基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警方法

方卫华，张 慧，徐孟启

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；2.河海大学计算机与信息学院，江苏南京 211100）

0 引言

扬压力大小及其分布不仅对闸坝建基面及坝体坝基应力分布有重要影响，而且对闸坝抗滑稳定性有决定性影响。 随着防范风险意识的加强和管理要求的不断提高，实现扬压力预警特别是现地在线分级预警对及时掌握工程安全状况、规避工程安全风险和提高工程管理水平都具有十分重要的意义。

目前，闸坝扬压力监测预警主要通过实测数据与监控指标进行对比的方法和基于规范的扬压力折减系数法实现。 前者扬压力安全监控指标拟定方法有置信区间法和典型监测量小概率法，如：张运保等［1］以台儿庄泵站2012 年11 月5 日至2018 年8 月20 日扬压力监测数据为基础，采取置信区间法和典型监测效应量的小概率法进行扬压力安全监控指标拟定；汤世飞等［2］建立了贵州北盘江光照水电站碾压混凝土坝坝基扬压力统计模型，在扬压力极限测值的基础上考虑容许误差及初始拟合值，提出了坝基扬压力监控指标；季海礼等［3］结合实际工程，利用小概率法拟定了非汛期扬压力监控指标；李姝昱等［4］对丰满大坝16 个坝段坝基扬压力进行分析，采用置信区间法和典型小概率法拟定了坝基扬压力的安全监控指标。 置信区间法和典型监测效应量小概率法都是基于统计学的方法，不仅受因子变量独立同正态分布等假设条件的限制，而且适应地基渗流条件变化的跟随性不强［5-6］，在地基淤积等条件变化比较快的部位难以实现在线预警。 随着在线实时动态预警指标的提出，一些管理平台采用基于规范的扬压力折减系数法实现预警，即通过实测扬压力与设计规范给出的理论折减系数计算的扬压力进行对比，当实测值大于根据规范假设的扬压力值时报警。 然而每个闸坝都具有一定的特殊性，帷幕缺陷、坝基坝体接触不良、闸坝裂缝等造成的扬压力异常可能由局部非关键因素造成，也可能由多个局部非关键因素综合造成。 文献［7-16］表明扬压力异常或超过设计规定的扬压力折减系数的情况在不同工程时有发生；文献［13］中的每个坝段各设置4 个扬压力测点，从1988 年开始监测，除测点3、4 扬压力系数在0.2 上下波动外，其他测点均大于设计值（0.3），南、北岸代表性坝段3＃、25＃扬压力测点3-1、25-1 扬压力系数分别达到0.66和0.80，明显大于规范设计值；文献［15］工程实例表明，一些测压管测点的扬压力系数甚至接近于1，卸下扬压力监测压力表重新安装后，该值恢复很快，而另一些压力表卸下重新安装后，该值恢复时间滞后达30 d；文献［16］通过灌浆廊道测压管水头等实测数据计算得到的1999 年太平湾大坝20＃及47＃坝段扬压力折减系数分别为0.406 和0.490，均超过规范规定值。

文献［17-20］主要从扬压力异常成因上进行研究，如：文献［17］研究表明李家峡大坝6 号坝段坝基扬压力异常成因是防渗帷幕局部存在缺陷，且帷幕前浅部岩层存在强透水带；文献［18］结合运行过程中测压管洗孔、排水管淤堵测试、渗流场数值模拟等手段，分析了测压管扬压力过高的原因；文献［19］对嶂山闸9＃闸底上游侧扬压力高于设计值进行分析，认为闸基承压水的深层渗流可能是导致扬压力异常的原因。 多个工程的扬压力监测数据分析表明，由于地质条件的非均匀性和上下游水位波动及其滞后效应，扬压力分布受除险加固、泥沙淤积和温度等多方面的影响，因此很多坝基实际扬压力分布与规范假设不同［21-22］，有些帷幕后第一排扬压力测值明显大于根据规范假设的理论计算值，如果按上述平台中所采用的扬压力预警方法，则实测扬压力数据大于根据规范设定的阈值，将出现长期虚警［23-25］。 总之，无论是监控指标法还是设计规范［21］给出的扬压力折减系数法，都基于单测点扬压力实测数据，而单点测值未考虑扬压力大小及其分布影响坝体稳定和应力分布的物理实质，在实际工程中容易造成虚警。

