小湾水电站工程安全分析与决策支持系统研究与构建

2017-05-16赵志勇毛莺池

水力发电 2017年3期

易魁,陈豪,2,赵志勇,毛莺池

(1.华能澜沧江水电股份有限公司,云南昆明650214；2.河海大学水利水电学院,江苏南京210098；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明650001；4.河海大学计算机与信息学院,江苏南京211100)

易魁1,陈豪1,2,赵志勇2,3,毛莺池4

小湾水电站安全监测自动化系统实现了数据自动化采集与存储,为电站建设运行提供了长序列监测数据。针对监测系统在运行中出现的问题,对工程安全分析与决策支持系统进行了优化。介绍了小湾水电站工程安全分析与决策支持系统的研发背景、关键技术、系统架构和功能实现,为类似水电工程提升水工建筑物运行期安全评判和异常工况预警能力提供了参考和示范。

工程安全监测；安全分析；数据处理；小湾水电站

0 引言

由华能澜沧水电股份有限公司承担的国家“十二五”科技支撑计划课题“澜沧江流域水电开发安全与高效利用系统集成与示范”于2013年启动,课题下设“澜沧江流域工程安全分析与决策支持系统”研究专题。该专题研究以澜沧江上的小湾水电站为试点,开展工程安全监测系统关键技术研究,以期解决梯级水电站运行阶段安全监测数据共享性差、实时处理困难等问题,全面提升以大坝为主的水工建筑物监测数据分析、水电站工程安全评判和异常工况预警能力。

1 工程安全监测现状及需求分析

1.1 工程概况及监测现状

小湾水电站系澜沧江中下规划8个梯级中的第2级,以发电为主兼有防洪等综合效益,装机容量4 200 MW。工程属一等大(I)型工程,主要水工建筑物由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞和右岸地下引水发电系统组成,其中双曲拱坝最大坝高294.5 m,为世界首座300 m级高拱坝。水库总库容150亿m3,具有多年调节能力,2012年10月首次蓄至正常蓄水位。

小湾水电站实施了全国规模最大的工程安全监测项目,安装埋设仪器10 761支。监测范围涵盖大坝及坝肩抗力体、引水发电系统、泄洪设施、枢纽区工程边坡、导流及挡水等各类施工临建设施、水库地震和库区失稳体,监测项目包括变形、渗流渗压、应力应变及温度、支护效应、地震反应、环境量等。相应地,小湾水电站建成了包括南瑞DIMS4.0监测系统、坝顶GNSS变形监测系统、三维激光变形测量系统、大坝强震监测系统、光栅光纤式横缝动态监测系统等在内的全国规模最大的安全监测自动化系统,接入自动化系统6500余支,并在筹划实施绕坝渗流水位孔和量水堰、大坝坝后马道表观点等自动化监测改造。

1.2 需求分析

目前,小湾水电站安全监测自动化系统实现了数据自动化采集与存储,为电站建设运行提供了长序列监测数据,但在系统应用过程中,也发现了几个尚待改进与完善的问题：

(1)水工巡检作业的自动化程度较低。水工建筑物巡视检查是发现工程缺陷的最直观手段。但长期以来,水工巡检仍以尺量拍照手工填表、事后整编制作台账为主。巡检成果不仅受巡检人员技能经验水平等主观因素影响,且还存在从现场巡检到成果发布全过程时效低,难以实现缺陷历史数据实时查询,无法与高频次的自动化仪器监测数据匹配校验等问题。

(2)各异构监测系统之间形成数据孤岛。各类以满足传感器数据采集与通信存储为主要功能的安全监测系统源于不同厂商,存在基础数据库数据结构差异、通信方式不一,成果数据难以实时共享和对比校验,无法满足“冗余设置,相互验证”工程安全监测设计部署原则。

(3)未形成与高频次自动化监测相适应的数据实时分析与评判能力。监测自动化系统可据工程需要设定数据采集频次并实时存储,但单日2.5万条以上的海量数据粗差及其反馈的建筑物工况异常却无法依靠人工判识,而通过设定固定上下限值的数据超限报警对于处于初蓄等高危风险期或特殊工况的水电站亦被证明并不适用,导致每日采集的大量数据既不能根据测值波动来及时甄别仪器故障,也无法依据效应量变幅来快速判识工程异常。

(4)工程工况综合评判预警信息化机制未建成。因缺乏监测异常测值实时甄别与有效抽取能力,导致无法进行大坝等水工建筑物工况的综合评判与安全预警。

(5)缺乏高效友好的数据成果管理与发布手段。现有的安全监测系统成果数据可视化程度较低,无法提供水工建筑物、监测仪器与主要水工缺陷空间相关性的有效查询与定位,且成果信息未针对运维层、管理层和决策层各级人员职能进行分级筛选与推送。

