南水北调中线工程安全监测预警机制研究

范 哲 ，黎利兵 ，商玉洁

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

水工建筑物任何潜在的破坏形式都可能造成灾难，对人们的生命和财产造成巨大损失，因此水工建筑物的工程安全问题一直备受关注。为了确保水工建筑物的安全，并对异常现象进行实时预警，在水工建筑物中安装和埋设大量的传感器并形成安全监测系统，用来监测大型水坝静、动态行为［1］。针对这些水工建筑物，开发和部署了各种监测和安全评价系统，以自动监测建筑物的状态，实时捕捉异常状态并发出警报。目前，水库大坝的安全管理体制、法律法规已较为规范和成熟，监测预警系统开发也较为完善。20世纪80年代初，意大利针对混凝土坝制定MAMS（微机监测系统），实现数据的自动采集和在线监测；90年代又相继开发了INDACO［2］，MISTRAL［3］和 DAMSAFE［4］，将人工智能应用于大坝安全管理，使之在大坝安全监测领域发挥主导作用。法国政府自1959年马尔帕萨（Malpas⁃set）混凝土拱坝发生坍塌事故起就高度重视大坝安全。至今为止，由法国电力公司开发的大坝安全监测系统已监测了150多座大坝的测量数据。我国国内水库大坝也相继安装了大坝安全监测系统，并针对大坝安全监测系统的自动化和智能化进行了相关研究，以达到对大坝结构发生异常实时预警的目的。随着计算机科学与网络通信技术在大坝安全监测中的迅速发展，越来越多的理论和人工智能方法在大坝安全管理中得到应用。为实现自动化安全评价，大坝安全综合评价系统中采用了专家评估法［5］、综合法［6］、模糊综合法［7］及模式识别［8］等理论和方法。然而，这些方法在大坝安全监测系统中并未得到广泛地应用。建筑物报警系统也应适应时代要求逐渐智能化，以便准确掌握大坝运行性态，及时处理异常情况。本研究借鉴大坝安全预警系统模型和预警标准，结合南水北调中线工程特点，开发了南水北调中线工程可视化智能预警系统，通过基于监测数据的离线分析和在线分析两种手段提出监测预警的评价体系，对监测系统和建筑物的安全进行实时监控，为及时发现结构异常并采取补救措施、降低结构失事风险提供技术支撑服务。目前，该系统已应用于南水北调中线工程安全监测，其预警体系与预警模型的建立将为我国类似的引调水工程安全监测提供有益的参考或借鉴。

2 工程安全评价及报警

建筑物的安全性取决于测点的测量情况和检验结果，即定性分析和定量分析。定性分析是对研究对象进行归纳与演绎、分析与综合以及抽象与概括。定量分析是从数量和变化趋势两方面对数据进行评价。建立统计模型后，利用时效分量对数据的变化趋势进行检验。DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》［9］和大坝的数据分析中都要求确定监控指标。监控指标是指不同时段监测量的安全边界值，对大坝的安全管理起到了重要的作用。该系统在项目的不同时段以设计指标、模型指标和特征指标作为监控指标。设计指标是由设计单位提供的每一项监测量的设计值，是一个先验标准。模型指标是从统计回归模型得到的统计值。特征指标是在一个特定的时间段内测值的最大值或最小值。在实际操作过程中，模型指标和特征指标一直在变化，作为后验标准。通常根据实际情况，特别是运行初期，测点无法提出有效的设计指标，或者设计指标与实际情况不符时，可采用模型指标进行判别。统计模型的准确性决定了模型指标的可靠性，因此需要考虑多种环境量因子和影响统计模型的因素。总之，确定监控指标是定量分析的基础、是进行安全评价的关键步骤。定性分析主要依据监测结果、建筑物特点和工程师经验。根据工程安全是否受到影响，定性分析的结果分为正常状态和不正常状态两种。建筑物的安全评价是定量分析与定性分析的结合。

2.1 测点状态评价等级

首先针对单个测点的状态展开评价。排除测量错误数据或粗差后，拟将测点状态评价等级分为A、B、C、D、E，如表1所示。其中，等级A表示测点状态良好，测值在监控指标范围内；等级B和C表示测值超界，不在监控指标范围内；等级D和E表示数据变化趋势异常，时效分量呈现加速发展的趋势，需加以重视。测点综合评价流程见图1。

表1 测点状态评价

图1 测点综合评价流程

2.2 建筑物安全评价及报警

在测点安全评价的基础上，对建筑物的安全评价进行分类。评价等级数量划分的多少，是一个涉及到评价目的、已有方法或相应规范、实践经验、人类心理活动与认知能力等多方面因素的问题。然而，对评价指标特性和最终评价目标的评价等级数量划分目前尚无规范可循。若评价等级数量划分的过少，将失于粗略，难以全面真实地反映评价对象的工作状态；若评价等级数量划分得过多，将过于繁琐，加大评价等级之间界限的确定难度和计算工作量。因此，本文借鉴美国垦务局对大坝安全评价和风险管理办法，并基于实际工程提出了建筑物的安全综合评价方法。

