智能化大坝安全监测系统开发与研究

张宏祯，张鹏举，徐宝山

（甘肃省疏勒河流域水资源局,735211,玉门）

水库大坝安全监测与数据资料整编分析是大坝日常管理的一项重要工作。为准确掌握大坝运行状态，各个水库大坝都会根据大坝类型和规模设计监测项目，或者参考大坝安全监测规范开展大坝安全数据监测。由于数据分析主要依靠人工实现，造成观测数据不能及时有效处理，为水库大坝安全运行埋下隐患。近年，随着水利信息化的快速发展，计算机技术运用到水利行业的范围越来越广，水库大坝自动化监测技术和数据分析方法也取得了一定进展。目前，大部分水库大坝开始对安全监测设备进行更新改造，从原来的人工观测转变为自动观测，实现实时在线监测，在数据采集方面发挥了巨大的作用。但是,安全监测系统设计开发涉及信息化专业领域，相关人员缺乏水利业务知识，行业和领域之间缺乏深度结合，在数据分析方面依然存在许多问题和不足，仅仅停留在简单统计汇总上，不能为水库管理单位提供专业指导和智能评判。

一、基本情况

疏勒河灌区内建有昌马、双塔两座大（2）型水库和赤金峡1座中型水库，总库容4.72亿m3。昌马水库于2001年建成并蓄水，总库容1.934亿m3，是疏勒河流域的龙头工程。水库开工建设至运行至今，只有极少部分安全监测设备能够正常运行且只有手工观测记录数据而无分析成果，其余部分都处于废置状态。双塔水库始建于1958年，原设计总库容2.4亿m3，2016年对双塔水库进行除险加固维修改造工程，已经更新改造全部设施设备，能够实现自动观测和记录，但仍无法实现观测数据分析和处理，仅仅停留在数据统计层面。赤金峡水库始建于1958年，水库大坝安全监测手段整体落后，全部采用传统人工观测和统计分析。因此，疏勒河流域三座水库大坝安全观测设备和观测数据都未能达到规范要求，均不能实现自动化观测和自动分析，不能有效为水库的安全运行提供技术数据支撑和设备保障。

为保障水库大坝自身安全及下游灌区用水安全，本文通过对水库大坝安全监测综合系统的分析研究，以解决水库工程安全隐患为目标，开发一种基于云桌面超融合技术下大坝安全监测数据自动采集存储系统，为水库运行调度、防洪抗旱指挥提供直接、可靠、及时的信息及决策依据。

二、系统软件设计

1.系统构架组成

疏勒河智能化大坝安全监测系统主要基于疏勒河干流水资源监测和调度管理综合信息系统桌面云平台开发，桌面云超融合平台是通过虚拟化技术，将计算、存储、网络和网络功能（安全及优化）深度融合到一台标准X86服务器中，形成的标准化超融合单元。多个超融合单元通过网络方式汇聚成数据中心整IT基础架构，并通过统一的WEB管理平台实现可视化集中运维管理，IT架构可根据用户随需应变、平滑演进。

桌面云以服务器虚拟化为基础，允许多个用户桌面以虚拟机的形式独立运行，同时共享CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源。

智能化大坝安全监测系统可以实现大坝运行数据自动监测并以图、文信息进行发布，支持有权限的远程用户利用浏览器及移动端进行浏览查询。对大坝监测数据在统计模型、应力应变、渗压系数和监控指标等方面进行分析，利用数据在线评判功能模块，结合传统阈值比对独立预警和层次分析法，借助人工智能前沿成果，构建大坝安全目标综合评价体系，提供准确的大坝运行工况信息，辅助水库大坝运行预警，为管理人员提供决策支持信息。

该系统模块统一集成到疏勒河干流水资源监测和调度管理综合信息系统平台，以实现管理自动化和信息网络化，存储高效、扩展性强，为领导部门提供决策支持信息，使平台成为权威性基础数据信息中心。

