库坝群全生命周期安全质量综合管控系统设计

张 岚，凌 骐

［南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211000］

0 引言

水库大坝作为水电开发的重要举措，能够促进环境友好的、对社会负责的和经济可行的水电发展。不同于一般的土木建筑物，库坝建筑物自勘探设计到施工完建，经历不确定因素较多、建造技术复杂、历时长环节多，竣工运行后受荷载长期作用和恶劣环境因素影响，结构物逐渐老化，存在可能发生事故的风险[1]。为降低或消除库坝生命周期中的各类风险，确保其安全和质量，要通过自动化、数字化、信息化等技术手段全面感知库坝施工质量和不同阶段运行性态，积极采用云计算、大数据、人工智能等新兴技术识别可能存在的安全隐患和风险，实现库坝全生命周期的安全质量综合管控。

近年来，国内大型流域公司、集团公司相继组建了库坝管理专业机构，由主管单位专业管理机构来承担运行单位的部分或全部库坝安全管理责任，推动库坝管理由分散独立运行模式向统一集中管控模式转变[2-3]。库坝群全生命周期安全质量综合管控系统（简称系统），适应了行业发展的形势和方向，通过统筹库坝群资源、规范业务流程、共享多源信息，对大坝及库区自然系统和人工系统进行更加及时、科学、全面的安全分析评估，加强库坝安全质量风险控制，为突发事件应急处置提供远程会商平台与技术支撑，基于集约化管理、精细化运行切实提升库坝群安全质量管理水平，促进工程与自然的和谐共处和持续发展[4-6]。

1 系统建设目标

建设库坝群综合管控数据中心。打通主管机构与各工程运行管理单位的信息采集和共享通道，实现安全质量相关信息资源的集中存储、共享访问和有效利用，为开展统一集中管理提供基础保障和支撑。

实现监督管理行为数字化。主管机构可通过远程监管和现场检查相结合的方式监管所辖库坝群，以信息化手段作为支持平台，建立程序化的标准业务流程和多维度的指标考核体系，优化配置流域性资源，将远程管理作为常规工作方式，提高监管效率和水平。

在线监控库坝群安全质量。实时监测和反馈控制大坝填筑碾压质量、施工进度和结构物运行性态，智能分析与评估施工作业正确性及大坝安全状态，识别可能存在的安全隐患和风险，为日常管理和科学决策提供有力的信息服务支持。

2 系统总体设计

系统按照“四个一、两张网”进行设计，即遵循一套技术标准、共用一个硬件基础，借助物联网和互联网两张网，建设一个数据中心，搭建一个综合的软件应用平台。从时间维度来看，系统不再将施工期和运行期的信息区分管理，而是在时间上形成一个完整的信息链；从空间维度看，系统将不同对象不同类型的信息统一集中管理，消除信息孤岛，实现（跨）流域数据信息共享。在此基础上综合分析评估施工质量和结构物安全性态，找出可能存在的安全隐患，为库坝群安全质量管控提供决策支撑。

系统的管理对象包括水库及河道堤岸等结构物、坝群及地下洞室等水工建筑物、库区泥石流等地质灾害体、库区交通建筑物以及水工隧洞和渠系建筑物等。系统用户主要覆盖库坝群各级管理单位和部门、库坝运行管理单位，面向提供辅助决策的专家用户，系统将提供专家咨询和会商环境，提供信息浏览、资料查询、意见反馈等功能。

图1是系统的架构示意图。在统一的技术标准和信息安全机制的支撑下，现地层利用各类传感器、摄像头、无人机、无人船等设备获取数据，并将与工程质量安全相关的信息送往数据层，然后通过服务层提供数据交互、报表、图形、报警、日志等通用服务，应用层利用下层获取的数据和服务，向用户提供各类应用，如全景监控、监测预警、应急响应等。整个系统采用开放性的架构，新的服务和应用都可以根据需要进行扩充。

