多流域中小型电站坝群安全智能监测与集控管理模式研究

张 利，辛俊龙，朱斯杨，李诗婉

(1.中电建电力检修工程有限公司，四川 乐山 614000；2.四川省遂宁市水利局，四川 遂宁 629000；3.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065)

大坝安全运行事关国家水安全、能源安全与经济社会绿色发展，备受党和政府重视，全面提升大坝安全管理的科学化水平和安全保障能力，是我国大坝安全管理面临的主要挑战，也是未来发展的必然趋势[1-2]。大型水电枢纽工程施工质量高，安全监测设备齐备先进、自动化程度高，工程安全管控能力强，安全风险低[3-5]；中小型电站受资金、技术等限制，普遍存在工程安全监测项目不完整、自动化程度低，运行安全感知不足等问题，安全风险相对较高，如1954年以来已溃坝总数中中小型水库大坝占比约96.4%[6-9]。随着云计算、物联网、大数据、移动互联和人工智能等新一代信息技术的快速发展与应用，各种自动化、智能化高新监测手段逐渐成熟，为解决中小型水库的安全监测难题提供了新的思路[10-15]。

本文依托某集团有限公司(以下简称“某公司”)所辖的水电站群，系统梳理当前中小型水电站坝群安全监测建设与运行管理存在的主要问题，针对其安全监测特点和需求，创新安全监测运行管理模式，融合接触式和非接触监测技术，提出一种库坝现地监测与区域集控管控相结合的智能监测与集控管理方案，解决其运行安全感知不足、智能化程度低等难题，实现跨域水电站坝群远程集控管理，确保大坝长期安全、高效运行。

1 工程概况

某公司以水电资源投资开发和电力运营为主营业务，长期致力于清洁能源的投资、开发和经营。目前公司所辖已投运的水电站以中小型水电站为主，涉及黑水河、大渡河、松林河等多流域，包括10～20m高闸坝3座、20～30m高闸坝8座、30m以上高闸坝4座，跨四川、新疆等多省市，这些工程赋存地形地质与运行环境复杂、点多面广、时空跨度大、交通条件不理想，大坝运行安全管理复杂程度高，更具挑战性。目前，公司工程建设部、安全与生产物资部、项目公司、电力检修工程有限公司共同负责水库大坝管理相关工作，各项目公司主要负责发电运行与维护、水工建筑物检修维护等工作；电力检修工程有限公司负责安全监测工作实施、机电设备检修改造等工作。

2 安全监测现状及主要问题分析

结合公司所辖大坝安全监测工作的现场探勘与调研，深入分析了各电站安全监测运行和大坝安全管理现状，梳理其存在的问题如下。

(1)安全监测设施较齐备，安全监测工作基本规范，但自动化程度较低。各电站主要设置环境量、变形、渗流、应力应变、温度等监测项目，满足《混凝土坝安全监测技术规范》《土石坝安全监测技术规范》的相关要求，监测设施完备率均超过90%，监测仪器完好率在65%～99%之间，普遍高于同类电站及中小型水库坝群。但目前仅AG电站实现自动化，部分电站设备改造时考虑了自动化监测，但受资金限制未实现一步到位，仍采用人工读数，未充分发挥作用。

(2)库岸边坡监测方法和监测精度有待提升。边坡设计布设的监测点基本能反映其安全性态，但目前多数边坡监测的设备完好率较低，且受高程较高且道路条件较差、树木遮挡通视性较差、监测设备易受人为破坏等因素影响，实施监测的难度大、效率低、安全风险较大，监测精度不能满足要求，无法掌控其安全性态，应对监测方法进行改进。

