态的变化过程，持续为工程运行安全保驾护航。

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（编辑：胡旭东）