图1 系统架构示意图Figure 1 Structural frame of dam groups integrated management and control system

3 系统主要功能

3.1 基础信息管理

基础信息包括与库坝安全质量管理相关的建筑物信息、日常监测信息和运行管理信息三大类，其中建筑物信息包括工程特性、气象水文、工程地质、设计施工图纸及文档等；日常监测信息包括各类监测数据、视频图像资料、巡检信息、定期整编及各类专题分析报告；运行管理信息包括管理规程、标准规范、安全检查情况、缺陷处理、补强加固以及从事安全管理的人员信息等。

针对上述基础信息，主要功能包括：

3.1.1 可视化浏览

基于WebGIS服务全面系统地展示库坝群的地理位置和基本信息，实时显示重要监测数据（如库前水位、入库流量等），通过点击地图热点可直接切换至单个库坝。借助三维可视化模型，全景展示单个库坝的安全监测系统及结构物的安全运行状态，实时反馈各类物理量变化规律，定位疑似异常部位，通过统一的三维模型使管理人员对各类空间信息正确理解和快速反应，全过程多维度监控库坝群安全质量，保障工程长期安全稳定。

3.1.2 查询统计

系统提供可组态的查询统计功能，针对库坝群基础信息，用户可灵活组态查询准则，如：统计当前已进入汛期的大型工程多少个、数据缺失率异常的重力坝多少座等，具体可根据现场需求扩展信息查询统计的标准。

3.1.3 输入输出

系统提供图表交互的方式，支持录入并修改基础信息，支持图形、表格及文档等资料的JPG、BMP、Excel、Word、PDF等格式输出。

3.2 施工质量管理

基于监测感应、GIS、GNSS、物联网通信、移动终端等多种技术，系统在线监测和反馈控制大坝填筑碾压质量、施工进度和结构物安全状态，智能分析与评估施工作业正确性并给出报警，并结合人工干预纠正不合规行为，确保施工质量和安全始终处于受控状态。

利用定位技术和施工车辆车载监测装置，可以实时监控大坝填筑施工和坝料运输、卸料过程，系统通过监测统计各项关键施工工序的质量控制参数，检查校准施工作业的正确性和完备性，一旦发现不合规行为，将关联终端PC和手持PDA设备立即报警，从而实现大坝施工的精细化管理、确保工程质量[7]。

3.3 工程安全评估

3.3.1 库区安全评估

针对库区安全管理，可采用巡视检查、无线定点探头、无人机巡视、无人船检测等手段形成“水陆空”全方位的安全监测体系。

通过建立规范化的作业流程，系统对库岸边坡稳定、库区周边、水面生态等项目进行实时监控和巡查管理，支持上传、下载、查询巡视检查结果，包含文档、影像信息。同时系统可与泄水建筑物运行管理系统形成联动机制，在开闸泄洪前，提示开启警戒广播或鸣警，提醒上、下游挖沙船、渔船等船只、人员离开保护区。

系统积极应用人工智能技术，实现库区静动态监测图像的智能筛查识别，定位可能存在病害的图像，为库区日常安全管理提供科学指导，降低事故风险。

3.3.2 大坝安全评估

智能分析管理大坝安全监测数据。针对各库坝报送的监测数据，系统应用大数据挖掘分析技术，从海量数据中提取出有效信息，最大限度地削弱监测误差对大坝安全分析评估带来的不利影响。基于提取结果，能够智能生成管理简报，对各电站数据报送质量予以统计考评，并通过饼图、柱形图、过程线、报表等多种组合形式对数据质量进行全方位多角度展示。监测数据异常的电站，系统将自动推送报警信息、故障预警；同时自动触发数据异常事件流，电站指定联系人反馈异常处理结果后，事件流方形成闭环结束，系统将定期整理通报事件流办理状况。

