航电枢纽大坝智慧监测初探

闫小平

（四川江源工程咨询有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

大坝安全监测是大坝运行管理的耳目，是监测大坝运行性态、提前预判大坝安全风险的基本手段。由于大坝安全监测测点数量多、种类繁杂，目前仍采用人工测读的方式进行数据采集，难以保证数据的可靠、实时和一致性，达不到安全实时监控的目的。在物联网、云计算、大数据等现代信息技术手段蓬勃发展的背景下，水电站大坝安全管理，正在从传统模式向数字化、智慧化过渡。大坝安全智慧监测，是国家、行业及企业大坝安全管理的迫切需求与发展趋势[1]。本文结合岷江犍为航电枢纽大坝安全智慧监测规划，初探其主要功能和应用价值。

1 航电枢纽大坝安全监测概述

大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对水利水电工程主体结构、地基基础、两岸边坡、相关设施以及周围环境所作的测量及观察。“监测”既包括对建筑物固定测点按一定频次进行的仪器观测，也包括对建筑物外表及内部大范围对象的定期或不定期的直观检查和仪器探查。不同类型、规模的大坝，根据安全监测重要程度，有着各自适用的监测内容。以犍为航电枢纽大坝为例，工程监测范围主要包括重力坝、鱼道、发电厂房、储门槽坝段、泄水闸、船闸等。主要的监测内容如下：

（1）巡视检查：坝体、坝基、坝肩及近坝库岸。

（2）变形监测：包括坝体位移，坝基位移、船闸位移监测。

（3）渗流监测：包括扬压力或坝基渗透压力、渗漏量、绕坝渗流、船闸翼墙后的绕流、闸底板渗流和混凝土结构内部的渗流等监测。

（4）应力应变及温度：坝体应力、应变、混凝土温度、坝基温度等监测；船闸墙后土压力、混凝土应力和钢筋应力等监测；船闸地基和回填土（包括墙后回填土）深层应力监测。

（5）应力监测：闸室墙和底板、闸首边墩和底板等大体积混凝土结构的应力应变监测。

（6）环境量：上、下游水位，气温，降水量等环境量监测。

（7）其他监测：强震监测及自动化监测。

2 航电监测现状及智慧航电建设优势

2.1 监测自动化程度不足，实时监控难度大

大坝安全监测测点数量多、种类繁杂，目前绝大多数电站仍采用人工测读的方式进行监测数据的采集，使得监测精度和频次很受限制，难以保证数据的可靠、实时和一致性。不但后期运行管理工作量极大，达不到安全实时监控的目的，同时也不能达到大坝安全管理相关法律法规的要求。

2.2 数据分析依靠人工经验，质量难以保证

目前，各工程监测数据分析主要依靠人工的参与，导致一线业务人员工作量大，且分析评价质量严重依赖个人经验，智能化程度较弱，误判率较高。为保证数据处理分析的质量，有必要利用大数据、机器学习等技术手段，实现自动识别错误数据、智能提醒并智能提供修改方案。

2.3 运行管控多、业务协同困难

虽然目前各工程己建成了各类系统，但系统间无法有效协同、联动和反馈，无法有效整合、共享数据资源，导致了极大的浪费和重复建设，又导致了各业务应用系统数据不全面的问题，无法达到综合分析的目的。例如当发生超限洪峰过境、高烈度地震等紧急事件，无法触发大坝安全监测系统加密观测。现行状态均依赖于一线业务人员人为通知、协作，极大影响了应急响应的实时性，无法发挥多专业协同联动的优势。

2.4 安全管控成本高、效率低

目前，多数电站工程安全业务管控整个流程均由人工完成，人工采集和处理数据、人工输出报表，全流程无法自行流转联动，需要人工参与，增加人工管理成本且效率不足。有必要研究一套自动化流程，每日可定时采集数据，并自动触发数据整理、数据分析功能，同时依据管理制度，自动生成周报、月报和年报，并自动上报相关数据，以提升管理效率。

3 航电枢纽大坝智慧监测建设目标和原则

3.1 总体建设目标

基于航电工程已建立的安全监测体系，进行内、外观测自动化改造，智能汇集大坝安全监控各项数据，抽取、清洗、管理及应用各类安全运行数据，结合航电工程航运调度、安全监测、巡视检查、运行维护等业务及管理要求，打造航电工程安全智能监控系统，最终实现工程安全监控数据汇集智能化、业务综合管理高效化、管控预警智慧化，打造建设航电工程安全智能监控的示范、标杆工程。

3.2 建设原则

3.2.1 问题导向原则

系统建设以满足智能化管控工作和相关业务的实际需求为导向，以解决安全智能监控要求为依据，以切实解决工程运行的业务痛点为检验标准，旨在提升工程安全监控的自动化、智能化水平。

3.2.2 统筹规划原则

安全智能监控系统的建设需统筹规划，整合己有硬件设施、业务系统和信息资源，本着互联互通、信息共享的原则，统筹全局，保证系统建设“一盘棋”，使有限的资源发挥最大价值，避免重复建设和数据孤岛。