(3)安全监测数据尚未实现集控管理，信息孤岛现象仍然存在。大坝安全精细化管理必须依据信息全面、要素齐全的安全监测数据信息。目前检修公司仅存储其负责实施监测项目的所有数据信息，但部分电站的厂房系统监测仍由分公司完成，安全监测数据存在分散管理的现象，尚未实现集控管理。目前仅部分分公司初步建立了内部的数据管理平台，尚未建立公司层面的数据管理平台，缺乏公司层面的数据信息共享和远程集控，仍存在数据信息孤岛现象。

(4)监测资料分析的专业化和智能化程度有待提升。检修公司目前的专业技术人员较少，现场监测和报告编制工作量大，监测资料分析的实时性和专业化程度低，无法充分发挥工程安全监测的作用，不利于实时掌控工程安全性态，及时发现存在的隐患、缺陷和问题，查明原因并提出相应的补救措施和整改建议，防患于未然，保证工程安全。

(5)大坝安全管理模式有待优化。目前公司所辖已投运的水电站主要分布在黑水河、大渡河、松林河等流域，跨四川、新疆等省市，大坝安全管理涉及范围广、内容庞杂、技术要求高。目前公司大坝安全管理主要由工程建设部、安全与物资部和各分公司工程建设部负责，检修公司负责安全监测实施和监测资料分析工作，尚未建立公司层级的大坝安全管理中心，大坝安全管理的扁平度不够，层级设置及责任机制有待优化，信息反馈和决策效率有待提升。

3 多流域中小型坝群智能监测与集控管理模式

3.1 需求分析

结合大量实地探勘和调研成果，中小型电站坝群安全智能监测与集控管理必须考虑稳定性、实时性、共享性、建设及运行成本可控、简单易学且使用便捷直观、具有专业分析能力等需求。

(1)稳定性。为了保证能够及时、准确地传输监测数据，智能监测或自动化监测系统运行状态的高稳定性是必须考虑的问题之一，应具备断点续传和数据自动修复功能、系统自检和修正功能、系统意外中断后数据防丢失等功能。

(2)实时性。监测数据实时性不仅是安全监测的必要要求，也是安全应急响应的重要前提。对以自动化监测为主的电站，应自动获取全天候的安全监测数据，并借助信息化管理平台实现数据实时共享；对以人工观测为主的电站，则应借助信息化手段优化数据采集上传途径，通过基于互联网的移动式数据终端实现数据即采即传。

(3)共享性。数据共享是传统安全监测向智能化转变的手段之一。实现数据共享最有效的方法是建设电站或流域层级的信息化管理平台，实现监测数据的远程集控管理。

(4)建设及运行成本可控。制约中小型电站坝群安全监测智能化和信息化建设的主要因素与能投入的经费有限有关。目前，高新技术和自动化监测系统的建设和运行维护成本相对较高，应结合流域集控模式以减少大部分中小型电站资金短缺的问题。

(5)简单易学且使用便捷直观。中小型电站坝群安全监测管理人员专业素养相对较弱是普遍存在的问题，智能化设备及其应用软件应操作简便、直观易用，以便减少监测人员的学习成本，确保现场人员在短时间内能熟练使用。

(6)具有专业分析能力。中小型电站坝群多被动地按照规范要求进行观测，监测数据的专业分析也常依赖5a一次的安全定期检查，无法及时掌控坝群的安全隐患，需要实时掌控大坝安全运行性态，并主动地优化调整安全监测工作。

3.2 多流域坝群安全智能监测与集控管理模式

针对中小型电站坝群安全监测存在的主要问题和实际需求，综合考虑公司所辖的投运大坝安全监测现状和大坝安全管理模式，本文融合接触式和非接触智能监测技术，提出了一种库坝现地监测与区域集控管控相结合，集实时监测-定期巡检-应急响应于一体的多流域中小型电站坝群安全智能监测与集控管理模式，如图1所示。该模式主要包括库坝现地实时监测、区域集控巡检和多流域坝群健康诊断平台3个部分。

