陳照陽 劉強 周強

摘要：隨著我國抽水蓄能電站的建設，對抽水蓄能電站水工建筑物進行實時安全評價是電站安全運行的重要保障。文章通過對抽水蓄能電站水工建筑物安全監(jiān)測的主要問題進行分析，采用產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法，結(jié)合最新的計算機軟件技術，對抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)進行了研究與開發(fā)。

關鍵詞：抽水蓄能電站；水工建筑物；專家分析系統(tǒng)；安全監(jiān)測；綜合分析推理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV743 文章編號：1009-2374（2016）05-0016-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.009

1 概述

隨著國家節(jié)能、環(huán)保、綠色能源政策的推行，作為國家電網(wǎng)下?lián)碛凶疃嗟恼{(diào)峰填谷資源直屬企業(yè)，在新一輪的抽蓄建設高潮及一批批在建蓄能電站相繼投產(chǎn)的形勢下，建設管理公司的關注重點逐步轉(zhuǎn)移到電站開發(fā)、建設與運營并重和均衡發(fā)展上。為保證電網(wǎng)安全運行，需要實時對抽水蓄能電站水工建筑物進行安全評價。

一般在進行水工建筑物安全分析評價時，常常是通過對單一觀測量進行定性分析和定量分析來確定大壩的工作性態(tài)。但是水工建筑物結(jié)構(gòu)和工作條件復雜，各種單一觀測量之間存在一定的聯(lián)系，因此大壩安全評價需要根據(jù)不同部位不同項目的多因素觀測數(shù)據(jù)綜合進行。研究以抽水蓄能電站水工建筑物各項安全自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，采用綜合評價模型和方法，建立水工建筑物安全綜合分析評價系統(tǒng)，對建筑物性態(tài)進行在線和離線分析及安全評估，確定結(jié)構(gòu)的異常程度，對建筑物的安全狀況進行判斷是很有實用意義的。

目前大壩安全綜合分析評價系統(tǒng)中所采用的方法主要有專家評估法、專家系統(tǒng)、綜合法、模糊綜合法和模式識別法等。抽水蓄能電站水工建筑物安全評價的對象除了上庫大壩、下庫大壩以外，還有抽水蓄能電站所特有的庫盆、引水系統(tǒng)和地下廠房等水工建筑物。目前所具有的綜合分析層次、權(quán)重等相對于常規(guī)大壩目前所具有的經(jīng)驗較少，同時設計單位目前所能提供的設計指標主要根據(jù)設計階段的有關計算和經(jīng)驗判斷給出。一般來說，運行期監(jiān)控指標需要在運行過程中結(jié)合設計指標以及實際監(jiān)測資料綜合分析來擬定，因此難以通過現(xiàn)有單測點監(jiān)控指標的判別實現(xiàn)對水工建筑物整體的安全評價和監(jiān)控。綜合分析認為，基于單測點監(jiān)控指標判別的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)綜合分析評價方法相對更適宜目前抽水蓄能電站水工建筑綜合分析推理子系統(tǒng)的研究和開發(fā)。這種方法通過統(tǒng)計模型或設計值建立起來的安全監(jiān)控指標，根據(jù)現(xiàn)有水工建筑物設計和監(jiān)測項目建立相應的推理規(guī)則，能快速、合理地評價建筑物安全運行狀態(tài)。

2 抽水蓄能電站樞紐布置與安全監(jiān)測項目設置

抽水蓄能電站樞紐工程水工建筑物一般由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群等組成。上水庫較多采用全庫盆瀝青混凝土（如天荒坪抽水蓄能電站上水庫）和全庫盆鋼筋混凝土面板（如十三陵、宜興抽水蓄能電站上水庫）的防滲形式。近年來，隨著科技的進步，也有采用鋼筋混凝土面板庫岸和庫底土工膜聯(lián)合防滲的形式（如泰安抽水蓄能電站上水庫）或瀝青混凝土面板和庫底黏土聯(lián)合防滲形式（寶泉抽水蓄能電站上水庫）。輸水系統(tǒng)一般由進/出水口、引水隧洞、岔管、高壓支管等組成。地下廠房及尾水系統(tǒng)一般由主廠房及安裝場、主變洞、尾水隧洞等組成。下水庫一般利用已建的水庫加固改建而成，大壩一般為常規(guī)混凝土壩或者土石壩。