3.2.3 安全可靠原则

大坝监测数据涉及大坝安全，系统的设计应满足国家及行业对信息安全的要求，确保系统运行安全。既考虑信息资源的充分共享，也考虑对信息的保护；对系统各个层次访问进行控制，设置严格的操作权限。同时使用可靠的技术体系，建立完善的项目建设管理体系，保证系统建设可靠、稳定。

3.2.4 适当超前原则

安全智能监控系统建设应采用成熟技术且要保持适度领先，避免建成即被淘汰的局面，并正确处理发展与安全的关系，综合平衡成本和效益。

4 智慧监测系统建设

4.1 业务架构

安全智能监控系统总体架构分为数据采集、数据汇集与分析、应用服务三个层次，最终达到数据的自动或智能化采集、基于大数据平台的统一管理、基于多模型和方法的分析评估、基于可视化技术的成果展现与交互，为安全与运维管理提供决策支持。安全智能监控系统业务流程见图1。

图1 业务流程框架

4.2 系统架构

安全智能监控系统分为基础设施层（数据采集）、数据层、应用支撑层和应用层。以犍为航电枢纽大坝为例的系统架构见图2。

图2 系统架构

4.3 智慧监测管理平台建设

4.3.1 Web 管理网站

（1）功能一：首页综合展示。主要包括大坝主要业务信息展示，如在线监测、安全监控、巡视检查和隐患管理等。

（2）功能二：在线监测。主要包括数据录入、数据计算、数据审核、数据查询、数据统计、离线分析、基本设置等功能。

（3）功能三：在线监控。主要包括设置监控方案，根据监控方案实时融合分析，实时评判大坝安全，并对评判结果进行相应的可视化展示。

（4）功能四：巡检管理。主要功能包括：建立数字化巡检方案、制定巡检计划和任务、通过手机APP 开展引导式检查、巡检报告自动生成、巡检结果审核与发布、缺陷查询与跟踪。

（5）功能五：缺陷管理。主要功能包括：缺陷填报和缺陷处理流程追踪。

（6）功能六：资料整编。根据资料整编规范中规定的格式，以及用户自定义格式的各类数据报表、分布图等图表的生成、组合、输出、打印等功能，以完成规范规定的定期的监测资料整编工作。

（7）功能七：信息共享。发布信息、查询信息与收藏信息功能。

（8）功能八：系统管理。通过软件进行用户管理、数据库和文件备份、软件升级、重启系统、服务管理等功能，以保证系统正常运行和系统安全。

4.3.2 手机APP 软件

设计手机APP 软件，现场巡检人员可通过巡视检查APP 实现数字化巡检。

（1）巡检任务接收与创建。支持接收Web 建立的巡检任务，支持在巡检APP 中随时创建检查任务功能。

（2）数字巡检。按照巡视检查方案的检查内容和要求，利用NFC 技术，通过手机APP 引导式开展现场检查，可记录检查文字、图片、视频。

（3）信息查询。可查看所有检查任务及记录、缺陷详情。

（4）巡检工作统计。自动统计巡检步数和时长，以量化巡检工作量。

（5）数据上传。支持巡检数据在有网环境下自动同步到后台的功能；如无网络覆盖，可采用离线巡检，联网后通过手动同步数据到后台。

4.3.3 自动化数据集成软件

实现对本电站安全监测自动化系统、水情测报系统等已有系统的数据自动快速接入功能，同时亦可对数据的导入进行人工干预。

4.3.4 信息报送软件

实现电站大坝安全监测信息、汛情信息、巡检信息向国家大坝安全监测主管部门自动报送的功能。

4.3.5 其他功能

Web 网站应使用Java 语言，并采用微服务架构进行开发。网站应具备文档预览功能，支持大体积文件分步加载、快速浏览。应具备任务提醒、消息通知等功能。系统应建立细致完备的日志系统，对用户在系统中进行的所有动作进行记录，用户日志应可进行快速查询。

手机APP 应支持主流智能手机。APP 应可适应于无网应用环境，支持在无网环境下的正常使用，并在切换至有网环境时自动上传相关存储记录。

5 结束语

在当前国家加快布局新一代人工智能发展的新形势下，智能化的安全风险管控，是大坝安全管控的发展趋势[2-3]。国内巨型电站，如三峡、白鹤滩、乌东德、小湾、糯扎渡等均已开始建设智慧电站，通过智慧监测系统的建设，能够充分保障大坝的运行安全，提高监测工作效率和可靠性，从而实现大坝安全监测管理的自动化、数字化、智能化和高效化。大坝安全智慧监测，应从流域角度整体谋划，既要实现流域内更大的降本增效的目的，满足大坝安全工作的需要，也要满足内部监督管理的需要。随着物联网、数据挖掘、人工智能、大数据、计算机视觉及云计算等先进科学技术的日益成熟,并在大坝建设中广泛应用，我国全面实现大坝智慧建设已成必然趋势[4]。