土石壩安全隱患應(yīng)急處理決策支持系統(tǒng)的實現(xiàn)

劉成棟 張凱 向衍 方致遠

摘要：為建立健全土石壩安全隱患挖掘體系并實現(xiàn)隱患應(yīng)急處理決策的數(shù)字信息化，基于B/S架構(gòu)建立了土石壩安全隱患應(yīng)急處理決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)于手機軟件端和在線網(wǎng)頁端，通過對診斷資料進行信息融合分析，智能判斷其隱患成因，并依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范及專家咨詢意見提出相應(yīng)的處置對策。該系統(tǒng)已在多個水利工程中得到成功應(yīng)用，系統(tǒng)功能的完善與推廣對我國水庫安全科學(xué)管理具有一定的推動作用。

關(guān)鍵詞：B/S架構(gòu)；隱患挖掘；應(yīng)急處置；系統(tǒng)開發(fā)；土石壩

中圖分類號：TV698.1 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.027

根據(jù)第一次全國水利普查成果，我國現(xiàn)有98002座水庫大壩，總庫容9323.12億m3，其中土石壩是最普遍的一種壩型。與其他壩型相比，土石壩數(shù)量占絕對優(yōu)勢，全世界土石壩數(shù)量占大壩總數(shù)的82.9%，在我國約為93%。我國大部分水庫建于20世紀(jì)50-70年代，限于當(dāng)時的技術(shù)水平和經(jīng)濟條件，水庫工程防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低、質(zhì)量較差，其中大部分是小型壩，小型壩中的90%以上是土石壩，水庫往往存在不同程度的設(shè)施老化、失修，庫區(qū)出現(xiàn)了滑坡、涵洞滲漏等嚴(yán)重隱患，工程管理與運行維護經(jīng)費無正常投入渠道，安全問題突出。我國自1954年有潰壩記錄以來，到2014年的61a間共發(fā)生潰壩3530座，年均潰壩57.9座，已潰決的絕大多數(shù)是土石壩。當(dāng)前土石壩安全隱患應(yīng)急處理存在著發(fā)現(xiàn)不及時、類別判斷不準(zhǔn)確、處理不當(dāng)、管理水平不高等問題，因此建立健全土石壩安全隱患挖掘與應(yīng)急處理決策體系至關(guān)重要，這對于保障人民生命財產(chǎn)安全具有重大意義，也符合我國水利管理信息化的趨勢。鑒于此，筆者基于B/S架構(gòu)設(shè)計，面向電腦及手機等使用率較高的通信設(shè)備，建立土石壩安全隱患應(yīng)急處理決策支持系統(tǒng)，以期為水庫管理者提供土石壩主要安全隱患的診斷分析、相應(yīng)的處置措施和類似案例輔助決策。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與模塊功能設(shè)置

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于B/S架構(gòu).結(jié)合目前應(yīng)用廣泛且方便快捷的手機軟件，建立土石壩安全隱患應(yīng)急處理決策支持系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。為獲得精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果，系統(tǒng)綜合運用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，系統(tǒng)推理過程見圖2。

整個系統(tǒng)的推理架構(gòu)分為處理層、診斷層、決策層：①處理層主要整合水庫大壩安全信息的基礎(chǔ)素材（基本信息、運行狀態(tài)信息、管理狀態(tài)信息等），為判斷水庫大壩運行現(xiàn)狀安全與否提供評價依據(jù)；②診斷層基于處理層提供的水庫大壩安全信息評估水庫大壩當(dāng)前安全現(xiàn)狀，即先將監(jiān)測信息與其他信息得到的結(jié)論進行耦合，通過數(shù)據(jù)推理、融合、挖掘等技術(shù)得到水庫大壩最終診斷結(jié)論，若結(jié)論合理則進入下一層，否則向上一級管理人員反饋，以補充更完備的資料信息再進行診斷，或進行專家研討以找出相關(guān)問題；③決策層是基于綜合診斷層的診斷結(jié)論提出相關(guān)處置建議，同時調(diào)出相關(guān)工程的處置案例，以輔助決策者作出相關(guān)決策，最后作出水庫大壩的診斷及處置報告。

1.2 功能模塊設(shè)置

系統(tǒng)由知識庫和推理機組成，依據(jù)功能劃分為管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、智能診斷模塊、處置模塊，見圖3。

（1）管理模塊。管理模塊包含人機交互界面與管理系統(tǒng)。人機交互界面主要用于獲取用戶信息并進行實時反饋，提供現(xiàn)象文本、建議文本、結(jié)論文本和對象選擇輸入等多項內(nèi)容，滿足系統(tǒng)的需要。用戶通過界面實時將土石壩相關(guān)信息的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的指示表現(xiàn)形式，而后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入知識庫進行處理，并將輸出結(jié)果進行逆向處理，經(jīng)由人機交互界面輸出用戶所熟悉的知識表達方式[1]。主要功能為：知識的更新、刪除和修改，使系統(tǒng)與時俱進；統(tǒng)籌模塊中的組織結(jié)構(gòu)、人員信息、責(zé)任范圍、級別等信息，根據(jù)級別確定人員工作任務(wù)和系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可查看范圍。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊主要用于接收和記憶用戶輸入的相關(guān)信息轉(zhuǎn)化后的知識，主要為規(guī)則模塊的推理和判斷提供相應(yīng)素材，系統(tǒng)輸出結(jié)果的精準(zhǔn)程度主要取決于數(shù)據(jù)的完備程度。