2 系统研发的关键技术

2.1 技术路线

开发基于移动终端的水工巡检系统,全面提升水工巡检作业的自动化和数字化水平；构建统一的监测成果数据库,开发工程安全监测数据自动汇集平台,构建有效兼容、统一存储的监测数据集中管控机制；研发监测数据安全阈值模型和异常测值评判规则准则,对各测点每个测次测值进行实时甄别与评判,达到与实时采集相匹配的数据分析与评判能力；在此基础上,结合各类工程安全评价模型、评价方法、以及安全评价的辅助信息,研发基于实测数据的工程工况安全综合评价模型和预警指标体系,为电站运行提供决策支持；构建基于BIM三维模型的大坝安全监测可视化平台和门户发布系统,实现监测测点及其测值数据的查询,实现综合安全分析与评价信息、分级预警提供三维可视化展示与分级发布报送。

2.2 关键技术

(1)水工巡检信息一体化采集管理技术。结合工程实际与业务流程,将水工巡检作业按工程部位进行任务分组化,按巡检路线进行业务定制化,按工作内容进行流程通用化,按缺陷类型进行对象分类化,在标准化巡检业务基础上,研究支持多终端的信息采集、PC端与移动终端数据双向同步,以及巡检信息高效管理方法。

(2)多源异构系统综合集成技术。结合各类工程安全监测系统协同演化与异构信息融合需求,以提供各类监测成果数据管理、汇集、共享、访问的数据中心服务功能为目标,研究网络化复杂软件系统的粒度分解及匹配软件粒度的数据抽取与传输控制技术、面向服务的松耦合计算模型、统一的灵活的服务协同机制、多源异构信息融合方法库与模型库,实时集成管理、综合分析与共享发布技术。

(3)测值动态异常评判自适应模型。以小湾特高拱坝为技术突破,分析力学结构计算、自适应统计模型、动态特征值、多点时空计算、规范标准限值、工程综合类比等方法对于不同仪器类型和工程部位测点的适用性与准确性,研发对应水位的关键测点安全阈值,建立动态监测测点异常评判模型,提出测点异常测值的快速甄别、跟踪复核、动态评判系统机制与方法。

图1 工程安全分析与决策支持系统总体框架

(4)大坝工况综合分析与分级预警模式。从水工建筑物宏观地质特征、结构性状和承受荷载特点和周边环境出发,通过巡视检查和安全监测体系监控获取的准确监测信息,开展建筑物多源监测信息和其它相关信息安全评价,研发一套切实可行的水工建构筑物的工况综合评判指标和预警发布方案。

(5)基于BIM的水电三维可视化虚拟现实技术。构建可连接水工建筑全生命期各阶段数据、过程和资源的小湾电站水工建筑、仪器测点三维精细化BIM模型,关联映射相关属性及巡检监测数据,通过空间插值算法网格化离散监测数据,动态展示水工建筑实际物理工况,构建分级加载模型,确保系统运行轻量化。

3 系统架构与功能实现

3.1 系统总体架构

结合系统技术路线与功能实现,在统筹架构的交互操作性、扩展性、稳定性、移植性和安全性等基础上,将系统总体逻辑架构自下而上划分为如图1所示的层次,并以保障机制贯穿系统整体。①信息采集层。由各系统定期采集监测、巡检数据,经计算整编后转换为监测成果数据,通过监测数据汇集平台,对多源平台的历次成果数据进行实时汇聚。②数据资源层。由成果数据库、分析方法库、CAE仿真库、三维模型库来提供对所有安全监测与分析数据的规范化统一管理及相应工具,为各类应用服务提供数据支撑与共享。③应用支撑层。包括公共基础、应用支撑和资源服务管理,负责向上层各业务应用系统提供公共统一的运行环境和主体支撑框架,将抽取出的各子系统功能模块服务化,形成松耦合的服务群。④业务应用层。由安全监测信息查询、安全综合评价与预警、信息分级发布系统等多个业务应用组成,其核心是以工程安全分析方法库为基础的决策支持技术,为水工运维提供服务和支持。⑤应用展示层。通过内网门户为电站各级运管层提供统一的访问和应用界面,通过BIM三维模型实现工程安全监测基础数据和分级预警信息等的集中发布、共享与展示。⑥运行环境。包括机房、通信和计算机网络、计算资源、存储资源、安全设施、公用软件平台等系统运行所需的所有软、硬件环境。⑦保障设施。包括标准体系、建设运行管理、安全管控和开发运行团队等保障系统建设和运行所需投入的非技术类设施。

图2 水工巡检系统移动端及信息管理平台示意

3.2 功能实现

(1)水工巡检信息高效采集。水工巡检子系统是整个系统信息采集层的重要组成部分,在业务流程标准化的基础上,通过手持移动终端代替纸质表格、手持光源、摄像设备、测距仪器等工具,实现缺陷描述信息的现场快速采集,见图2。巡检数据导入PC端信息管理平台,实现巡检流程、缺陷信息及消缺处理的统一存储和管理,见图3。

图3 监测数据汇集平台示意

(2)工程安全监测数据自动汇集与存储。监测数据汇集平台是信息采集层与数据资源层的连接桥梁,在自动化系统完成监测数据采集入库后,通过定期自动访问各自动化系统数据库,将当期监测成果数据实时迁移至成果数据库,并同时整合历史人工监测数据、实时水雨情、工程档案、三维设计模型等数据资源,构建数据集成平台,合理存储和管理各种数据源,为应用服务层提供数据转换、数据共享和综合分析基础支撑。

