水电站大坝在线监测管理平台的探索与实践

崔何亮，张秀丽，王玉洁，周建波，柳 翔，杨 鸽

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

大坝安全监测是水电站运行管理中的一项基础工作，通过各类仪器获取监测数据，并结合巡视检查，有助于分析大坝的运行性态，及早发现结构可能存在的问题，确保工程安全。

绝大多数大中型水电站大坝都建有安全监测系统。在国家能源局大坝安全监察中心（以下简称大坝中心）注册的493座大坝中（截至2017年底），除了5座因工程规模较小仅开展巡视检查外，其余的均设有变形、渗流等安全监测设施，其中62%实现了自动化监测。注册大坝的测点数量平均为477个，三峡超过10 000个；自动化测点数量平均为412个，小湾、糯扎渡、大岗山、三陕和锦屏一级超过5 000个。

大坝的日常监测工作以前大多由运行单位（电厂）的水工或监测班组完成。近年来，随着区域、流域化管理的发展和监测外委业务的增加，据统计[1]，监测工作完全由运行单位负责的仅占60%，由主管单位或流域公司负责组织进行的占6%，整体外委的占27%，变形测量等部分工作外委的占7%。

受技术水平和管理能力的限制，目前水电站大坝的监测系统和监测工作仍普遍存在一些问题。根据433座注册大坝最近一次定检或安鉴结论意见的统计，其中308座（71%）都存在三类监测方面的问题：（1）监测项目或测点不完备，工程隐患或重点关注部位未建测点；（2）部分监测设施或方法不可靠，误差和无效测值较多；（3）测读不及时，检查维护工作未按要求开展。综合而言，对监测工作不重视、监测工作繁琐、留不住人才、对工程认识不足、监测仪器设备质量不高是监测工作问题的主要原因[2]。

完备、可靠的监测系统是获取有效数据的前提，及时、科学地对数据进行整理分析是监控大坝安全的必要手段，监测工作若存在问题，宜早发现、早处理，否则会导致错误长期累积，形成难以弥补的损失和人力资源浪费。监测工作时间跨度长、数据量大，测没测、测得好不好，依靠传统的人工方式，难以完成精细化的管理。随着计算机、数据集成、通讯、云计算等技术的发展，实现大坝安全远程在线管理已经成为可能，借助新技术，可以迅速发现问题和异常，提升监管水平[3]。

目前国内外的相关研究主要针对单个大坝的数据采集、整编和分析，也有少数区域化的监测数据传输和集中信息管理系统，但还没有专门针对监测工作管理的系统。本研究以对安全监测系统和监测工作的在线监督管理为目标，通过建立交互式平台，探索高效便捷的反馈处理和长效闭环管理机制，确保数据采集、复测、复核等工作到位，保障监测系统正常运行。

1 在线监测管理的基本思路

在线监测管理的核心是以监测信息为基础，面向结果，通过建立多种数据检验方法、不同监测项目相互印证法，提高异常信息的甄别速度和可靠度，有效评判监测系统的状态，快速发现问题并反馈、监督。按照如图1所示的构架，应用互联网、云存储以及数据挖掘等信息技术，搭建可供现场监测操作人员、水工技术员、技术管理者、行政管理人员、主管单位和专家团队等各方信息共享、交流反馈、协同工作的平台，实现监测数据存储和传输监控、监测系统完备性评价、数据有效性识别、监测系统运行情况实时评估、监测工作存在问题及时反馈和闭环管理，不断促进监测管理工作水平的提升，提高监测系统运行的可靠性，为大坝安全评判提供数据支撑。

在线监测管理的目标如图2所示，主要是解决监测过程中及时性、可靠性、完备性的问题，强化各方对监测工作的重视和监测人员的责任感，使得监测工作的过程和质量可控。

图1 监测管理平台主要功能和架构Fig.1 Main functions and architecture of monitoring manage⁃ment platform

图2 在线监测管理的目标Fig.2 Goal of online monitoring management

2 研究技术路线和要点

为实现在线监测管理，建立可广泛应用的在线监管平台，主要在以下几方面开展了研发工作。

2.1 完善测点基础信息

大坝安全监测信息管理数据库中，大多侧重仪器的管理，对结构物相关的工程信息存储不足，这对测值可靠性评判和监测资料分析是不利的。因此，在线监测管理要求完善大坝和边坡变形、渗流等重要监测项目必要的测点基础信息，除了测点部位、桩号、高程、仪器等信息外，还包括诸如垂线的朝向、测缝计的方向、测压管的孔口/孔底/基岩面高程、渗压计或压力表的安装高程、量水堰的汇水区域、锚索的设计/锁定/永存吨位等重要参数。

