大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)

沈振中,陳允平,王 成,李桃凡,李澤源

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,江蘇淮安 223005;3.中國(guó)水利水電第八工程局科研設(shè)計(jì)院,湖南長(zhǎng)江 410007)

大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)

沈振中1,陳允平1,王 成2,李桃凡3,李澤源3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,江蘇淮安 223005;3.中國(guó)水利水電第八工程局科研設(shè)計(jì)院,湖南長(zhǎng)江 410007)

為適應(yīng)新形勢(shì)下水庫(kù)大壩安全運(yùn)行和科學(xué)管理的需要,根據(jù)國(guó)內(nèi)外水利水電工程建設(shè)和管理的發(fā)展趨勢(shì),研制和開(kāi)發(fā)了水利水電行業(yè)的專(zhuān)業(yè)管理軟件系統(tǒng)——大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)的主要功能、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),以及實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析預(yù)警2個(gè)核心子系統(tǒng)的功能。闡述實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析預(yù)警的技術(shù)路線以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu),并給出了系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)通用性強(qiáng),實(shí)用可靠,使用效果良好。

大壩安全;監(jiān)測(cè)資料;實(shí)時(shí)監(jiān)控;預(yù)警;數(shù)據(jù)庫(kù)

大壩安全監(jiān)測(cè)資料種類(lèi)多,數(shù)據(jù)量大,處理和分析的工作量很大。工程施工期間由于各種條件限制,水電站、水庫(kù)管理單位、施工單位的技術(shù)人員一般很難及時(shí)處理大量安全監(jiān)測(cè)資料,而是委托其他單位進(jìn)行整理分析,因而未能及時(shí)將監(jiān)測(cè)和分析成果應(yīng)用于大壩安全監(jiān)控和運(yùn)行管理,也就不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行預(yù)警和處理,以至貽誤時(shí)機(jī),造成不必要的損失。在運(yùn)行期,為了進(jìn)行大壩安全定期檢查,上級(jí)主管部門(mén)和水電站或水庫(kù)管理單位需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力和時(shí)間來(lái)組織委托有關(guān)單位或部門(mén)協(xié)調(diào)工作,整理分析監(jiān)測(cè)資料,評(píng)價(jià)大壩安全工作性態(tài)。因此,需要對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有序的管理,及時(shí)分析,迅速有效地評(píng)價(jià)工程的安全狀況,發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)預(yù)警。

20世紀(jì)50年代我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)工作,已取得了巨大的進(jìn)步和成果。90年代,大壩安全監(jiān)測(cè)體系和監(jiān)控系統(tǒng)又得到了進(jìn)一步的完善,如吳中如、顧沖時(shí)、沈振中等提出一機(jī)四庫(kù)(綜合推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、方法庫(kù)和圖庫(kù))的安全監(jiān)控框架體系,并建立了大壩安全綜合評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)、大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋分析系統(tǒng)[1-4],此后溫志萍[5]、李婷婷[6]、朱趙輝[7]發(fā)展了大壩安全監(jiān)控智能框架和結(jié)構(gòu),并開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)其他一些單位也相繼研究和開(kāi)發(fā)了具有部分監(jiān)控和預(yù)警功能的大壩安全監(jiān)測(cè)管理和監(jiān)控系統(tǒng):如南京水文自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的DG大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、南京南瑞集團(tuán)開(kāi)發(fā)的DSIMS大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)[8];南京水利科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的大壩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9-10]、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和河海大學(xué)等單位合作開(kāi)發(fā)的小浪底水利樞紐工程安全監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[11]等。其中,有的系統(tǒng)側(cè)重于監(jiān)測(cè)信息管理,適用于施工期安全監(jiān)測(cè)和管理,如大壩安全信息管理系統(tǒng)主要針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息管理,在研究的深度和廣度方面有所欠缺;有的系統(tǒng)側(cè)重于大壩安全的綜合評(píng)價(jià),適用于運(yùn)行期大壩的安全監(jiān)控,如大壩安全監(jiān)控專(zhuān)家系統(tǒng)主要針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和大壩安全的綜合評(píng)價(jià)、專(zhuān)家評(píng)判等方面進(jìn)行開(kāi)發(fā),其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性有其局限性,特別是在易操作性、通用性等方面存在不足。此外,現(xiàn)有的許多安全監(jiān)控理論和方法主要針對(duì)大壩運(yùn)行期的安全分析和評(píng)價(jià),而對(duì)于施工期、蓄水初期則缺乏系統(tǒng)深入的研究。在國(guó)外文獻(xiàn)中,有關(guān)集施工期、蓄水初期和運(yùn)行期等各階段于一體的大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道尚不多見(jiàn)。大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù),針對(duì)施工期、蓄水初期和運(yùn)行期進(jìn)行開(kāi)發(fā),可以滿足施工期、蓄水初期和運(yùn)行期等各階段實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警的要求。此外,系統(tǒng)采用了改進(jìn)粒子群算法,將仿生算法應(yīng)用于大壩安全預(yù)警系統(tǒng),并將塊體系統(tǒng)理論用于擬定大壩安全預(yù)警指標(biāo)。