目前扬压力监测大多采用测压管及在管内安装渗压计的方式，由于坝体廊道内测压管工作受降水等外界条件影响较少、渗压计上作用水头一般不高，因此仪器受温度变幅或结构应力徐变影响较小，加上目前渗压计本身质量尤其是进口原装渗压计质量的保证和气压修正，扬压力监测精度是可以达到监测技术规范［26］要求的。

边缘计算［27］较传统后台计算方式及云计算方式具有低延迟、低带宽、高可用等优势，且部分摆脱了网络环境的限制。 水利工程大多数位置偏远，管理处（所）技术力量或精力有限，与后方通信受限，尤其在恶劣自然环境或应急条件下，需要一定的数据分析预警能力，边缘计算正好满足这一需求。 李鹏飞［28］分析了数字中国信息化建设要求和现代技术发展趋势，结合工程上边缘计算在水利项目中的应用，以计算周期为指标论证了边缘计算充分满足水利控制系统对时间延迟的要求，有利于解决存在的信息感知不透彻、互联互通不广泛、数据处理不及时等问题。

本文针对扬压力预警方法的不足，考虑地质条件非均匀条件下扬压力非均匀分布对坝体稳定性的影响，以影响坝体稳定及应力分布的横断面扬压力分布及数值作为坝体荷载，由物理机制设计，结合规范提出相应的预警方法。 其中为满足现场电源及算力要求，引入边缘计算解决水库位置偏远及现地分析处理能力不足等带来的问题；采用轻量化深度学习模型实现任意水位组合工况扬压力向控制工况扬压力精准快捷转换。

1 方法与系统

以混凝土重力坝为例进行叙述，水闸可以依据水闸设计规范［22］进行类推。

1.1 方法步骤

首先，根据重力坝类型、坝段位置和相应的设计规范确定所对应的扬压力折减系数α，读取与扬压力测值时刻t相对应的重力坝上、下游水位H1（t）和H2（t），根据安全监测设施考证资料获取坝段设置的多个横向测压管平行坝轴线的桩号，从而获得各扬压力测点的横向坐标。

其次，按照各个测压管的实测数据采用等效面积Mt计算实际扬压力荷载；根据相应设计规范确定的参数，由实际上下游水位结合规范确定扬压力折减系数α，计算规范扬压力面积St；比较Mt与St的大小，若Mt大于或等于St，则启动蓝色报警并进入下一步骤；若Mt小于St，则返回监测阶段继续收集数据。

再次，根据相应规范结合实测扬压力、其他同步荷载，分别计算坝踵和坝趾两个控制部位的垂直正应力和主应力，并判断上述应力任意一项是否超出所述设计规范要求或对应混凝土强度允许值，如有一项超过则启动黄色报警并进入下一步骤，否则继续监测。

最后，在计算应力的基础上，根据实测数据按规范规定的方法计算抗滑稳定及抗倾覆稳定安全系数，并判断重力坝抗滑稳定性及抗倾覆稳定性是否超出设计规范对所有工况的要求，若任一项超出，则启动红色报警。 其中抗滑稳定计算根据坝段所在坝基地质条件，依据规范确定。

当坝基存在深层滑动面时，上述扬压力测值及其参数根据规范［21-22］提供的计算方法确定。

对于重力坝抗滑稳定采用抗剪强度公式或抗剪断强度公式计算分析，所在坝段的坝基岩体条件良好时采用抗剪断强度公式，坝基岩体差或存在软岩、软结构面时采用抗剪强度公式。

按照抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数为

式中：f '为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，C'为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，a为坝基接触面截面积，∑W为作用于坝体的全部载荷（包括实测数据计算的扬压力）对滑动平面的法向分值，∑P为作用于坝体的全部载荷（包括实测数据计算的扬压力）对滑动平面的切向分值。

按照抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数为

式中：f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。

抗倾覆稳定性的判断方法为：计算坝体自重产生的抗倾覆力矩M1和水平推力产生的倾覆力矩M2，并计算抗倾覆力矩M1和倾覆力矩M2的比值得到抗倾覆稳定安全系数；若所述抗倾覆稳定安全系数大于设计规范给出的安全系数，则判定所述抗倾覆稳定性满足要求。