2.2 数据缺失检查和反馈

数据入库或传输不及时的常见原因有四类：一是通讯或网络中断，需要及时恢复；二是人工测读的数据录入滞后，要求立即补充入库；三是监测设备故障或仪器损坏，要求尽快修复；四是未监测，这种情况比较少。通过软件自动核查存储和传输过程中的数据缺失情况，对软件系统故障进行快速识别，并立即向现场监测工作人员发出缺报提醒，督促其及时处理问题，减少数据缺失率。

在线监测管理平台根据规定的监测频次，以一定的周期检查各测点数据是否入库，自动对缺失的测点（或分量）增加一条缺测记录，并通过短信和微信进行提示。所有缺测记录均由网页显示，生成“数据缺失表”，如图3所示，可供各方人员随时查询和处理。

图3 数据缺失记录和反馈处理页面Fig.3 Data missing record and feedback processing

2.3 数据有效值判别

选用恰当的方法是监测数据有效性判断结论合理可靠的依据。为此，本研究将多种异常数据识别方法进行有机结合，根据不同方法的适应性，针对不同测点、测值序列的特征选择最适合的方法，设置相应的评判规则及指标。

数据有效性判别的总体流程如图4所示。输入历史数据序列后，首先，将根据测点仪器量程和所监测量的物理意义删除历史数据序列中明显异常的数据。然后，根据历史数据序列中基本正常数据的总历时、结束时间以及形态（例如周期性、趋势性）等因素选择有效性评判方法。此后，根据所选择的评判方法，对历史数据进行处理，并输出对应于各个方法的有效性判别标准。

目前已应用的系统中采用了改进包络域、奇异谱分析和统计模型三种数据有效性评判方法。图5从方法的敏感性、易操作性、对数据序列的要求以及适用的数据序列类型等方面对上述方法进行了比较。其中，奇异谱法与统计回归模型法对异常测值的敏感性近似较高，而改进包络域法敏感性较弱。改进包络域法的易操作性仅优于奇异谱法；而由于建立统计回归模型通常需要人工选择回归因子和回归数据段，基于回归模型的异常值识别方法的易操作性较弱。对历史数据序列的要求方面，奇异谱法对数据序列长度要求略高于统计回归模型法，而预测点前正常数据缺失太多时（例如多于1年）得出的预测结果也可能不可靠；改进包络域法对数据序列长度要求相对较高，但对数据缺失、阶跃等干扰的鲁棒性更强。可分析的数据序列类型方面，所有方法都可对平稳数据序列进行分析；统计回归法和奇异谱法还可对具有周期性和趋势性的序列进行分析，但对阶梯型数据序列分析精度较差；而改进包络域法对周期性、趋势性以及阶梯型数据都能进行分析。

图4 在线监测管理中应用的有效值识别方法Fig.4 Valid value recognition method used in online monitor⁃ing management

2.4 无效值识别和反馈

工程经验表明，监测数据的“异常值”大多是仪器或监测方法的问题，而随着自动化系统的普及，其中毛刺状的突跳误差占了大多数。为提高管理的效率，把有限的人力资源集中到重点需要关注的问题上，在线监测管理系统对识别的“无效值”进行了分类，筛选掉大量明显粗差后，挑选出必须核查的测值，例如明显的阶跃或持续超限的情况，反馈现场监测人员和相关管理者关注。

图5 三种数据有效性判别方法的适用性Fig.5 Applicability of three valid value recognition methods

当发现最近测值无效时，通过与历史无效值比对、后续测值比对等方式，将其分为三类：自动判定粗差数据、待核实数值、其他测值，通过网页展示，如图6所示。现场人员对“待核实数据”必须进行查阅，检查后，说明测值无效的原因（仪器设备故障、人工观测误差、外部扰动、计算有误等），或经确认后说明测值有效（仪器设备维护或更换、计算公式或参数调整、测值真实变化等）。

2.5 监测系统运行情况分析和统计

在线监测管理平台对监测数据实时监控，采用数据缺失率（缺测次数/统计期内的应测次数）和有效值比例（有效值测次/统计期内有数据的测次数量）两个指标，对一定时间段内各测点的状态进行分析，并根据测点优劣分布的统计，对监测系统的运行情况进行评价。在线监测管理平台以月为单位对各大坝的监测数据进行评判和统计，并且每季度或半年生成监测系统运行情况（预）报告，生成图7所示的网页报表。相关责任人可在规定的期限内（如15 d）进行浏览和处理，到期系统将生成正式的报告并存档。

图6 无效测值反馈和处理页面Fig.6 Invalid value feedback and processing

图7 监测系统运行情况定期反馈报告Fig.7 Regular feedback report on monitoring system operation

2.6 监测问题在线反馈流程

在线的分析离不开离线的现场检查，而且后者往往更重要。因此，对监测数据不能直接反映的监测工作问题，如日常维护、校测、各类检查、大坝安鉴、监测专项验收或专题分析等工作中发现的监测完备性和可靠性问题，在线监测管理平台将通过任务流程的方式（如图8所示）提示相关责任人限期处理，并对处理过程和结果进行记录和监督。

