抽水蓄能电站水工建筑物专家分析库系统的研究与开发

陈照阳 刘强 周强

摘要：随着我国抽水蓄能电站的建设，对抽水蓄能电站水工建筑物进行实时安全评价是电站安全运行的重要保障。文章通过对抽水蓄能电站水工建筑物安全监测的主要问题进行分析，采用产生式专家系统方法，结合最新的计算机软件技术，对抽水蓄能电站水工建筑物安全综合分析推理系统进行了研究与开发。

关键词：抽水蓄能电站；水工建筑物；专家分析系统；安全监测；综合分析推理 文献标识码：A

中图分类号：TV743 文章编号：1009-2374（2016）05-0016-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.009

1 概述

随着国家节能、环保、绿色能源政策的推行，作为国家电网下拥有最多的调峰填谷资源直属企业，在新一轮的抽蓄建设高潮及一批批在建蓄能电站相继投产的形势下，建设管理公司的关注重点逐步转移到电站开发、建设与运营并重和均衡发展上。为保证电网安全运行，需要实时对抽水蓄能电站水工建筑物进行安全评价。

一般在进行水工建筑物安全分析评价时，常常是通过对单一观测量进行定性分析和定量分析来确定大坝的工作性态。但是水工建筑物结构和工作条件复杂，各种单一观测量之间存在一定的联系，因此大坝安全评价需要根据不同部位不同项目的多因素观测数据综合进行。研究以抽水蓄能电站水工建筑物各项安全自动化监测数据和人工监测数据为基础，采用综合评价模型和方法，建立水工建筑物安全综合分析评价系统，对建筑物性态进行在线和离线分析及安全评估，确定结构的异常程度，对建筑物的安全状况进行判断是很有实用意义的。

目前大坝安全综合分析评价系统中所采用的方法主要有专家评估法、专家系统、综合法、模糊综合法和模式识别法等。抽水蓄能电站水工建筑物安全评价的对象除了上库大坝、下库大坝以外，还有抽水蓄能电站所特有的库盆、引水系统和地下厂房等水工建筑物。目前所具有的综合分析层次、权重等相对于常规大坝目前所具有的经验较少，同时设计单位目前所能提供的设计指标主要根据设计阶段的有关计算和经验判断给出。一般来说，运行期监控指标需要在运行过程中结合设计指标以及实际监测资料综合分析来拟定，因此难以通过现有单测点监控指标的判别实现对水工建筑物整体的安全评价和监控。综合分析认为，基于单测点监控指标判别的产生式专家系统综合分析评价方法相对更适宜目前抽水蓄能电站水工建筑综合分析推理子系统的研究和开发。这种方法通过统计模型或设计值建立起来的安全监控指标，根据现有水工建筑物设计和监测项目建立相应的推理规则，能快速、合理地评价建筑物安全运行状态。

2 抽水蓄能电站枢纽布置与安全监测项目设置

抽水蓄能电站枢纽工程水工建筑物一般由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群等组成。上水库较多采用全库盆沥青混凝土（如天荒坪抽水蓄能电站上水库）和全库盆钢筋混凝土面板（如十三陵、宜兴抽水蓄能电站上水库）的防渗形式。近年来，随着科技的进步，也有采用钢筋混凝土面板库岸和库底土工膜联合防渗的形式（如泰安抽水蓄能电站上水库）或沥青混凝土面板和库底黏土联合防渗形式（宝泉抽水蓄能电站上水库）。输水系统一般由进/出水口、引水隧洞、岔管、高压支管等组成。地下厂房及尾水系统一般由主厂房及安装场、主变洞、尾水隧洞等组成。下水库一般利用已建的水库加固改建而成，大坝一般为常规混凝土坝或者土石坝。

上、下水库环境量监测主要为库水位监测，气温和降雨量一般引自水情自动测报系统监测数据。

上水库主要监测大坝的表面和内部变形，典型断面坝体和坝基的渗压。上水库库盆主要监测库盆和库岸边坡的变形、库盆内部沉降、库盘底部渗压以及渗流量。输水系统的监测项目主要有围岩应力、变形、渗流监测、支护结构变形、应力监测及其外水压力监测等。

地下厂房及尾水系统布置的监测项目一般主要有外水压力、围岩变形、锚杆应力、锚索张力、衬砌混凝土应力应变、钢筋应力等。

下水库大坝一般按照常规大坝要求布置有水平位移、沉降、坝基或坝体渗压、渗流量等监测项目。

3 安全综合分析推理系统方法

3.1 系统技术路线

抽水蓄能电站水工建筑物安全综合分析推理系统按照基于产生式专家系统的决策支持系统（DSS）的模式进行研究和开发，主要目的是发现结构异常、确定异常程度。具体的技术路线如下：（1）对单个测点进行定量分析，然后对测点定量状态进行分类；（2）运用产生式专家系统技术实现实时在线结构异常发现和安全评价；（3）为分析人员提供良好离线综合分析的数据和模型支持。