将测压管及坝段参数都输入基于边缘计算的现场测控装置，由程序自动计算、预警。 基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警流程如图1 所示。

图1 扬压力分级预警流程

由于规范规定的稳定计算只提供了有限典型工况的限定值，而闸坝日常运行常常不是处于规范规定的典型工况，因此在实时预警时需要根据当时工况将包括实测扬压力在内的各种荷载转化成规范规定的典型工况所对应的荷载。 为实现上述自动转换，先建立各测压管扬压力与上下游水位、气温和时间的统计模型［28］，即ht ＝∑cif（xt-i） ，xt为当前时刻上下游水位、温度、降雨与传感器实测扬压力组合量，xt-i为测值前第i天组合量，ci为回归权重系数，ht表示一个完整断面一排横向多个测压管扬压力值映射到典型控制工况下的扬压力值［29］。 参考扬压力统计模型的自变量因子数量及形式存入现场边缘计算模型因子库，再结合现场实测数据建模计算；通过预测精确度、鲁棒性和泛化能力3 个指标确定最终的xt-i影响因子，经过模型检验选择最优模型；将上下游水位取规范规定的典型工况所对应的水位即可得到对应工况的扬压力“实测值”，再结合其他荷载和参数按规范规定进行抗滑稳定计算。

考虑到不同模型的泛化能力不同，为提高模型的智能化水平，同时降低存储和计算复杂度，经模型比较，本文选择GRU（Gate Recurrent Unit，循环门单元）实现实测值到典型控制工况的扬压力映射［30-31］。GRU 是一种基于RNN（循环神经网络）的改进型神经网络，可以有效克服传统神经网络中短期记忆不足并解决梯度消失问题，通过存储单元保存长期的时序信息，以捕捉数据中的长期依赖关系。 由于扬压力实测数据具有时间滞后特征，因此GRU 神经网络可以有效预测扬压力随上下游水位等影响因素的变化，GRU 单元结构见图2。

图2 GRU 单元结构

GRU 神经网络的记忆单元在每个时间步设置重置门rt和更新门zt，基于门控GRU 神经网络可以实现信息过滤和存储功能。 重置门和更新门的计算公式如下：

Wr为权重矩阵，对上一个时间步传过来的隐藏层状态ht-1和当前时间步的上下游水位、温度、降雨、传感器实测扬压力组合得到的xt进行线性变换，得到的结果输入sigmoid 函数，再将结果压缩到区间［0，1］得到重置门rt的值。 类似地可由式（4）得到更新门zt的值。

h～t为候选隐藏状态值。 式（5）中rt值越小则候选隐藏状态值越小，说明前一状态需要遗忘得越多，丢弃得越多，当前状态受前一状态影响越小；rt值越大则当前状态受前一状态影响越大。 因此，重置门的设置有利于挖掘数据之间的短期依赖关系。

zt用于控制当前状态是否需要根据前一时刻的状态信息进行更新。 式（6）中zt越接近0，当前时刻对应规范规定的典型工况扬压力“实测值”ht就越接近上一时刻的“实测值”ht-1。ht被很好地维持了，这也是缓解梯度消失的关键。 更新门值的变化有利于捕捉数据之间长期依赖的关系。

1.2 边缘计算系统

综上可知，要实现基于物理本质的扬压力预警，需要实时采集数据及进行误差识别与处理、工况转换、模型计算等，采用基于嵌入式系统的边缘计算方式可实现廊道内无线通信组网、远程维护和参数设置、手机APP 无线连接，以及有效提高数据采集和分析处理速度。 基于边缘计算的扬压力分级预警系统由多台坝基扬压力测控装置（MCU）及通信网络组成。 每个扬压力横向监测断面配置一台基于边缘计算的坝基扬压力测控装置，用于采集扬压力、气压和获取上下游水位数据，并根据内置模型算法进行数据处理。 MCU 采用适合水工现场环境要求的嵌入式硬件和开源操作系统，内置应用软件。 嵌入式硬件选用i.MX6Q Cortex-A 系列多核处理器作为核心处理器，其低功耗方式采用自适应调频方式，对于功耗要求极为严格的水工场景可通过对MCU 控电来降低系统整体功耗。 开源操作系统采用嵌入式Linux 操作系统，结合嵌入式BOA、Sqlite、TCP／IP 及SSH 等技术开发嵌入式开发界面嵌入式浏览器和WEB 浏览器，实现功能和接口软件配置，对接入传感器进行统一集中管理，实现远程程序升级及远程时钟校准等功能，支持远程故障诊断，减少人工运维成本。 应用软件采用C++和Python 语言混合开发，负责提供操作界面，根据设置自动完成扬压力、气压及上下游水位的读取或采集，以及上述的相关计算过程，从而实现数据采集和分级预警一体化。 同时，MCU 还可以根据需要如考虑分项系数或有限元等进行技术升级。 二次开发时应用API 可以调用第三方工具编写的应用软件。 软件测试可以在安装Linux 系统的虚拟机上进行，最后部署到MCU 即可。

