基于“智能化”理念的大坝安全在线监控系统设计

谢怀宇 林育任

摘要：水电能源对实现我国“双碳”目标有重要意义，为切实保障水电站安全，本文基于“智能化”理念，设计了一种大坝安全在线监控系统，通过耦合物联网、大数据等现代先进信息化，切实提升对大坝安全的管理能力。

关键词：大坝安全监测;智能系统;移动互联网

引言

身为电力领域的重点清洁能源，水电能源可作为构建新型电力系统的重要调节性资源，对实现“双碳”目标有着极大意义。然而，水电工程在发挥巨大工程效益的同时，也存在一定的安全风险。当前，为有效预防水电工程病变，一种有效的手段就是对水工建筑物进行高精度的安全监测，其通过对电站各水工结构进行检测，可准确诊断出电站的工作状态，工作人员可以在第一时间被告知安全风险，支撑大坝安全稳定地运行[1，2]。

而随着大坝安全监测技术水平的发展和大数据、人工智能等新技术的广泛应用，传统大坝安全监测方式已难以满足电站监测的新要求，例如：原安全监测系统无法对采集的数据进行合理的推断评判;对数据的连续变化产生的原因不能自主做出准确的判断和隐患排查;存在监测数据较多、较大异常时不会触发相应的应急处置方案;系统与人员交互手段不足;监测数据、技术资料存在多头管理，不便维护等。

为改变传统大坝安全监测模式的机械性及滞后性，进一步加强人员对大坝安全的智能化管理水平。本文基于“智能化”理念，构建设计了一套大坝安全在线监控系统，通过对大坝安全日常监测数据和业务管理数据的集成集中管理，结合数学模型、人工智能、手机APP等相关技术及相应行业规范和专家经验以实现实时评判和在线监控大坝安全，实现对大坝“智能评判、隐患辨析、应急触发、决策支持”的智慧化管理。

1  系统框架设计

为提升大坝监测智能化、数字化管理水平，本文通过对大坝安全日常监测数据和业务管理数据的集成集中管理，结合数学模型、人工智能、手机APP等相关技术及相应行业规范和专家经验，构建涉及了一套大坝安全在线监控系统框架，提供大坝安全各项业务的信息化流程和高效、智能业务支撑。图1展示了该系统的框架设计图，由功能层、对象层、数据层、传输层组成。

在功能层中，系统主要为用户提供监测管理、在线监控、巡视检查管理、缺陷隐患管理、综合整编、信息共享等功能服务，切实运用信息化技术，提升用户的安全管理水平。

在对象层中，系统主要面向拦河坝主体结构、大坝两岸边坡、船闸、升船机和其他水工建筑物等对象的安全管理进行研制开发，通过针对不同的建筑物类型设置对应的系统逻辑，使得系统在运用过程中更具实用性。

在数据层中，系统通过深度融合大坝安全监测中环境量、变形量、渗漏量、应力应变等多方位数据，能更加准确的掌握大坝结构服役形态，提升系统鲁棒性。

在传输层中，系统通过通用数据转换处理模块，实现与PC、平板等智能终端以及现场仪器间的互联互通，可通过“一张网”的形式，实现各个设备间的互联互通。

2  系统特色技术

（1）优化集成现代测控、机器学习、数值模拟等专业前沿科技，搭建大坝安全在线监控系统，实现数据分析、可视化呈现、信息发布等功能，依托智能技术，有效增强人员对电站运行情况的管控能力。

（2）高度融合水情、渗流、变形等多源监测信息，实现各业务应用的协同和联动，切实用“一网页”耦合大坝安全各项业务工作，克服数据割据和信息孤岛问题。

（3）打破人机交互壁垒，通过软件技术集成计算机、PDA、智能手机等多智能终端，切实满足作业人员通过多渠道进行人机交互的需求，摆脱时间、空间对业务工作的束缚，方便随时随地决策指挥，打造高效便捷的智能管理模式。

（4）针对大型水利工程的运行特点，集成相关行业规范、专家经验与现代数据挖掘技术，建立大坝安全评判规则库和推理系统，建立主客观相结合的大坝安全状况综合评判体系。

（5）基于人工智能技术，可以使得数据的输入采集、计算处理、归纳整合等过程自动完成，用专业软件代替人工接管机械性工作，大幅度提升监测工作管理效率。

3  系统主要功能

3.1  监测管理模块

该模块具有监测数据的输入、检查与审核以及数据的查询与统计、分析等应用功能，能够支持人工管理监测项目，以监控部位和监控对象作为划分单元，可自由增添或删减监测项目，并可对监测项目的测量频次、报警阈值等参数进行修改以满足大坝监测现行使用需求。

3.2  在线监控模块

鉴于大坝安全评价具有不确定性和复杂性的特点，因此该模块采取多源信息融合方法对大坝各处监测状况给予符合其特性的评价。该模块选取大坝各方位监测信息、重要测点数据及指标准则组合为分析资料，采用机器学习方法对大坝历史数据进行深度分析，挖掘各影响因子对坝体结构的作用机理，并根据规则推理法模拟专家决策过程，形成相应的评判规则库和推理系统对大坝安全性态进行定性评价

3.3  巡视检查管理模块

该模块支持的应用包括日常巡检、汛期前后检查、年度详查等。系统配置了专门的手机APP，提供运行单位现场检查录入信息该模式下，工程师可在巡检过程中通过移动办公的方式时刻向后方人员报送巡检情况，并可通过智能应用随时查询巡检关注测点的详细资料（视频、照片等）和测量数据，现场比对判断监测目标的运行状况，以确保巡检成果的有效性和完整性。

3.4  缺陷隐患管理模块

该模块主要包括缺陷或隐患信息的填报、审核、处理、验收一系列过程。可支持业务模块发现的问题自动导入和人工录入缺陷，对缺陷隐患等问题进行分类分级。当测点数据达到其评判标准中的缺陷标准时，系统将以短信和手机APP的形式向用户发出警报提醒，以达到及时消除隐患的目的，进而实现隐患缺陷从发现、填报、审核、消除到验收的全过程流程和管控。

3.5  综合整编功能模块

该模块可以用数字化手段，自动生成相应图表，并根据个性化制作需求，提供自定义报表制作功能，代替人工整编的工作，实现校核、审查、核定的信息化流程，为大坝安全监测管理工作提供有力辅助支撑，显著提高监测整编的规范化、标准化水平，并极大减少人力成本。

3.6  信息共享模块

为解决传统监测管理工作中资料分散、多头管理等问题，该模块开发了信息共享功能，可支持大坝安全相关的各种规程规范、技术资料分类、上传、审核、下载操作，并可对文件的标题、类别、来源、栏目、编号等信息进行定义，以便于技术人员的集中统一管理和信息查询共享，极大便利技术人员的日常管理工作。

4  结语

对于水利实体工程的安全运行而言，大坝安全监测是至关重要的，本文基于“智能化”理念，通过运用人工智能、云计算、“互联网+”等技术，加之行业规范和专家经验，构建设计了智能化的大壩安全在线监控系统框架，切实依托数字化手段强化工作人员在大坝安全过程中如巡视检查、防汛管理、综合整编等各业务工作的管理水平，为大坝安全管理工作人员提供新的工作思路。

参考文献：

[1]赵新华，李慧滢，何宇，查益华，范振东，傅春江.新安江水电站大坝安全监测系统探讨和监测效果分析[J].水利科学与寒区工程，2021，4（06）：61-63.

[2]张晓松，冯永祥，李小伟.雅砻江流域大坝安全信息化建设与应用[J].四川水力发电，2014，33（02）：158-161.