本文主要介紹了大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的主要功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),并給出了實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析預(yù)警2個(gè)核心子系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

1 系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)

1.1 主要功能

根據(jù)大壩安全監(jiān)測(cè)的有關(guān)規(guī)范和規(guī)程,以及滿足應(yīng)用和科學(xué)管理的要求,確定本系統(tǒng)的主要功能(或目標(biāo))如下。

a.對(duì)人工采集和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)資料以及與安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工資料進(jìn)行科學(xué)有序的管理。

b.動(dòng)態(tài)管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)庫(kù),可根據(jù)需要增加或刪除測(cè)點(diǎn)信息,而不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

c.對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行及時(shí)(人工)或?qū)崟r(shí)(自動(dòng)化)整編和初分析,用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)監(jiān)測(cè)資料的整編和歸檔進(jìn)行調(diào)整,自動(dòng)生成滿足應(yīng)用要求的報(bào)表,如月報(bào)、年報(bào)等。

d.依據(jù)監(jiān)測(cè)資料及其分析成果,對(duì)大壩等水工建筑物的安全狀況做出及時(shí)或?qū)崟r(shí)評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)及時(shí)或?qū)崟r(shí)監(jiān)控。

e.對(duì)及時(shí)或?qū)崟r(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的異常測(cè)值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)反饋分析。首先對(duì)異常測(cè)值進(jìn)行綜合分析檢查和監(jiān)測(cè)檢查,區(qū)分建筑物異常或險(xiǎn)情;其次對(duì)建筑物的異?；螂U(xiǎn)情進(jìn)行物理成因分析,并發(fā)出報(bào)警信息。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由用戶(hù)定制格式自動(dòng)生成月報(bào)、季報(bào)和年報(bào),比現(xiàn)有的一般只能生成固定格式報(bào)表的系統(tǒng)更先進(jìn)實(shí)用。此外,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的授權(quán)用戶(hù)利用Internet遠(yuǎn)程瀏覽本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息的網(wǎng)絡(luò)功能,也是一個(gè)特色。系統(tǒng)的大部分模塊模塊化程度高,易于移植,具有很好的通用性。

1.2 主要技術(shù)

1.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

系統(tǒng)分為信息處理、信息分析評(píng)判、系統(tǒng)管理、遠(yuǎn)程瀏覽等子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)面向用戶(hù)有效地管理、處理、分析及評(píng)判大壩安全各種信息的目標(biāo)。在水庫(kù)大壩管理中心建立監(jiān)控大壩安全性態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí)按“中心管理、多端瀏覽”的需求,允許遠(yuǎn)程用戶(hù)按特定的權(quán)限訪問(wèn)管理中心的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),查看有關(guān)信息、圖表等。

1.2.2 監(jiān)測(cè)信息分析技術(shù)

系統(tǒng)中對(duì)監(jiān)測(cè)信息的分析方法主要有逐步回歸分析法、基本粒子群算法及改進(jìn)粒子群算法。逐步回歸分析法是從一個(gè)預(yù)報(bào)因子開(kāi)始,將各預(yù)報(bào)因子按其對(duì)因變量作用的顯著程度,從大到小依次引入回歸方程,直到顯著因子都包括在回歸方程以?xún)?nèi)為止,由此建立監(jiān)測(cè)資料的回歸預(yù)報(bào)模型。仿生算法的興起為大壩安全監(jiān)控領(lǐng)域提供了新的思路,粒子群算法是近幾年備受關(guān)注的仿生優(yōu)化算法。該算法概念清晰、參數(shù)少、簡(jiǎn)單易行,已廣泛用于參數(shù)反演、函數(shù)優(yōu)化、優(yōu)化組合等問(wèn)題。本系統(tǒng)采用了改進(jìn)粒子群算法,應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的在線分析,建立中、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型。