实时监控重点工程关键部位关键监测项目。为了及时掌控各库坝的安全运行性态，可考虑对重要大坝的重要监测量建立监控模型，系统实时监控对大坝安全具有控制意义的监测测点情况，一旦测值超限，将自动推送告警信息，并启动监控异常事件流，事件流的流程可根据管理制度来个性化定制，确保重点工程关键性测点在线评判、实时监控。

智能分析评估大坝安全状况。系统将建立数据驱动的大坝运行性态与安全状态的映射关系及分析模型，通过持续训练和学习不断优化完善关系模型，智能评估大坝当下的安全状态，识别可能存在的安全隐患和薄弱区域，并实现异常定位告警、根本原因分析和风险预测，全面提升大坝安全诊断的准确性、可靠性和实时性[8]。

3.4 地质灾害监测预警

系统对库区崩塌、滑坡、泥石流三类地质灾害体进行监测采集、数据处理、分析展示、预测预报及信息发布，通过对监测数据的自动分析判断，构建数学预测模型和预设监控值对地质灾害进行风险评估，实时掌握监测对象的健康状态，为及时防范、处置地质灾害和应急管理提供决策辅助和技术支撑[9]。

3.5 安全监管考评

系统提供库区安全监管指标创建、统计及管理的功能，用于评价各库坝运行管理单位监测数据采集、管理及巡检、维护等各项工作开展情况[10]。根据主管单位专业管理机构要求，系统可预先设定一系列指标，定期结合考核时段内的数据情况自动计算指标结果，并给出综合评分，主管机构可依据各单位评分情况，对其安全管理工作进行考评和指导，从而促进大坝安全管理水平的提升。

督促各电站开展大坝安全定期检查和鉴定工作。针对办理过注册登记、定检或备案的大坝，综合工程现状，系统按现行法规要求，自动拟定年度安全检查工作计划，督促各电站按期完成各项安全检查工作，并可对当前办理情况进行浏览查阅。

3.6 设备设施全生命周期管理

系统实施全生命周期的库坝建筑物及其附属安全监测设施信息管理。针对库坝结构本身，建立全生命周期的隐患、缺陷台账，记录施工期、试运行期及运行期不同阶段的结构隐患缺陷及其处置措施、处置结果；建立工程安全监测设备设施台账，涵盖安全监测传感器、数据采集装置、通信装置、计算机软硬件等各类对象，台账信息包括设备的基本信息、图形图像、历史维护记录、归属人员等。以设备设施及其维护管理为目标，实现水工设备设施维护信息的实时查询和管理。

3.7 应急响应

系统可查询各库坝运行单位事先制定的防台、防汛、防地质灾害、堤坝溃口险情等方面的应急抢险预案。当工程安全性状、水质状况、气象水文条件等出现超限险情或异常时，由现地系统触发报警，提醒用户当前所需要重点关注的工程，并给出相应的应急预案响应等级与响应措施。系统提供应急预案流程化工具，可自动执行应急预案流程。

3.8 移动应用

移动应用主要面向手机和平板电脑用户，为用户提供当前系统运行情况、重要即时信息、文档资料、监测数据图表的浏览查询，同时能够综合GPS定位技术、4G/3G/GPRS/WiFi网络传输、云数据处理等技术，用户可利用移动应用对区域内的指定地点、设备进行巡逻和检查，实现智能巡检。

4 结语

随着科技水平及管理观念的发展进步，国内越来越多的流域、梯级电站主管单位推行采取库坝集中统一管控模式，库坝群安全管理向着一体化、信息化、智能化方向发展。库坝群全生命周期安全质量综合管控系统引入全生命周期理念，综合考虑施工期和运行期不同阶段的业务需求和特点，应用流域化、集团化的优势，一方面在线管控库坝建设质量，另一方面综合评估大坝、库岸边坡、地质灾害体等结构及岩土体的安全性态，同时量化考评单个库坝运行管理工作内容，利用技术手段和管理创新助推效能提升，推动库坝群安全质量管理不断创新。