数字水电大坝安全管理平台建设研究及展望

徐金英，胡明庭

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江省杭州市 310030；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 研究背景

21世纪初期，伴随着我国经济实力的逐步增长，对能源需求尤其是清洁能源的需求大大增加，一大批高坝大库陆续在西南、新疆和西藏修建[1-3]。近年来用电需求的持续走低，电力供应过剩严重[4]，送出配合问题日益突出，西南地区的弃水弃电现象频繁发生，水电建设速度放缓，“十三五”常规水电规划数量是“十二五”规划的一半，如此严峻的行业发展形势给发电企业带来了日趋加大的经营压力，如何经营好现有水电资产，保障水电站大坝安全运行是发电企业当前面临的重大生存问题。早在2015年初，国家发展改革委发布的《水电站大坝运行安全监督管理规定》，对电力企业大坝安全信息化工作做出了明确规定。因此，做好水电站大坝安全管理研究是当前和今后一个长时期内水利水电行业改革发展的总基调和风向标。

随着智能制造、区块链、云计算、大数据、“互联网+”等颠覆性技术的发展，以及国务院“互联网+”系列文件的出台，开展智慧能源建设正逐渐成为电力生产企业发展的新趋势和方向[5-7]。数字水电大坝安全管理是构建数字水电厂的一个应用功能，是推动智能水电厂建设的重要基础，是最终实现智慧水电生产的前提保障。本文详细介绍了中国华电集团公司（以下简称华电集团）开展数字水电大坝安全管理建设中取得的成果和经验，并基于当前科学技术的发展方向，在详细分析大坝安全管理需求和特点的基础上，在“GIS+三维可视化技术”、去中心化保证数据不可篡改的区块链技术[8]、基于大型商业软件的ANSYS和ABAQUS的有限元数字仿真技术、基于Python程序开发的神经网络技术和遗传算法的大坝结构参数反演技术、基于远程智能监控的新技术新设备等方面提出了对今后开展数字水电大坝平台的建设进行了科学和合理的展望。

2 数字水电大坝安全管理的主要研究成果

2.1 研究背景

华电集团所属水电站大坝113座，大坝数量众多、坝高不等、坝型丰富、管理水平参差不齐给集团水电站大坝安全管理工作带来了严重不便，基于集团大坝安全管理需求，并调研雅砻江[9]、大渡河[10]和清江河[11]流域的流域大坝集中安全管理[12]经验，2016年，华电集团提出了智能水力发电建设及发展规划，并制定了一系列标准和规范，其中《智能水力发电大坝安全分析系统技术规范》明确了智能水力发电大坝安全分析系统的基本原则、功能要求和主要技术指标，用于指导和规范未来智能水电厂大坝安全管理系统建设[13，14]。2018年初，华电集团提出了实现“数字华电”的新思路，推动数字水电大坝试点工作，为下一步建设华电集团智能化水力发电提供技术指导和实践经验。

2.2 数据存储规则研究

数据存储规则研究作为相关信息化工作的基础工作，数字水电大坝安全管理系统的研究是基于统一平台之上的，即所有大坝安全管理数据均在同一数据库内，现有应用系统采用传统建设模式，各系统单独采集所需数据，独立配置硬件设备、数据库等，系统间信息交互、共享能力较差，影响数据的一致性和正确性，导致信息资源拆分零散和大量冗余。为此，编制数据编码规范，是开展本项工作的首要任务。结合华电集团的基本要求和本行业基本现状，确定在德国VGB技术委员会KKS编码的基础上进行制定华电集团的数据编码规范。

考虑数字化大坝安全监测数据的实际情况，并结合工作经验，对于大坝内观的仪器，只编到某一部位的一类仪器（如无应力计、三向应变计、应力计、钢筋计、温度计），具体到各个测点以相应的顺序编号予以区分；对于外观的仪器，要求编到各个测点。在设备组A1位中，定义水电站大坝安全监测的仪器和设备，A2位中定义不同的仪器设备，A3位依据不同的测量方法和要求，视情况而定[如：水平位移监测中，A3位（D-倒垂，Z-正垂，C-测点）]。

2.3 已建大坝系统简介

2016年初，华电集团建设了集团大坝安全管理系统，系统由大坝安全监测信息整编C/S软件及应用网站系统组成[15]。系统在水力发电领域首次实现两个管理全覆盖，一是区域全覆盖，即大坝安全管理系统汇集集团七大区域所辖大坝集群；二是等别全覆盖，即大坝安全管理系统汇集集团所有等别的水电站大坝。

2.3.1 软件实施情况

大坝安全监测信息整编C/S软件采用华东勘测设计研究院自主研发的idam，主要提供大坝监测数据查询、人工和自动化监测数据录入、数据质量治理、周月季年度报告报表制作、基本设置等功能。截至目前，华电集团已接入大坝83座，完成国家能源局大坝中心数据报送100%；按区域推广大坝安全监督运维，其中乌江公司作为华电集团最大的水电基地，于2019年开始月度大坝安全监督工作，全面提升乌江公司大坝安全监测信息的及时率、完好率、报送率、处理率和使用率，实时效果可观。