1.2.3 專(zhuān)業(yè)分析程序

專(zhuān)業(yè)分析程序主要用于識(shí)別監(jiān)測(cè)異常或建筑物異常和險(xiǎn)情,建立變形、應(yīng)力和滲流的預(yù)警指標(biāo),供實(shí)時(shí)分析和監(jiān)控以及預(yù)警調(diào)用。專(zhuān)業(yè)分析程序主要包括:①?gòu)椥杂邢拊治觥椝苄杂邢拊治龀绦?。?duì)于混凝土壩,可以認(rèn)為除局部應(yīng)力集中外,在已知各項(xiàng)荷載的作用下,壩體混凝土均處于彈性范圍內(nèi),可采用黏彈性本構(gòu)模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析,確定結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力及其一級(jí)預(yù)警指標(biāo)。巖質(zhì)邊坡等在自重及外荷載作用下,結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)材料的屈服應(yīng)力,進(jìn)入塑性狀態(tài),應(yīng)力應(yīng)變不再呈線性關(guān)系,因此,可采用黏彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析,確定結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力以及一級(jí)和二級(jí)預(yù)警指標(biāo)。②滲流分析程序。滲流分析程序包括各向異性介質(zhì)的非穩(wěn)定飽和-非飽和二維和三維有限元分析程序,主要用于對(duì)壩基和兩岸的滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析,確定揚(yáng)壓力、滲透坡降、滲流量及其預(yù)警指標(biāo)等,并為結(jié)構(gòu)分析提供荷載。③非連續(xù)變形分析程序。非連續(xù)變形分析是一種嶄新的研究非連續(xù)塊體系統(tǒng)不連續(xù)位移和變形的數(shù)值分析方法,不僅可以計(jì)算塊體系統(tǒng)的小變形小位移,而且可以計(jì)算塊體系統(tǒng)的大變形大位移,可以模擬塊體從小變形到大變形破壞的整個(gè)過(guò)程。由于重力壩和拱壩等都是依據(jù)穩(wěn)定和強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的,位移并非其控制標(biāo)準(zhǔn)。采用非連續(xù)變形分析可以建立結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下變形與穩(wěn)定和強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而確定一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)預(yù)警指標(biāo)。④溫度場(chǎng)分析程序。該程序用以分析確定混凝土壩運(yùn)行期的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng),確定溫度荷載,供結(jié)構(gòu)分析程序調(diào)用。同時(shí),也可以為施工期混凝土溫度監(jiān)測(cè)和控制提供理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

根據(jù)大型系統(tǒng)軟件工程研制和開(kāi)發(fā)流程,結(jié)合本系統(tǒng)的功能要求,對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),規(guī)劃菜單和子系統(tǒng),繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程圖,細(xì)化功能模塊,編制實(shí)施細(xì)則。本系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要功能示意圖

系統(tǒng)具備廣域網(wǎng)遠(yuǎn)程瀏覽和查詢(xún)功能,可供多個(gè)授權(quán)用戶(hù)在Internet網(wǎng)絡(luò)瀏覽和查詢(xún)水庫(kù)大壩安全資料及安全監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)預(yù)警信息。授權(quán)用戶(hù)(含上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和主管部門(mén))的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)瀏覽器,按指定的權(quán)限訪問(wèn)管理中心的數(shù)據(jù)庫(kù),查看相關(guān)的信息、圖表等。評(píng)判專(zhuān)家可以通過(guò)局域網(wǎng)直接查詢(xún)和調(diào)閱管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有相關(guān)資料和數(shù)據(jù)信息等。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)的基礎(chǔ),是保證系統(tǒng)各功能模塊正常高效運(yùn)行的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí),首先進(jìn)行需求分析,找出應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)操作任務(wù),形成需求分析說(shuō)明書(shū),并根據(jù)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行概念數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),形成概念數(shù)據(jù)庫(kù)模式;然后進(jìn)行邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),形成特定的數(shù)據(jù)模型;最后進(jìn)行物理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需求分析和概念數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)可以獨(dú)立于任何數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)以外進(jìn)行。邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和物理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)密切相關(guān)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程

2.3 系統(tǒng)的控制界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)龐大的軟件系統(tǒng)工程,為了保證系統(tǒng)安全正常運(yùn)行,需要有良好的菜單系統(tǒng)。本系統(tǒng)的集成主要依靠菜單系統(tǒng)。系統(tǒng)一級(jí)菜單為系統(tǒng)功能模塊的集成,負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)各個(gè)組成子系統(tǒng)及其功能模塊。本系統(tǒng)共設(shè)有8個(gè)一級(jí)菜單,主控界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主菜單

