水庫大壩多目標安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)

1、水庫大壩多目標安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)作者：劉崇干摘要：介紹了水庫大壩多目標安全監(jiān)測與管理系統(tǒng)的系繞結(jié)構(gòu)、 水情監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、安全監(jiān)控專家系統(tǒng)、信息管理、安全監(jiān)控模型技術(shù) . 該系統(tǒng)是 現(xiàn)代測控技術(shù)與信息技術(shù)的優(yōu)化結(jié)合，執(zhí)行多目標動態(tài)監(jiān)控，在安全監(jiān)控和優(yōu)化管理水資源基礎(chǔ)上實行自動控制， 提供多層次信息管理和決策支持功能 .關(guān)鍵詞：多目標安全監(jiān)控防洪調(diào)度優(yōu)化調(diào)度復擬合模型1 研建系統(tǒng)目的當前水安全和水資源 問題已經(jīng)成為制約 社會和經(jīng)濟發(fā)展 的突出因素 . 建立兼顧防災和水資源優(yōu)化管理的保障系統(tǒng)，是現(xiàn)代水利和水利工程管理的需要 . 安全問題特別是因洪水、地質(zhì)災害等自然災害以及工程結(jié)構(gòu)隱患和異變等因

2、素所引發(fā)的突發(fā)事故，其危害巨大，而傳統(tǒng)單目標的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)尚缺乏對此類突發(fā)事故的實時防范能力，也欠缺監(jiān)測、控制和水資源管理一體化的功能. 因此而研建的水庫大壩多目標安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)，其目的是通過對水情及大壩安全的動態(tài)監(jiān)測、預報，及時發(fā)現(xiàn)事故尤其是突發(fā)事故先兆，迅速做出反應，實時給予決策支持并實施自動控制，為工程和相關(guān)地區(qū)提供安全保障；為管理部門提供多層次信息管理和決策支持手段， 在兼顧防災和水資源優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用， 充分發(fā)揮水利工程的效益 .2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是多目標監(jiān)控技術(shù)與信息技術(shù)的優(yōu)化結(jié)合 . 由現(xiàn)場測控 網(wǎng)絡、計算機局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三級網(wǎng)絡連接現(xiàn)場測控層、 工程管理

3、層和管理中心 . 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 .圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測控網(wǎng)絡因地制宜采用現(xiàn)場總線加光纜通信或無線通信. 現(xiàn)場各類測控儀表通過自研的通信匹配器集中連接到遠程測控執(zhí)行模塊 . 各測控模塊以 RS485總線連接到本地遠程終端單元 （RTU）. 分散在各工程建筑物和庫區(qū)遙測站的 RTU以光纜、電纜或數(shù)傳電臺與中控室的監(jiān)控計算機聯(lián)網(wǎng) .工程管理層局域網(wǎng)連接服務器、 在線監(jiān)控機、 離線管理機和其他工作站 .工程管理層服務器上建立網(wǎng)站，配置遠程查詢服務軟件系統(tǒng) . 通過互聯(lián)網(wǎng)為管理中心、 上級領(lǐng)導和相關(guān)部門提供遠程查詢和決策支持手段 .3 在線監(jiān)控系統(tǒng)在線監(jiān)控系統(tǒng)主要執(zhí)行以下任務 . 3.1 值班監(jiān)控值

4、班監(jiān)控任務包括水情監(jiān)測與 分析，在大型模擬屏顯示實時水、雨、工情，防洪警戒，大壩關(guān)鍵部位安全監(jiān)測、實時預報及安全性評判，按水情與調(diào)度方案執(zhí)行自動控制 .3.2 水情監(jiān)測水情監(jiān)測信息通過 網(wǎng)絡被系統(tǒng)共享，是系統(tǒng)執(zhí)行水情預報、 防洪安全監(jiān)控、大壩及周邊安全監(jiān)測、 水庫運行與水資源調(diào)度以及工程和區(qū)域防汛抗旱指揮調(diào)度的重要依據(jù) .在線監(jiān)控機接收和采集水、雨情數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，寫入水、雨情實時和時段數(shù)據(jù)庫；定時啟動水情預報模型進行水情實時預報作業(yè).根據(jù)監(jiān)測水情和水情預報，執(zhí)行防洪安全監(jiān)控.采用動態(tài)自適應模型技術(shù)，提高短期水情預報的實時性和準確性，使水情信息有效地用于防災和水資源管理 .3.3 大壩安全監(jiān)測

5、定時對各大壩和其他水工建筑物及周邊各監(jiān)測點巡測或臨時召測，數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗和初步處理后存入實時數(shù)據(jù)庫. 利用預報模型和相關(guān)的水情信息對大壩安全監(jiān)測點實時預報并根據(jù)安全監(jiān)控指標評判安全度 .采用復擬合模型技術(shù)和動態(tài)跟蹤模型技術(shù)建立安全監(jiān)控模型和安全監(jiān)控指標 .3.4 專家系統(tǒng)支持下的防洪在線決策支持和閘站調(diào)控在汛期，當預報壩前水位將要超過警戒值時， 系統(tǒng)發(fā)出聲光警報并驅(qū)動安全監(jiān)控專家系統(tǒng) . 專家系統(tǒng)收集有關(guān)水、雨、工情，從模型庫調(diào)用調(diào)洪分析等模型，檢索知識庫內(nèi)的知識與規(guī)則，經(jīng)推理演繹，給出兼顧防洪與興利效益的泄洪調(diào)度方案、 預報行洪過程、 建議安全措施、提供修改方案 參考資料、災害風險評估等 . 方