（3）智能診斷模塊。土石壩工作性態(tài)參數(shù)變異性大、評判準(zhǔn)則繁雜、工作環(huán)境多樣化對病險壩診斷造成極大干擾，因此精準(zhǔn)判斷土石壩的工作狀態(tài)是系統(tǒng)要解決的重點問題[2]。該模塊的作用是通過待判斷土石壩的輸入知識來判斷其隱患成因，主要依據(jù)各類規(guī)范、土石壩壩工理論、安全監(jiān)控理論等，收集有關(guān)專家對大壩安全分析和評價的咨詢意見，進行歸納總結(jié)，進而形成相應(yīng)的評判準(zhǔn)則。此外，結(jié)合物探及人工巡查信息與歷年病險處置經(jīng)驗數(shù)據(jù)挖掘后得到的對應(yīng)結(jié)果，進行針對案例的判別。分析結(jié)論作為隱患處置的依據(jù)。

（4）處置模塊。隱患確定后，將隱患成因分析結(jié)論輸入處置模塊，由處置模塊判別后生成相應(yīng)的應(yīng)急處置措施。一種病害常常有不同的處置方法，而不同病害的處置方法也并非相互獨立，往往一種方法既可以處置滲漏問題，也可以處置裂縫和滑坡問題，選擇處置方法時需綜合考慮。處置模塊根據(jù)隱患數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的判別準(zhǔn)則，選擇一種或多種處置方法，并導(dǎo)出相應(yīng)處置措施，最后將輸出結(jié)果顯示在人機交互界面。模塊在生成最終處置決策的同時，根據(jù)隱患的類型和對應(yīng)的關(guān)聯(lián)處置案例剖析，導(dǎo)出與之對應(yīng)的正反處置案例，最后生成報告并輸出，以幫助決策者制定最終的處置措施。

2 基于多源信息融合的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型

2.1 多源信息融合數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型

實現(xiàn)信息融合的關(guān)鍵是創(chuàng)建所依托的信息庫，而信息庫的構(gòu)建主要為概念模型、邏輯模型與物理模型的構(gòu)建[3]以及這些模型依次轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)過程構(gòu)建。信息庫開發(fā)過程中各模型的關(guān)系見圖4。

2.2 多源信息融合數(shù)據(jù)庫概念模型

數(shù)據(jù)庫概念模型的構(gòu)建就是給出一個信息融合的粗略藍圖，包含整個系統(tǒng)中各個模塊事務(wù)處理數(shù)據(jù)及相互關(guān)系，其設(shè)計結(jié)構(gòu)模式采用雪花模式[4]，見圖5。圖5中央是事實表，是按照主體形式存儲的大壩安全信息中的基本信息。事實表的周圍是維度表，用于從不同角度在事實表中選擇數(shù)據(jù)行，起到連接事實表和詳細類別表的作用。維度表展開，得到次雪花。以監(jiān)測信息雪花模型為例，見圖6。

2.3 多源信息融合數(shù)據(jù)庫邏輯模型

對概念模型的細分即為邏輯模型，在模型中每個主題域及指標(biāo)實體都有相對應(yīng)的邏輯模型，每個邏輯模型中包含4個基本結(jié)構(gòu)：一級數(shù)據(jù)組、二級數(shù)據(jù)組、聯(lián)接數(shù)據(jù)組和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組。以監(jiān)測系統(tǒng)中一個測點為例，其模型框架見圖7。

2.4 多源信息融合數(shù)據(jù)庫物理模型

物理模型的作用是確定邏輯模型中各組數(shù)據(jù)的存儲模式以及各種索引模式，存儲采用磁盤陣列（RAID）的方式。物理模型中采用位圖連接索引模式，以改善連接維度表與事實表查詢的性能。該索引由一系列的位組成，其中每位對應(yīng)表中一條記錄，第一位對應(yīng)物理位置上的第一條記錄，第二位對應(yīng)第二條物理記錄，每條記錄按照這一規(guī)律一一對應(yīng)，對索引列進行布爾測試，將該位設(shè)置為開關(guān)狀態(tài)。

2.5 多源信息融合數(shù)據(jù)庫模型連接

元數(shù)據(jù)作為描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，賦予數(shù)據(jù)現(xiàn)實的含義。元數(shù)據(jù)貫穿數(shù)據(jù)融合模型，相當(dāng)于信息庫中的第二類信息，即描述信息庫的信息。它聯(lián)系數(shù)據(jù)倉庫與信息融合模型，使信息融合模型依托于數(shù)據(jù)倉庫得以實現(xiàn)。相關(guān)信息的數(shù)據(jù)表構(gòu)成信息融合的概念模型，而數(shù)據(jù)表之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系和關(guān)聯(lián)字段參考圖5、圖6，這些雪花模型即是信息融合邏輯模型的縮影，它展示了信息庫中的數(shù)據(jù)關(guān)系。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