(3)测点安全阈值评判与建筑物综合分析分级预警。测点安全阈值评判与建筑物综合分析分级预警是应用支撑层和业务应用层的核心功能,首先通过数据质量管控,实现对测量因素(仪器故障、人工错误、环境误差)引起的突变异常测值有效处理,保证监测数据完整性、一致性、准确性；然后研究分析分析力学结构计算、自适应统计模型、动态特征值、多点时空计算、规范标准限值、工程综合类比等方法对于不同仪器类型和工程部位测点的适用性与准确性,建立不同水位条件下的测点安全阈值,实现对由工程因素引发的测点异常测值的快速甄别、跟踪复核、动态评判；最后按照监测测点、监测项目、建筑物局部乃至整体的逐级递进原则,通过结合工程实际和工程经验的分级监测项目权重赋值,与巡检成果综合比对建立建筑物监测安全分级综合评价模型,实现对建筑物运行工况的实时评价与发展趋势的有效预测。

(4)基于BIM的安全评价可视化展示。基于工程安全监测系统及其成果数据的BIM三维模型是应用展示层的关键功能,按照业务应用的工作流程、工程计算模型库、评判规则库、仿真计算库,建立水工建筑物、内外观监测仪器、物探检查孔等BIM模型,实现工程各部位、安全监测设施、巡检重要缺陷物理外形和空间位置的全真三维展示,监测成果数据查询、检索、定位,为各类安全监测信息与分级预警信息提供表格、图线、三维模型等多种可视化展示,并根据监测数据异常反馈信息用户定制在三维模型中规划定制最佳巡检路线。大坝坝体安全监测可视化模型如图4所示。

图4 安全监测测点可视化与大坝坝体变形三维可视化云图示意

(5)工程综合业务信息门户及安全信息分级发布。工程综合业务信息门户(如图5所示)处于直面用户的应用展示层,为业务应用层至信息采集层各应用系统提供统一访问接口,在该门户中实现基础的应用环境、用户管理、用户认证、菜单管理等通用系统功能,实现了从建设期人工监测系统等单机版数据存储平台到南瑞DIMI4.0、GNSS系统等物联网信息采集系统的实时访问和远程控制。同时结合水电厂工程安全管控业务流程与制度定制了的工程安全综合信息分级发布与推送机制,集成展示业务应用层各系统分析统计得出的成果信息,为电站运维层、管理层、决策层等多级用户提供分层次、多形式的安全监测信息、业务流程信息和工程安全综合评判信息,对电站运行维护管理各级业务决策提供全过程和全方位支持。

图5 工程综合业务信息门户

4 结语

小湾水电站工程分析与决策支持系统研发过程中,充分依托国家“十二五”科技支撑计划课题开展具探索性、创新性的相关关键技术研究,同时也紧密契合企业实际需求,从破解生产管理技术难题,满足一线工程技术人员实用出发,开展科技研究到系统应用一步转化的系统研发工作。目前,系统所辖的水工巡检子系统、监测数据汇集平台、大坝安全监测三维可视化管理系统已投入实际运行,切实转变了小湾水电站现场水工安全工作模式,全面提升了一线水工运维效率；监测测点安全阈值分析评判子系统、水工建筑物综合分析与分级预警子系统、工程综合业务信息门户已进入线上试运行阶段,在持续完善与改进后,将全面服务于小湾电站的水工运维管理。

随着澜沧江流域水电开发的持续推进,大规模梯级水电库群逐渐形成,对以大坝为代表的水电站水工建筑物安全管理和风险防控提出了更高要求。为适应新形势要求,以信息化和智能化技术为先导,深化现有大坝安全监测与管控模式,将以采集存储、计算整编为主的监测数据信息管理系统提升为以高效汇集、实时甄别、动态分析、综合评判的工程分析与决策支持系统,在安全监测数据实时处理和动态分析功能上有所强化,在水工建筑物运行工况综合评判和水电站安全管理决策支持方面迈进一步,将为构建流域级工程安全分析与决策支持系统,保障梯级水电库群安全稳定运行发挥切实地技术支撑作用。

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(责任编辑王琪)

Research and Construction of Engineering Safety Analysis and Decision-making Support System for Xiaowan Hydropower Station

YI Kui1, CHEN Hao1,2, ZHAO Zhiyong2,3, MAO Yingchi4

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. College of Water Conservancy and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;3. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China;4. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The automatic safety monitoring system in Xiaowan Hydropower Station can automatically collect and storage monitoring data, which provide a long-series station operation data. For solving the problems of monitoring system operation, the engineering safety analysis and decision-making support system of Xiaowan Hydropower Station is optimized. The development background, key technologies, system architecture and function achievement of the system are introduced herein, which will provide a reference and demonstration for improving hydraulic structure safety evaluation and abnormal condition early warning capacity of hydropower project during operation period．

engineering safety monitoring; safety analysis; data processing; Xiaowan Hydropower Station