抽水蓄能电站水工建筑物安全综合分析推理系统一般按照数据库、模型库、知识库以及对推理机的模式进行开发。数据库提供枢纽各建筑物不同监测项目的各类基础信息和监测数据。模型库提供枢纽各建筑物不同部位的各类统计模型分析模块，利用模型来判别测值的正常或异常性质。

知识库用于知识信息的存储，内容一般包括：（1）枢纽各类建筑物的设计监控指标；（2）专家知识规则。

安全综合分析推理系统需要采用开放的架构设计，作为一个子系统接入已有的安全监测信息管理系统或数据分析系统，子系统所需监测数据（含测点信息、自动化数据。人工数据、水情数据），以接口方式从其他监测数据库中获取，同时其他系统也可以使用接口的形式查询、发布子系统的分析推理结果。

3.2 推理机和知识库技术

系统以发现结构异常、确定异常程度为主要目标，因此系统采用产生式专家系统方法，推理采用正向推理。需要研究开发具有良好使用性能的通用不精确正向推理机。本系统采用了C#语言来实现通用不精确正向推理机，并以通用组件的形式实现了对知识库的操作。该推理机具有能在网络上共享、通用和不精确推理等特性，实现方便，可以基于它来构建功能更加强大的专家系统。

3.2.1 规则表示。系统建立的不精确推理机是用产生式规则进行知识表示，这种规则以标准的IF-THEN格式来表示知识模型。规则通常分为规则前件部分和规则后件部分，即条件部分和结论部分。规则的通常形式为：

IF A1，A2，A3，…，Am，THEN B1，B2，…，Bn

为了在数据库中存储以及后面的使用方便，将其拆分为：

IF A1，A2，A3，…，Am，THEN B1

IF Al，A2，A3，…，Am，THEN B2

IF A1，A2，A3，…，Am，IHEN Bn

即一条规则可以有多个前件子句，但只有一个结论子句。

3.2.2 知识库的设计。知识库主要用来表示规则前件（条件）、规则后件（结论）以及规则条件与规则结论的对应关系。

针对不同建筑物，按照推理对象等确定推理异常目标并编写推理目标的相关规则，形成知识库。

该知识库设计成可扩充的，可在水工建筑物运行过程中，根据建筑物可能发生的各种异常编写推理规则。

4 系统实现

4.1 系统软件架构

系统设计采用MVVM结构，具有低耦合、可重用、独立开发、可测试等特点。采用该设计模式可以避免当抽水蓄能电站监测数据量较大时采用传统WinForm或者WebForm时带来的响应缓慢的问题。

结合最新的数据库编程模型code first进行系统开发设计，大大简化系统设计和维护成本，满足以业务驱动为核心的领域驱动方式。使用了Linq查询和Lamda表达式等编程特性，提高程序响应性能。Code First是Entity Framework提供的一种新的编程模型。通过Code First，我们可以在设计数据库的同时开始编码，然后通过代码来生成数据库。这便于我们灵活设计有关推理对象、推理规则等的数据设计。

4.2 主要功能模块

4.2.1 推理对象管理。在进行综合分析推理时，按照监测项目、监测部位或者特殊的物理过程来设置推理对象，并组织该推理对象下相关的测点。

抽水蓄能电站投入运行后主要的工程问题包括上库大坝和库盆渗流以及大坝的不均匀变形可能产生裂缝、引水系统渗流以及变形等，这些问题是系统中需要分析的主要推理对象。对这些问题进行在线监控及分析（包括人工监测数据输入后的即时检查分析）。

系统可以增加、删除、修改相应的推理对象以及推理对象相关测点。用户可以在运行过程中根据可能出现的问题，增加相应的推理对象和推理规则。

4.2.2 监控指标管理。系统中目前采用统计模型监控指标、设计指标以及监控指标来对单测点进行判别。其中监控指标是指在运行过程中结合设计指标以及实际监测资料综合分析来拟定的监测指标；由于统计模型外延后和实测值比较时差别较大，采用固定模型进行统计模型判别效果较差，因此在系统中不管是否有设计指标和监控指标，系统始终通过统计模型来实时计算最新模型指标，从而实现对测点测值的判别。