3 初步应用情况

本研究成果已达到实用化的程度，大坝中心已将其应用到了对注册和备案大坝的日常监管中，搭建了可供大坝中心与电力企业技术人员共享的交互管理平台。以报送的监测信息为基础，实现对各大坝监测系统现状、监测工作存在问题的监控和反馈，随时、快速、有效地督促和指导电力企业不断提升监测工作水平，提高监测数据准确性，为大坝安全评判提供依据。

图8 监测系统和监测工作问题在线反馈流程Fig.8 Online feedback process for monitoring system and monitoring problem

电力企业使用本单位账号登陆大坝中心网站后，即可通过点击页面左侧的监测管理相关按钮查询所辖大坝的情况并进行操作，各页面中均有具体的操作说明，主要功能有以下几方面。

3.1 监测问题反馈

查询监测系统评判的结果以及大坝中心提出的监测问题和要求，在完成后通过网页说明处理情况。问题程度分为严重、一般、轻微等三类。对严重问题，大坝中心可能会同时发函督办，一般问题多项或长期未按要求整改的，按严重问题处理。一般、轻微问题会通过系统自动发送邮件或短信、微信等方式提醒处理。问题类型分为报送数据不及时、监测设施不可靠、监测系统不完备、其他管理问题、多方面综合问题等五类。截至2017年底，大坝中心已在线提出了268条监测问题。

3.2 报送测点状态表

查看大坝中心要求报送的测点范围、监测分量、频次、最近测值日期，并可以在线申报测点状态和频次变更。对在测和应测的测点，其测点状态显示为“在测”；若最近的数据未按时报送，显示“在测（缺报）”。对报送的绝大多数测点，其状态为“在测”，对个别短期暂停、损坏待恢复的情况，从监测需求的角度也属于在测。

报送测点原则上不得停测，某些特殊情况下，如内部埋设仪器损坏后确实无法修复，或系施工期临时项目、短期科研项目测点的，经技术论证说明可以中止监测且经由主管单位审批后，可以在本页面中如实申报测点状态为“停测（损坏）”并说明原因。经大坝安全鉴定、定期检查、注册检查、原设计单位正式论证后认定为可封存、报废的，运行单位可将相关资料向大坝中心报告，由大坝中心将测点状态修改为封存、报废或移出报送测点表。

当发现监测系统完备性不足时，大坝中心将要求相关单位进行测点修复或增补。

3.3 缺报反馈和异常数据反馈

查询缺报信息和异常数据信息，经检查核实后，说明缺报、缺测、数据无效、数据有效的原因。为实现反馈的及时性，还提供了手机端的提示，后期将逐步开放手机端的处理功能，实现移动状态下的操作。

在线监测管理平台可以对所有大坝的监测报送数据进行定期分析、评判和对比，也可以对不同大坝进行横向比较。2017年12月，已纳入监测管理的543座大坝的月度评判结果（试行版）见表1和图9。根据统计，其中有91座大坝综合评判为差，约占1/6，其主要原因是报送不及时，对其进行了缺报提醒和反馈，对其中问题比较突出的，还采用了监测问题的网上处理流程，限期整改。电力企业可据此加强自身监测工作管理，认真履行主体责任，做好监测工作。

表1 报送数据评级结果（2017年12月份）Table 1 Data rating results(December 2017)

图9 大坝监测系统在线评判结果列表Fig.9 List of online evaluation results in dam monitoring system

4 结语

在线监测管理是一项全新的管理手段，通过互联网、信息化等技术，可实现监测信息的远程传输、误差自动识别、自动反馈，实时把握监测系统运行情况，反馈处理监测系统存在的问题，评估监测系统运行状况。本技术旨在建立在线平台，为大坝安全管理、监测工作管理和监测操作人员创造共同协作的交互环境，是互联网+大坝监测管理的管理创新，不仅可用于大坝中心的技术监督管理，也能服务于电力企业内部的监测管理和流域化、集团化管理，提高行业整体的监测工作水平。 ■

[1]水电站大坝安全监测工作情况报告(2015年度)[R].国家能源局大坝安全监察中心,2016.

[2]王玉洁,周建波.对《水电站大坝运行安全监督管理规定》有关大坝安全监测内容的解读[J].大坝与安全,2015(2):15-16.

[3]张秀丽.用新理念新技术提升监管水平[J].大坝与安全,2015(2):7-9

[4]发展改革委令第23号,水电站大坝运行安全监督管理规定[Z].

[5]国能安全〔2016〕261号,水电站大坝运行安全信息报送办法[Z].

[6]国能发安全〔2017〕61号,水电站大坝安全监测工作管理办法[Z].