（1）基于GIS的综合展示

平台能提供地理信息底图服务、工程部位、设备标注服务，实时预警状态显示服务。通过加载GIS底图，实时显示工程及传感器所在地图位置，查看监测仪器具体位置和相关动态数据，并依靠图标闪动等方式提示测站异常警告等信息。

（2）系统管理

系统信息管理模块是系统安全、稳定运行的基本保障，主要实现用户对系统的基本维护管理工作。主要包括工程管理、用户信息管理、修改密码、操作日志、权限管理、文档管理、基本资料管理等功能。

（3）设备管理

设备管理主要包括采集仪管理、传感器管理等。主要对安全监测的工程设备信息进行配置管理,可以进行设备的添加、查询、编辑和删除。

2.监测数据分析

数据分析包括统计模型分析、应力应变分析、渗压系数分析、监控指标分析、数据在线评判。

统计模型分析对选中的测点数据进行建模分析，得到测点各影响因素权重及拟合公式，解释监测量的变化规律和原因，分解监测量的组成成分，分析各影响量的对比关系，剔除粗差超限测点数据，对比剔除粗差前后测值过程线，并根据拟合模型预测环境量及测点数据。

应力应变分析对应变类测点（多向应变计和无应力计测点）数据进行分析，计算混凝土徐变应力及主应力。

渗压系数分析对渗流类测点（渗压计、测压管）数据进行分析，计算该测点的渗压系数。

监控指标分析对变形类（垂线仪、引张线等）测点数据进行统计分析，得到测点的监控指标最大、最小值信息。

监测数据评价对变形类测点数据进行分析，根据统计模型和监控指标分析结果，对数据测值进行智能评价，为大坝安全稳定运行提供依据。

3.智能化评价

（1）安全评价分析

针对大量监测数据，采用灰色系统理论和过程突变理论，建立监测数据在线检验模型，利用模型对监测数据的合理性和真实性进行在线检验，采用模糊测度和模糊积分算法，梳理监测数据，建立准确度高、能够代表大坝安全运行的评价大数据库。依据鉴定标准和监测规范，对大坝安全进行定期评价、实时评价和动态评价，形成数据评价报告。利用监测数据和评价报告，采用层次分析法确定权重向量和安全影响因子，通过权重融合原理将模糊一致判断矩阵法和均方差法确定的两种权重系数综合得出诊断元素的最终权重。在确定模糊评价矩阵各因素的隶属度过程中，针对定性因子采用逐级估量法和专家评分法进行隶属度确定，并应用人工神经网络技术建立基于自学习神经元的网络监控模型，预测预报大坝安全状态演进趋势，建立具有逻辑推理功能的大坝安全监测专家系统，实现大坝安全智能决策支持功能。最终软件系统对水库大坝的安全状态进行综合预评价，按预先设置的三种状态（正常状态、异常状态、险情状态）发布预警输出和人机互动。

图1 华为桌面云架构图

（2）预警预报

正常状态指大坝完成设计功能后不存在影响正常使用的明显缺陷，且各主要监测量的变化连续在允许区间内；异常状态指大坝工程的某些功能已不能完全满足设计要求，或主要监测量频繁出现异常而可能影响正常使用；险情状态指大坝工程出现危及安全的严重缺陷或环境监测量中危及安全的因素正在加剧，致使主要监测量出现较大异常，按设计条件继续运行将会出现大事故的状态。

预警预报模块主要包括发送配置、预警配置、模板管理和预警信息四部分。在三种状态下，都有相应的触发阈值，一旦达到某种状态，预警模块可根据定制的发送规则，发送水库大坝运行状态消息。管理人员可以根据生成的评价报告和状态信息及时对水库大坝安全运行制定准确的措施办法，为水库运行调度提供直接、可靠、及时的信息及决策依据。

三、结 语

疏勒河智能化大坝安全监测系统的建成能够实现在云桌面超融合技术下的监测数据自动采集，存储汇总后进行自动分析、对比、展示，并形成数据评价报告。系统借助评价数据库和评价报告自动评判水库大坝运行状态，通过设置触发阈值发送运行状态消息，为强化水库监管、安全运行和效益发挥提供实时数据支撑和决策依据。