系统可以按建筑物、推理对象过滤，选择测点设置综合分析推理所需的指标和参数。

4.2.3 知识库规则管理。知识库规则针对具体对象而开发，相同的分析对象可共用同一知识库或规则，同时设置相应的推理目标作为正向推理的终点。

规则和推理目标是针对前面某一个或多个具体的分析推理对象的特定问题开发的。在抽水蓄能电站综合分析推理系统开发过程中，在较为广泛地收集有关水工建筑物安全监测资料分析、安全鉴定等资料的基础上确定相应的知识库。用户可以增加、删除和修改规则库的相关规则和推理目标。

4.2.4 在线综合分析推理。在线综合分析推理按照设定的时间间隔自动运行，主要由单测点的各类标准检查、单点信息的定量化、在线综合推理等组成。用户可以在离线分析系统中查看在线分析结果和进行在线分析的有关设置。

（1）单点推理与检查。采用以单点统计模型及有关安全监控指标对新测数据进行单测点检查。在上述各类标准检查过程中，自动形成单个测点的定量信息，包括模型超界类型、监控指标、发展趋势等，从而确定测点异常程度。（2）在线综合推理。在单点定量化的基础上，按推理对象对监测量（测点）结果进行综合推理，以测量异常或结构异常为推理目标完成推理并对水工建筑物状态的自动评估，每次推理结果都保存在数据库中，方便用户查询。

4.2.5 离线综合分析推理。离线综合分析推理可以随时对各建筑物、各种推理对象和测点进行综合分析，对大坝性态做出综合判断。综合分析结果提供给管理人员充分的图形支持和模型支持，方便管理人员进行有关决策。

进行分析前，首先对建筑物进行单点分析，单点分析完成以后，系统对当前分析对象进行自动综合分析推理，并显示推理结果。有推理结果时，显示相应的推理目标（推理结论），无推理结果时显示“无与结构或测量异常的推理目标”，对尚未设立知识库（规则库）的分析对象，系统也做出相应的说明。所有推理对象的推理结果列表以及异常测点的推理结果以及所使用的规则和推理链明细都显示出来可进行查看。

离线分析还为分析人员提供了强有力的分析环境，不仅可对在线综合分析发现的疑点做进一步的分析处理，以利于分析人员根据自己的需要调用多种数据，用多种模型进行更广泛的综合分析，同时还可以修改模型参数对模型进行调整，以取得更满意的结果，进而实现系统的辅助决策功能。

常规大坝统计模型分析时候，所使用的环境量一般是某个固定时刻的水位、平均气温和日降水量。抽水蓄能电站水位波动较大，当监测量时刻与水位不一致时，可能会导致模型结果不能真实反映环境量的影响。因此，对于荷载影响较快的如混凝土结构变形、应力应变，应采用即时水位；对于影响滞后的监测量如渗压、渗流量等，可采用前期平均水位进行建模。

4.2.6 综合分析结果查询。综合分析结果查询是实现对建筑物的在线分析、离线分析结果及单点检查结果和分析推理过程的综合查询。查询包括建筑物分析结果查询，显示建筑物名称、综合分析推理结果、分析类型、综合评价结果、分析数据截止时间以及分析时间；单点检查结果查询，显示与当前分析对象有关的全部测点当前状态的定量评价结果，包括测点编号、测时、测值、模型、速率、时效、环境量、单点状态等对每项内容都给出了评价等级的具体划分方法或范围。各测点以不同的颜色显示，以区别测点的状态或异常程度；推理对象的推理结果列表以及异常测点的推理结果以及所使用的规则和推理链明细结果查询等。

5 结语

抽水蓄能电站水工建筑物专家分析库系统采用MVVM结构，客户端采用WPF技术，数据段端采用WCF方式访问，既利用了B/S容易部署和系统容易升级更新的优点，又整合了C/S用户响应速度快、用户体验好等特性。系统采用WPF技术结合WCF通信技术实现，解决了客户端与服务端交互时停止响应等待结果带来的时间消耗，提高了综合分析推理的效率。

针对抽水蓄能电站水工建筑物特点，以实时监测资料为基础，采用改进的统计数学模型并结合产生式专家系统方法对抽水蓄能电站水工建筑物安全性态进行快速评价。系统以水工建筑物安全问题为重点设计了推理对象，并可以灵活配置和扩展，开发相应的知识规则和推理目标，扩展和提升系统的使用效果。开发过程中对分析模型和推理机算法和知识库进行了抽象，使其可快速应用于国内外相似抽水蓄能电站监测系统。

参考文献

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作者简介：陈照阳（1982-），男，河南开封人，河南国网宝泉抽水蓄能有限公司工程师，研究方向：水利水电工程建设运行管理。

（责任编辑：周 琼）