上、下水庫環(huán)境量監(jiān)測主要為庫水位監(jiān)測，氣溫和降雨量一般引自水情自動測報系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

上水庫主要監(jiān)測大壩的表面和內(nèi)部變形，典型斷面壩體和壩基的滲壓。上水庫庫盆主要監(jiān)測庫盆和庫岸邊坡的變形、庫盆內(nèi)部沉降、庫盤底部滲壓以及滲流量。輸水系統(tǒng)的監(jiān)測項目主要有圍巖應力、變形、滲流監(jiān)測、支護結(jié)構(gòu)變形、應力監(jiān)測及其外水壓力監(jiān)測等。

地下廠房及尾水系統(tǒng)布置的監(jiān)測項目一般主要有外水壓力、圍巖變形、錨桿應力、錨索張力、襯砌混凝土應力應變、鋼筋應力等。

下水庫大壩一般按照常規(guī)大壩要求布置有水平位移、沉降、壩基或壩體滲壓、滲流量等監(jiān)測項目。

3 安全綜合分析推理系統(tǒng)方法

3.1 系統(tǒng)技術路線

抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)按照基于產(chǎn)生式專家系統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)（DSS）的模式進行研究和開發(fā)，主要目的是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、確定異常程度。具體的技術路線如下：（1）對單個測點進行定量分析，然后對測點定量狀態(tài)進行分類；（2）運用產(chǎn)生式專家系統(tǒng)技術實現(xiàn)實時在線結(jié)構(gòu)異常發(fā)現(xiàn)和安全評價；（3）為分析人員提供良好離線綜合分析的數(shù)據(jù)和模型支持。

抽水蓄能電站水工建筑物安全綜合分析推理系統(tǒng)一般按照數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫以及對推理機的模式進行開發(fā)。數(shù)據(jù)庫提供樞紐各建筑物不同監(jiān)測項目的各類基礎信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)。模型庫提供樞紐各建筑物不同部位的各類統(tǒng)計模型分析模塊，利用模型來判別測值的正?；虍惓Ｐ再|(zhì)。

知識庫用于知識信息的存儲，內(nèi)容一般包括：（1）樞紐各類建筑物的設計監(jiān)控指標；（2）專家知識規(guī)則。

安全綜合分析推理系統(tǒng)需要采用開放的架構(gòu)設計，作為一個子系統(tǒng)接入已有的安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，子系統(tǒng)所需監(jiān)測數(shù)據(jù)（含測點信息、自動化數(shù)據(jù)。人工數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)），以接口方式從其他監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中獲取，同時其他系統(tǒng)也可以使用接口的形式查詢、發(fā)布子系統(tǒng)的分析推理結(jié)果。

3.2 推理機和知識庫技術

系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、確定異常程度為主要目標，因此系統(tǒng)采用產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法，推理采用正向推理。需要研究開發(fā)具有良好使用性能的通用不精確正向推理機。本系統(tǒng)采用了C#語言來實現(xiàn)通用不精確正向推理機，并以通用組件的形式實現(xiàn)了對知識庫的操作。該推理機具有能在網(wǎng)絡上共享、通用和不精確推理等特性，實現(xiàn)方便，可以基于它來構(gòu)建功能更加強大的專家系統(tǒng)。

3.2.1 規(guī)則表示。系統(tǒng)建立的不精確推理機是用產(chǎn)生式規(guī)則進行知識表示，這種規(guī)則以標準的IF-THEN格式來表示知識模型。規(guī)則通常分為規(guī)則前件部分和規(guī)則后件部分，即條件部分和結(jié)論部分。規(guī)則的通常形式為：