（1）Web服務(wù)器：Windows 2008 Sever操作系統(tǒng)，IIS 7.5。

（2）數(shù)據(jù)庫管理平臺：Microsoft MYSQL。

（3）編程環(huán)境：系統(tǒng)開發(fā)工具以JAVA為基礎(chǔ)，有關(guān)組件、圖形等開發(fā)利用第三方控件。

（4）前臺頁面設(shè)計軟件：Dream Weaver、Photoshop、Flash等。

3.2 系統(tǒng)運行環(huán)境

工作站和一般客戶端：Windows 2007/XP/VISTA操作系統(tǒng)；PⅢ 500/1G/10G以上，Internet Explorer6.0或更高。

3.3 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)分為以數(shù)據(jù)采集和預(yù)警為主的APP（手機軟件端），數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢和處理的Web端（在線網(wǎng)頁端）。通過手機端的APP，可以進行水庫大壩信息的采集和修改，采集到的信息存儲于手機中可通過云端上傳或數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问綄?dǎo)入Web端系統(tǒng)，也可以在APP上查詢已往生成的報告及相關(guān)信息。Web端系統(tǒng)通過登錄界面進入，可實現(xiàn)登錄、注冊以及密碼設(shè)置等相關(guān)業(yè)務(wù)。登錄后進入主頁，主頁中有工程概況、信息庫、智能診斷、問題報告4個子選項。信息庫一級菜單有監(jiān)測項目、巡查項目、物探信息等，其中監(jiān)測項目菜單下包含新增項目、考證信息、斷面信息、布置圖、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)入6個子菜單。用戶可以通過智能診斷管理界面查詢水庫大壩存在的主要安全隱患。界面通過異常特征表述、部位隱患來判斷主要隱患，若存在圖片，則同時配以相關(guān)圖片作為依據(jù)。處置決策為最后的輸出成果，為使用者處理隱患提供決策輔助。

4 工程實例

云南某水庫是一座以防洪為主結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用的中型水庫，水庫興利庫容2630萬m3，調(diào)洪庫容495萬m3。攔河大壩為均質(zhì)土壩。壩體內(nèi)設(shè)有浸潤線觀測管，布置2列、5排共11處觀測孔，分別位于大壩迎水面1排2根（UP1、UP5）、后壩坡面4排共9根（UP2、UP6，UP3、UP7，UP4、UP8，UP9、UP10、UP11），測點平面布置見圖8。

先將相關(guān)資料導(dǎo)入對應(yīng)頁面，本次診斷的資料包括：水庫工程特性參數(shù)、上下游水位數(shù)據(jù)、測壓管水位數(shù)據(jù)與測點信息、人工巡查信息、高密度電法探測信息等。最終輸出界面見圖9。

輸出結(jié)果顯示右壩肩存在繞滲現(xiàn)象、壩后滲水較嚴(yán)重。因此，大壩滲流安全鑒定結(jié)果為：①歷次地勘資料分析表明，右壩肩存在陡傾節(jié)理，前期灌漿受節(jié)理陡傾產(chǎn)狀影響，效果不佳，造成下游壩坡滲漏；②壩體填筑過程中雨季停工造成臨時度汛壩體與后填筑壩體結(jié)合面接觸不良，也是下游壩坡出現(xiàn)滲漏的重要原因；③觀測資料分析表明，下游第4排測壓管受右岸繞壩滲漏影響，管內(nèi)水位比第3排測壓管水位受庫水位影響更大；④滲流計算表明，壩體填土局部防滲性能差，高水位工況下下游壩坡滲透穩(wěn)定不滿足要求，壩體滲漏量大；⑤高密度電法檢測表明，壩體填土較松散，局部存在中等透水層，右壩肩裂隙發(fā)育，存在中等透水層。

該系統(tǒng)診斷結(jié)果與實際分析結(jié)果基本一致，處置建議為：①設(shè)置排水明（暗）溝或減壓井（溝），并對滲流出口采取反濾保護措施，以解決右壩肩繞滲問題；②采用濾層導(dǎo)滲法搶護措施防止壩后滲水。

5 結(jié)語

基于壩工知識、數(shù)據(jù)挖掘方法、人工智能方法、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫安全技術(shù)等，探討了基于B/S架構(gòu)下土石壩安全隱患應(yīng)急處理決策支持系統(tǒng)的實現(xiàn)，完成了系統(tǒng)的推理架構(gòu)以及功能模塊的設(shè)置，開發(fā)了基于多源信息融合的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型，研究了土石壩安全隱患信息庫開發(fā)中的各模型設(shè)置及模型間的連接關(guān)系，提出了基于土石壩安全信息的雪花模型。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)為水庫大壩的安全運行與高效管理提供了決策支持，也順應(yīng)了我國水利管理信息化的趨勢。

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