6、案獲準后，專家系統(tǒng)連接閘門自動控制系統(tǒng)，執(zhí)行泄洪過程監(jiān)控 .所開發(fā)的安全監(jiān)控專家系統(tǒng)是在線決策控制型人工智能系統(tǒng) . 它完全由信息驅(qū)動，全自動執(zhí)行演繹推理和監(jiān)控 . 其主要目標是當危及大壩及下游安全的事件可能發(fā)生之前做出判斷與決策， 并執(zhí)行自動控制.4 信息管理配置在管理 計算機上的管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、資料解釋、調(diào)度管理功能； 服務器上配置數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和遠程查詢服務系統(tǒng) . 信息管理功能結(jié)構(gòu)見圖2.圖 2 信息管理功能結(jié)構(gòu)5 安全監(jiān)控模型技術(shù)研究開發(fā)多目標動態(tài)安全監(jiān)控所需要的監(jiān)控模型技術(shù)，其目的是：提高模型的仿真度和延伸預報準確度；開發(fā)可以跟蹤并預報監(jiān)控對象異常變化的動態(tài)跟蹤模型

7、技術(shù). 這對于防范異變性突發(fā)事故特別重要 .這些模型技術(shù)已成功地應用于多個水利工程的實時安全監(jiān)控和安全分析，均取得了良好效果.5.1 復擬合模型按傳統(tǒng)方法建立模型時，通常采用時段平均或取離散時刻等概略方法代表外荷載對效應量的滯后作用， 不能確切地反映實際上是非線性連續(xù)的滯后作用，模型的延伸預報精度較差 . 采用復擬合模型較好地解決了上述 問題 .復擬合是指：用不同多項式擬合各外荷載對效應量的滯后作用過程，用這些多項式線性組合來擬合效應量觀測序列 . 建立復擬合模型的技術(shù)要點是： 經(jīng)過相關(guān)趨勢分析和相關(guān)頻譜分析， 分別確定各種外荷載量同效應量之間的相關(guān)性、滯后相位差和滯后 影響時段長度 . 用影

8、響梯度函數(shù)模擬在滯后影響時段， 外荷載對效應量的非線性影響過程；再用包含影響梯度函數(shù)的高階多項式來模擬該時段連續(xù)疊加滯后作用，從而較好地解決了仿真模擬滯后作用這一難點 . 復擬合模型最終形式為表征各種外荷載作用過程的多項式以及時效函數(shù)的線性組合.復擬合模型已被應用于許多特大和大、中型水利工程的安全分析評價和聯(lián)機實時安全監(jiān)控. 應用效果表明，它具有以下優(yōu)點：模型有較明確、合理的物理解釋意義，模型擬合精度好，延伸預報準確（見圖 3 正常狀態(tài)段，即10 月前的預報過程線） .圖 3 復擬合模型預報、動態(tài)自適應模型預報與監(jiān)測值對比過程線5.2 動態(tài)自適應模型傳統(tǒng)安全監(jiān)測模型屬靜態(tài)模型，反映監(jiān)測對象和水

9、、情、工情以往一般變化 規(guī)律，不能識別和跟蹤預報包括突發(fā)事故的異?，F(xiàn)象，不適宜動態(tài)高精度短期預報.對于水工結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)控， 為跟蹤預報并防范突發(fā)事故， 需要分析結(jié)構(gòu)物發(fā)生異變的破壞機制 . 存在缺陷或已老化的結(jié)構(gòu)物，某些部位即使其局部應力低于材料的屈服極限， 但在長期交變或突變應力作用下，其材料有可能進一步老化、惡化，并可能發(fā)生突變以至破壞 . 對于大壩及周邊這樣的監(jiān)控對象， 這類破壞事故反映在沿破壞方向變化量和變化速率的增大，直到超過其破壞臨界值或安全監(jiān)控值 . 破壞先兆可能提前數(shù)小時甚至更早出現(xiàn) . 因此，通過連續(xù)跟蹤預報和動態(tài)監(jiān)控，有可能對事故予以防范 .基于上述考慮而研究開發(fā)的動態(tài)自適應模型技術(shù)， 其技術(shù)要點包括：采用常規(guī)方法建立預報 / 監(jiān)控模型；模型運行中采用誤差傳遞法進行自我 學習，優(yōu)化積累信息；每次預報作業(yè)時，根據(jù)新的監(jiān)測信息和預報偏差動態(tài)修正模型，以適應監(jiān)控對象的變化，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤；相應的安全監(jiān)控指標取設計臨界值，如計算最大應力、應變等 .應用效果表明，動態(tài)自適應模型適用于安全監(jiān)控對象發(fā)生非正常規(guī)律的變化情況下進行跟蹤和預報；也適用于水情、工情多變，無定常規(guī)律條件下的短期水情跟