IF A1，A2，A3，…，Am，THEN B1，B2，…，Bn

為了在數(shù)據(jù)庫中存儲以及后面的使用方便，將其拆分為：

IF A1，A2，A3，…，Am，THEN B1

IF Al，A2，A3，…，Am，THEN B2

IF A1，A2，A3，…，Am，IHEN Bn

即一條規(guī)則可以有多個前件子句，但只有一個結(jié)論子句。

3.2.2 知識庫的設計。知識庫主要用來表示規(guī)則前件（條件）、規(guī)則后件（結(jié)論）以及規(guī)則條件與規(guī)則結(jié)論的對應關系。

針對不同建筑物，按照推理對象等確定推理異常目標并編寫推理目標的相關規(guī)則，形成知識庫。

該知識庫設計成可擴充的，可在水工建筑物運行過程中，根據(jù)建筑物可能發(fā)生的各種異常編寫推理規(guī)則。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)設計采用MVVM結(jié)構(gòu)，具有低耦合、可重用、獨立開發(fā)、可測試等特點。采用該設計模式可以避免當抽水蓄能電站監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大時采用傳統(tǒng)WinForm或者WebForm時帶來的響應緩慢的問題。

結(jié)合最新的數(shù)據(jù)庫編程模型code first進行系統(tǒng)開發(fā)設計，大大簡化系統(tǒng)設計和維護成本，滿足以業(yè)務驅(qū)動為核心的領域驅(qū)動方式。使用了Linq查詢和Lamda表達式等編程特性，提高程序響應性能。Code First是Entity Framework提供的一種新的編程模型。通過Code First，我們可以在設計數(shù)據(jù)庫的同時開始編碼，然后通過代碼來生成數(shù)據(jù)庫。這便于我們靈活設計有關推理對象、推理規(guī)則等的數(shù)據(jù)設計。

4.2 主要功能模塊

4.2.1 推理對象管理。在進行綜合分析推理時，按照監(jiān)測項目、監(jiān)測部位或者特殊的物理過程來設置推理對象，并組織該推理對象下相關的測點。

抽水蓄能電站投入運行后主要的工程問題包括上庫大壩和庫盆滲流以及大壩的不均勻變形可能產(chǎn)生裂縫、引水系統(tǒng)滲流以及變形等，這些問題是系統(tǒng)中需要分析的主要推理對象。對這些問題進行在線監(jiān)控及分析（包括人工監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入后的即時檢查分析）。

系統(tǒng)可以增加、刪除、修改相應的推理對象以及推理對象相關測點。用戶可以在運行過程中根據(jù)可能出現(xiàn)的問題，增加相應的推理對象和推理規(guī)則。

4.2.2 監(jiān)控指標管理。系統(tǒng)中目前采用統(tǒng)計模型監(jiān)控指標、設計指標以及監(jiān)控指標來對單測點進行判別。其中監(jiān)控指標是指在運行過程中結(jié)合設計指標以及實際監(jiān)測資料綜合分析來擬定的監(jiān)測指標；由于統(tǒng)計模型外延后和實測值比較時差別較大，采用固定模型進行統(tǒng)計模型判別效果較差，因此在系統(tǒng)中不管是否有設計指標和監(jiān)控指標，系統(tǒng)始終通過統(tǒng)計模型來實時計算最新模型指標，從而實現(xiàn)對測點測值的判別。

系統(tǒng)可以按建筑物、推理對象過濾，選擇測點設置綜合分析推理所需的指標和參數(shù)。

4.2.3 知識庫規(guī)則管理。知識庫規(guī)則針對具體對象而開發(fā)，相同的分析對象可共用同一知識庫或規(guī)則，同時設置相應的推理目標作為正向推理的終點。

規(guī)則和推理目標是針對前面某一個或多個具體的分析推理對象的特定問題開發(fā)的。在抽水蓄能電站綜合分析推理系統(tǒng)開發(fā)過程中，在較為廣泛地收集有關水工建筑物安全監(jiān)測資料分析、安全鑒定等資料的基礎上確定相應的知識庫。用戶可以增加、刪除和修改規(guī)則庫的相關規(guī)則和推理目標。