2 工程实例

2.1 实例一

本节以某混凝土重力坝中间坝段某一扬压力监测断面为例说明蓝色预警过程。 该坝段坝基设置了4 根扬压力测压管（编号U、T、S、R），如图3 所示，实测对应的测压管水头分别为h1（t）、h2（t）、h3（t）、h4（t），上游扬压力作用水头为H1（t），下游扬压力作用水头为H2（t）。

图3 基于测压管实测水头的扬压力计算示意

测压管内渗压计采用Geokon4500SV 0.35 MPa 渗压计，配合上海雷若仪表RE-330 型0.2 hPa 高精度大气压计修正，经重复性采样，重复性满足规范［26］要求。根据实测资料该坝段坝基测压管U 实测扬压力折减系数长期大于规范值0.3，为此检验其是否需要进行蓝色预警。 实测扬压力荷载可以通过计算多边形IJKLMNOP的面积得到。

图4为设计规范中计算扬压力载荷的示意图，排水孔中心线处为H2（t）+αH（t），其中α为规范规定的扬压力折减系数，H（t）＝H1（t）-H2（t）。 扬压力面积St为多边形ABCDE的面积，为2 个多边形ABCF和CDEF的面积之和，用公式表达为

图4 规范规定的典型扬压力计算示意

式中：LAF为A点到F点的距离；LFE为F点到E点的距离。

将实测扬压力与规范规定的扬压力进行对比，也就是比较计算出来的实测扬压力面积Mt和规范规定的扬压力面积St。 当Mt值大于或等于St值时，说明实测扬压力大于规范值，启动蓝色报警。 计算结果显示，该坝基实测扬压力面积小于规范规定的扬压力面积，因此未启动蓝色预警。

2.2 实例二

某水利枢纽工程重力坝为1 级建筑物，根据实测扬压力结合上下游水位计算的部分时间、部分测点扬压力折减系数超过规范值，引起运行管理单位重视。为检验是否应启动红色预警，基于上述软件系统，采用设计工况和计算公式对坝体稳定性进行校核，结果表明不存在深层抗滑失稳问题，因此只计算沿建基面的抗滑稳定安全系数。 相关计算参数根据现场取样检测结果和经验确定，荷载组合及规范值参见混凝土重力坝设计规范［21］。 根据全部测点、全时间序列实测扬压力数据，采用本文方法得到的安全系数极小值见表1。由于计算得到的安全系数均在规范要求范围内，因此未启动红色预警，有效地消除了运行管理单位的顾虑。

表1 基于边缘计算的典型工况抗滑稳定安全系数与规范值对比

3 结束语

根据扬压力实际作用的物理意义，结合规范实现了闸坝分级预警，理论分析和工程实例证明，基于边缘计算的分级预警方法是可行的：1）本分级预警方法基于局部扬压力分布不均匀的实际，考虑到扬压力是通过其大小和分布影响坝体稳定性，具有简单直观和物理意义明确、计算方便等优点；2）通过实测扬压力面积与规范规定扬压力面积对比，更加快捷和简便；3）将依据实测扬压力计算得到的抗滑稳定安全系数或抗倾覆安全系数与规范值进行比对，可更有效地作出判断，减少虚警的发生；4）工程实例只针对运用期进行了分析，根据规范要求，可以将其推广到施工期以及采用不同计算方法（如分项系数极限状态计算方法或弹塑性力学有限元计算方法）的闸坝扬压力分级预警中。