系統(tǒng)模塊主要是幫助用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的日常維護(hù)和管理。工程檔案模塊主要是管理工程資料庫(kù)中與大壩安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工、影像等資料。監(jiān)測(cè)儀器模塊主要是對(duì)工程中布置的監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的基本信息進(jìn)行科學(xué)的管理。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊主要對(duì)人工、半自動(dòng)化、自動(dòng)化等3種采集方式得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的管理,用戶(hù)可以通過(guò)交互界面查詢(xún)、整編并以報(bào)表等多種形式輸出所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。查詢(xún)模塊主要對(duì)各測(cè)點(diǎn)信息及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行查詢(xún)。幫助模塊主要幫助用戶(hù)熟悉了解本系統(tǒng)的組成和功能等。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析預(yù)警子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)評(píng)判大壩的關(guān)鍵問(wèn)題、關(guān)鍵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目或關(guān)鍵部位監(jiān)測(cè)資料的力學(xué)規(guī)律性,以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)和問(wèn)題。對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),變形、滲流和應(yīng)力等監(jiān)測(cè)資料可以隨時(shí)采集,其采集的時(shí)間間隔較短,甚至可以根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的標(biāo)準(zhǔn)任意指定。實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)的核心模塊始終在后臺(tái)運(yùn)行,它及時(shí)掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)庫(kù)(掃描時(shí)間可以根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集時(shí)間間隔設(shè)定),如發(fā)現(xiàn)新增監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),就調(diào)用本系統(tǒng)內(nèi)置的批量錄入程序?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)入原始數(shù)據(jù)庫(kù),隨后調(diào)用監(jiān)測(cè)資料預(yù)處理和整編程序,將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整編并存儲(chǔ)進(jìn)入整編數(shù)據(jù)庫(kù)。這時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)的顯示核心模塊可將新增監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上,并調(diào)用分析數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)設(shè)的評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判。若發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)和問(wèn)題,立即發(fā)出提示信息。

由于控制大壩安全的關(guān)鍵項(xiàng)目不止一個(gè),也非全部監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,因此本系統(tǒng)選擇變形(壩頂水平位移)、滲流(壩基揚(yáng)壓力)、應(yīng)力(壩踵應(yīng)力)等常見(jiàn)的具有代表性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí),考慮到通用性和靈活性,該子系統(tǒng)對(duì)于未建模的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行提示,并預(yù)設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)控通道,用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,設(shè)置坐標(biāo)軸,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外,實(shí)時(shí)監(jiān)控的掃描時(shí)間間隔也可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的實(shí)際情況由用戶(hù)自主設(shè)置。

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)評(píng)估子系統(tǒng)包括單測(cè)點(diǎn)評(píng)估和多測(cè)點(diǎn)評(píng)估,用戶(hù)可根據(jù)自己的需要選擇不同的評(píng)估方法。多測(cè)點(diǎn)評(píng)估的操控界面如圖4所示。

圖4 大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

3.2 分析預(yù)警子系統(tǒng)

分析預(yù)警子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)調(diào)用分析方法庫(kù)中的程序和專(zhuān)業(yè)知識(shí)構(gòu)建監(jiān)控模型,并應(yīng)用監(jiān)控模型對(duì)變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)資料以及環(huán)境量、相關(guān)監(jiān)測(cè)量和相同監(jiān)測(cè)量進(jìn)行計(jì)算分析,快速發(fā)現(xiàn)異常測(cè)值,并對(duì)異常測(cè)值擬定報(bào)警級(jí)別。調(diào)用結(jié)構(gòu)分析程序、滲流分析程序和溫度場(chǎng)分析程序等內(nèi)置程序?qū)误w、壩基以及壩肩岸坡等進(jìn)行必要的計(jì)算分析,了解大壩的工作性態(tài),并結(jié)合監(jiān)測(cè)資料分析確定預(yù)警指標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料及其評(píng)判結(jié)果,考慮各類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在大壩安全中的重要程度及異常程度,對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并擬定報(bào)警級(jí)別,實(shí)現(xiàn)預(yù)警?，F(xiàn)以平班大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的測(cè)點(diǎn)B6P-1為例簡(jiǎn)要介紹該模塊。