图1 多流域中小型电站坝群安全智能监测与集控管理架构

3.2.1库坝现地实时监测

库坝现地实时监测主要依托自动化监测系统和接触式智能监测设备实现安全监测智能感知，同时负责现场智能巡检、标准化数据的采集上传等工作。结合工程自身条件，考虑高效性、适用性、经济性等因素，选择自动化监测系统、北斗/GNSS监测系统、一体化外观变形智能测站等组合方案，提升大坝安全智能感知能力。现场人工巡检是大坝安全监测重要的环节，为提高人工巡检的可靠性和实时性，可引入信息化手段实现智能巡检，如图2所示。现地监测负责数据信息采集和传输至区域坝群安全信息集控平台，即采用移动式终端设备加上定制应用程序的方式按照一定规则和格式实时采集数据并上传至管理平台，存入数据库统一管理，保证各类信息的标准化、规范化和实时性，如图3所示。

图2 智能巡检流程

图3 标准化数据采集流程

3.2.2区域集控巡检

公司集控巡检由检修公司牵头，包括定期安全巡检和应急响应监测两部分。检修公司统一配置三维激光扫描仪、多波束探测仪、无人机、地质雷达等非接触式智能监测设备，每年汛前和年底定期对大坝整体安全性态、水库泥沙淤积情况、水下建筑物缺陷等情况进行全面监测，同时负责在特大暴雨洪水、地震等极端情况下的应急响应监测。

定期安全巡检具体内容可包括利用三维激光扫描仪对大坝或边坡进行整体建模，分析其变形特性；借助无人机和机器视觉缺陷识别技术对大坝表面进行缺陷监测；利用探地雷达对大坝内部裂缝、渗漏进行探测；运用多波束测深系统、侧扫声呐等水下声呐技术和水下无人潜航器技术对水下泥沙淤积情况和建筑物缺陷进行探查等。

应急响应监测应对接气象监测部门、地震监测部门、山洪防治、防汛抗洪等已有的洪水、地灾、地震应急平台，并实现信息共享，特大暴雨洪水、地震等极端工况预警信息适时触发启动，其主要监测内容包括重点监测部位和项目的现地加密监测，并利用无人机、卫星遥感等高新非接触式监测手段进行大坝安全整体性态、风险源点状态等探析，如图4所示。

3.2.3多流域坝群健康诊断平台

多流域坝群健康诊断平台主要包括安全监测信息集控平台和技术支撑平台，如图5所示。安全监测信息集控平台包括数据库、应用支撑平台和业务应用等组成。数据库主要包括基础信息库(流域信息、库坝信息、仪器设备信息、测点信息等)、监测数据库(环境量监测数据、库坝安全监测数据、巡检多媒体资料等)、综合管理库(监测任务、巡检任务、评价信息、管理考核等)；业务应用主要应包括信息审核、信息分析、健康诊断信息发布等进阶服务，具备信息管理、信息分析处理、工程健康诊断、安全预警响应、系统设置与管理、远程会商系统等功能，可根据需求进行功能模块定制，并借助技术支撑平台，提高区域坝群安全管理的高效性和分析专业性。

图5 多流域坝群健康诊断平台架构

技术支撑平台主要包括信息分析模型库、知识库等，提供有关异常数据识别、缺失数据修补、监测资料分析等工作的分析算法和模型，为资料分析的专业化、实时化和智能化提供技术支持。

4 结语

本文依托某公司所辖的水电站群，构建了包括库坝现地实时监测、区域集控巡检和区域坝群安全智能监测管控平台的中小型水库坝群智能监测与远程集控方案，在中小型水电站坝群运行安全管理中具有良好的推广应用价值。同时，本文设计的中小型水库坝群智能安全监测方案对接触式智能监测技术应用相对较少，后续可在本文的基础上，借助无线传感技术和物联网技术改进接触式监测技术，构建无线物联网智能监测网，实现不同水库坝群监测设备之间的数据共享和智能控制，提高智能监测系统的实时性和适用性。

图4 应急响应监测流程