为了及时发现异常并报警，建筑物的评价等级可分为以下4个等级（见表2），分别以绿、蓝、黄、橙4种不同颜色表示。其中，绿色代表各因素测量数据都在模型指标和监控指标范围内，建筑物运行正常，巡视检查未发现异常；黄色代表各因素测量数据出现超过模型指标的情况，但设计指标和监控指标未超界，建筑物的运行基本正常，巡视检查未发现异常；橙色代表各因素测量数据出现异常测点，或者是在巡视检查中发现异常，结构可能存在一定的破坏；红色代表建筑物存在严重的安全问题。若确定了建筑物的状态，则在地图界面上显示对应的颜色。图2中所有的水工建筑物被标为绿色，说明建筑物都处于正常状态。右上角的文本显示了每种建筑物的监测分析结果。报警系统流程状态见图3。

表2 建筑物安全评价等级及判断依据

图2 工程安全监测系统操作界面

图3 报警流程状态

3 监测系统评价及报警

3.1 测点数据和监测系统评价

监测系统异常导致测量数据不可用，因此，首先应对监测系统进行评价，再对测量数据的状态进行评价。监测系统的评价是基于现场调查和长期观测精度测试与实测数据分析的检查结果。将测点数据分为A、B、C三级，见表3。只有等级A或等级B的数据才能用于进一步分析。

表3 测点数据的评价等级

为避免安全监测系统综合评价等级数量划分得过多，导致判断、处理测点数据过于繁琐，使报警频繁和管理难度增加，结合南水北调工程实际情况，系统采用的监测系统评价等级见表4。

表4 监测系统的评价等级

3.2 在线和离线综合评价及报警

综合分析评价根据启动方式不同可分为在线综合评价和离线综合评价。在线综合分析评价是一个服务器后台的程序，没有操作界面，客户端可以对其进行启动、停止、设置运行频率等。在线综合分析评价模块主要分为以下4个部分：

（1）单点各类标准检查和单点信息定量化。系统采用3种标准作为单个测点的检查标准：①模型标准，以统计模型为主。②速率（包括加速度）标准。③监控标准，包括设计标准和重症标准。各类标准检查完成以后，定量确定单点的状态，并将测点的各项检查结果进行保存。

（2）在单点定量化的基础上，结合建筑物巡视检查结果进行综合分析评价，完成对建筑物安全状态的综合评估。

（3）系统根据异常程度，自动发出相应级别的报警，作为辅助决策的依据。

（4）系统自动输出两类检查信息。一类为单个测点检查结果，并对异常测点进行汇总；另一类为按建筑物所得安全评价结果，对安全状态等级进行标识。用户可通过在线综合分析推理结果显示界面了解在线检查结果。

离线综合分析系统主要是为分析人员提供综合分析的集合环境及有效支持。用户可以通过检查图标来进行离线综合分析，图标包括任何时段的测量时间图、相关图、分布图及特征值。设置不同类型的指标，如最小速率、最小加速度。点击离线综合推理图标，系统将自动显示离线综合分析结果。单点信息定量化同样适用于离线综合分析。建立模块的方法很多，可用于进一步分析。该模块对特定的分析模式进行调整，并将评价过程设置为在线分析。一旦建筑物发生异常，操作员可以根据最新的分析结果发出警报。

综合建筑物安全评价等级和监测系统评价等级，在建筑物安全或者监测系统出现异常时，分别发出4级报警，见表5。报警器的报警流程包括报警接收、报警处理和报警排除。报警排除可通过自动和手动两种方式来实现。

表5 报警级别分类

4 结论

（1）本文阐述了长距离调水工程安全评价与预警的方法，提出了工程安全与监测系统预警的分级准则，结合在线分析和离线分析方法确定了南水北调中线工程安全监测的预警机制，通过建立工程安全监测预警系统为南水北调中线干线工程的安全保驾护航。

（2）目前，安全监测预警系统能够基本保障工程的安全运行，可以对工程或系统出现的异常状况进行实时报警。但长距离调水工程建筑物的状态在施工阶段、早期运行阶段和长期运行阶段都有很大的不同，应根据工程不同阶段分别制定相应的监控指标。同时，监控模型的设计指标应确保与实际工况相对应，模型指标和特征值指标需有3～5 a以上历史监测数据，使监控模型在不断调整后仍满足精度要求。

（3）在线和离线综合分析推理过程需结合建筑物具体失效模式或失效路径进行深入研究。此外，在单点定量分析基础上，定量分析巡视检查结果并实现二者的有效结合也是下一步研究工作的重点。