a.選取建模方法,包括選取監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)段、監(jiān)測(cè)物理量以及各影響分量等,從整編數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取這些監(jiān)測(cè)資料,并進(jìn)行建模計(jì)算。建模所得結(jié)果包括統(tǒng)計(jì)模型表達(dá)式、模型復(fù)相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差以及各影響因子的擬合過(guò)程線等。建模計(jì)算完成后將結(jié)果顯示在監(jiān)控界面上,并繪出該測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值、模型擬合值和殘差等過(guò)程線,如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)B6P-1統(tǒng)計(jì)模型擬合成果

b.將建模所得結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,保存的數(shù)據(jù)包括:各監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的水壓、溫度和時(shí)效等各影響分量、模型標(biāo)準(zhǔn)差和復(fù)相關(guān)系數(shù)等。

c.選取需分析預(yù)警的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)段、監(jiān)測(cè)物理量、相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)等,經(jīng)綜合分析后給出評(píng)價(jià)結(jié)果,如圖6所示,包括實(shí)測(cè)值、模型計(jì)算值、環(huán)境量(上游水位、下游水位和氣溫等)、殘差過(guò)程線等,并對(duì)異常值進(jìn)行整理歸類(lèi)、集中顯示。

圖6 測(cè)點(diǎn)B6P-1分析預(yù)警界面

本系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)分3級(jí),用戶(hù)可以根據(jù)施工期、蓄水初期和正常運(yùn)行期等不同階段的實(shí)際情況,調(diào)用本系統(tǒng)的內(nèi)置分析程序和操控工具擬定、更改監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)的預(yù)警指標(biāo)。因此,本系統(tǒng)具有良好的通用性和可操作性。

4 結(jié) 語(yǔ)

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化是安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì),建立大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩安全運(yùn)行和科學(xué)管理的必要保障。本文主要介紹了大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的主要功能組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要控制界面,以及核心子系統(tǒng)(實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析預(yù)警子系統(tǒng))的主要模塊功能。大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)以解決大壩安全管理和分析評(píng)價(jià)為重點(diǎn),遵循大壩安全監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程和要求,采用功能完善、操作靈活、運(yùn)行可靠、實(shí)用先進(jìn)的硬(軟)件,以解決工程和管理中的實(shí)際問(wèn)題為第一目標(biāo)。系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)模塊都按照國(guó)家相應(yīng)規(guī)范、規(guī)定和要求進(jìn)行研制和開(kāi)發(fā),并且充分考慮了系統(tǒng)的通用性,實(shí)現(xiàn)了模塊標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的應(yīng)用管理目標(biāo),并滿足實(shí)用性、可靠性和實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)已在紅水河南盤(pán)江平班水電站、長(zhǎng)江三峽水利樞紐、資水株溪口水電站、龍河藤子溝水電站等工程大壩安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用,使用效果良好。該成果已獲得中國(guó)水利水電建設(shè)集團(tuán)公司 2009年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

致謝:本系統(tǒng)規(guī)模巨大,參與研制和開(kāi)發(fā)的人員還有劉強(qiáng)、王偉、劉士佳、周磊、溫志萍、毛春梅、徐力群、唐志賢、張鋒、江世勇、田承宇、丁長(zhǎng)青等,在此表示感謝。

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Development of real-time monitoring and early warning system of dam safety

SHEN Zhen-zhong1,CHEN Yun-ping1,Wang Cheng2,LI Tao-fan3,LI Ze-yuan3(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Water Resources Investigation,Design and Research Institute of HuaiAn City,HuaiAn223005,China;3.Design and Institute of SINOHYDRO Engineering Bureau8,Changsha410007,China)

For the safe operation and scientific management of dams under the new situation,a professional management software system for water conservancy and hydropower engineering,real-time monitoring and early warning system of dam safety,was developed according to the development trend of domestic and international water conservancy and hydropower project construction and management.The main functions of the system,the design of the overall structure,the design of database as well as the functions of two core subsystems of real-time monitoring and early warning analysis were introduced.The technical routes of the real-time monitoring and early warning analysis and the structure of the system data flow were demonstrated,and an application example of the system was given.The test results show that the proposed system is universal,practical,reliable and effective.

dam safety;monitoring data;real-time monitoring;early warning;database

TV698.1

A

1006-7647(2010)03-0068-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.018

國(guó)家自然科學(xué)基金(50809025);河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)(2009586012)

沈振中(1968—),男,江蘇吳江人,教授,博士,從事水工結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和監(jiān)控研究。E-mail:zhzhshen@hhu.edu.cn

2009-08-01 編輯:駱超)