2.3.2 应用网站系统实施情况

大坝安全应用网站系统主要基于大坝现地采集到的大坝监测信息，在数据汇集到区域和集团数据库的基础上，开发建设的服务于大坝安全管理综合业务的网站系统。系统以展示、监督、管理和评价为核心，在线监控和实时展示大坝安全监测信息整编C/S软件接入的所有大坝的安全监测管理信息，并定期进行评价统计，为各大坝安全管理考核提供依据。

2.4 管理机制探索

华电集团数字水电大坝安全管理工作采用三级管理体系，即电厂级、区域级和集团级。根据国家及行业现行法律法规，首次制定集团《大坝安全管理系统管理办法》，明确集团公司、二级单位以及各基层水力发电企业的管理职责，并提出了相应的管理要求及评价考核办法，这是华电集团首次在集团层面以管理办法的形式构建水工专业的大坝安全管理模式和机制，为下一步实现大坝安全管理“无人值守，集中管理，少人维护”的管理模式提供制度指导与保障，充分体现了集团对保障所辖水电站大坝安全运行的管理手段和管理决心。

3 研究展望

基于华电集团大坝安全管理工作上取得的成效与经验，同时响应集团公司建设数字水电大坝的发展规划，针对大坝安全管理研究的专业特点，利用GIS、三维可视化技术、物联网、人工智能技术、区块链等手段，结合华电集团各水电站大坝的现场实际、集团管理思路以及集团企业发展和改革方向和重点，确定下一步的主要研究内容为：

（1）大坝安全监测信息GIS+三维可视化展示技术研究。结合GIS和三维可视化技术，进行大坝安全监测在线监控和专家诊断分析成果给出动态预警、报警研究。通过创建各测点监测测值的数学统计模型，统计动态监测数据的变化规律（如变化速度、加速趋势）及相互关系，实现大坝真实性态的三维在线展示及动态预警、预报。

（2）基于有限元数值分析的整体性大坝安全状态预警报警技术研究。应用结构有限元仿真计算、参数反馈修正技术、神经网络和遗传算法，在对实时监测数据进行动态分析评价的基础上，进一步利用神经网络和遗传算法进行结构参数反演，实现对大坝及基岩关键物性参数、模型的动态反演和修正。并实现从传统的、基于点、线局部实测数据的安全分析、预警向基于全坝、全过程动态仿真的大坝工作性态分析、预警的跨越。

（3）开展基于集团管辖大坝管理特点的大坝安全风险辨识和评估。根据集团管辖大坝及流域上下游相关电站大坝设计、施工、运行资料，结合大坝运行管理缺陷和隐患台账，对存在的所有缺陷、安全隐患进行风险点辨识和分类。结合大坝结构有限元分析和大坝监测信息在线监控，并对重大缺陷和隐患进行跟踪和分析，分析事故风险发生的概率，评估隐患事故可能造成的后果，综合评判大坝风险等级，结合前述预警报警研究成果，给出大坝风险预警报警评价结论。

（4）基于当前区块链技术的发展，实现基于区块链技术的数字水电大坝平台建设。大坝安全监测作为大坝安全评判的“耳目”，在一定程度上直接反映着大坝安全状况[16]，部分水电厂人员为了工作的“便捷”和逃避考核处罚，任意编造、捏造、篡改大坝安全监测数据，使得大坝安全的真实状态得不到真实关注。而区块链是一项技术，是一种分布式数据存储、点对点传输和加密算法等计算机技术的新型应用模式，具有透明、信用、不可篡改的特点，同时也基于其分布式存储的特点，导致了当前区块链技术下的数据处理速度较慢，无法进行快速高效的应用。依据水电站大坝运行安全信息报送办法[17]：对于工程安全特别重要的大坝安全监测信息于48小时内自动报送至大坝监察中心，其他大坝应于次月15日前报送至大坝监察中心。综上所述，大坝监测数据的要求监测频次较少，一般为水情数据1次/天、重要大坝监测数据1次/2天，其余大坝监测数据1次/月，因此即便在当前的区块链发展技术下，依然能够满足水电数字大坝安全管理平台的建设要求，采用区块链技术将各区域公司和集团总部连通，各大坝现地监测自动化设备应在规定时间内完成采集后直接存储到各区域公司和集团总部服务器上，能够从根本上避免数据的篡改，这是区块链技术在数字大坝平台上最大的应用特点。

（5）大坝安全监测及传输新技术、新方法研究。如将现代成熟的传感器、机电控制、精密测量、软件、数理统计平差与互联网+、物联网技术智慧地融为一体，可实现全自动、全天候、无人值守的安全、可靠的大坝外部变形远程智能监控技术研究；综合多波束探测技术、水下无人潜航器探测技术、三维激光扫描技术、浅地层剖面仪技术以及侧扫声呐探测技术等新型水下检测技术研究等。

4 结论

进入21世纪以来，以人工智能、移动通信、区块链为代表的新一代科学技术的突破应用，正在深刻影响着国家的发展和人民的生活，引领着企业的发展和改革方向，强化基础研究，提升原创力是企业占据创新高地、取得产业发展创新优势的必然选择。本文在华电集团搭建数字水电厂的建设框架下，结合华电集团构建大坝安全管理系统的实施经验和提供的信息管理平台，给出了数字水电大坝安全管理平台的建设思路和研究展望，为发电企业构建集团统一的数字水电大坝平台提供参考，为下一步推动华电集团建成“智能电厂”实现“智慧发电”生产提供数据基础和技术支撑。