4.2.4 在線綜合分析推理。在線綜合分析推理按照設定的時間間隔自動運行，主要由單測點的各類標準檢查、單點信息的定量化、在線綜合推理等組成。用戶可以在離線分析系統(tǒng)中查看在線分析結(jié)果和進行在線分析的有關設置。

（1）單點推理與檢查。采用以單點統(tǒng)計模型及有關安全監(jiān)控指標對新測數(shù)據(jù)進行單測點檢查。在上述各類標準檢查過程中，自動形成單個測點的定量信息，包括模型超界類型、監(jiān)控指標、發(fā)展趨勢等，從而確定測點異常程度。（2）在線綜合推理。在單點定量化的基礎上，按推理對象對監(jiān)測量（測點）結(jié)果進行綜合推理，以測量異?；蚪Y(jié)構(gòu)異常為推理目標完成推理并對水工建筑物狀態(tài)的自動評估，每次推理結(jié)果都保存在數(shù)據(jù)庫中，方便用戶查詢。

4.2.5 離線綜合分析推理。離線綜合分析推理可以隨時對各建筑物、各種推理對象和測點進行綜合分析，對大壩性態(tài)做出綜合判斷。綜合分析結(jié)果提供給管理人員充分的圖形支持和模型支持，方便管理人員進行有關決策。

進行分析前，首先對建筑物進行單點分析，單點分析完成以后，系統(tǒng)對當前分析對象進行自動綜合分析推理，并顯示推理結(jié)果。有推理結(jié)果時，顯示相應的推理目標（推理結(jié)論），無推理結(jié)果時顯示“無與結(jié)構(gòu)或測量異常的推理目標”，對尚未設立知識庫（規(guī)則庫）的分析對象，系統(tǒng)也做出相應的說明。所有推理對象的推理結(jié)果列表以及異常測點的推理結(jié)果以及所使用的規(guī)則和推理鏈明細都顯示出來可進行查看。

離線分析還為分析人員提供了強有力的分析環(huán)境，不僅可對在線綜合分析發(fā)現(xiàn)的疑點做進一步的分析處理，以利于分析人員根據(jù)自己的需要調(diào)用多種數(shù)據(jù)，用多種模型進行更廣泛的綜合分析，同時還可以修改模型參數(shù)對模型進行調(diào)整，以取得更滿意的結(jié)果，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的輔助決策功能。

常規(guī)大壩統(tǒng)計模型分析時候，所使用的環(huán)境量一般是某個固定時刻的水位、平均氣溫和日降水量。抽水蓄能電站水位波動較大，當監(jiān)測量時刻與水位不一致時，可能會導致模型結(jié)果不能真實反映環(huán)境量的影響。因此，對于荷載影響較快的如混凝土結(jié)構(gòu)變形、應力應變，應采用即時水位；對于影響滯后的監(jiān)測量如滲壓、滲流量等，可采用前期平均水位進行建模。

4.2.6 綜合分析結(jié)果查詢。綜合分析結(jié)果查詢是實現(xiàn)對建筑物的在線分析、離線分析結(jié)果及單點檢查結(jié)果和分析推理過程的綜合查詢。查詢包括建筑物分析結(jié)果查詢，顯示建筑物名稱、綜合分析推理結(jié)果、分析類型、綜合評價結(jié)果、分析數(shù)據(jù)截止時間以及分析時間；單點檢查結(jié)果查詢，顯示與當前分析對象有關的全部測點當前狀態(tài)的定量評價結(jié)果，包括測點編號、測時、測值、模型、速率、時效、環(huán)境量、單點狀態(tài)等對每項內(nèi)容都給出了評價等級的具體劃分方法或范圍。各測點以不同的顏色顯示，以區(qū)別測點的狀態(tài)或異常程度；推理對象的推理結(jié)果列表以及異常測點的推理結(jié)果以及所使用的規(guī)則和推理鏈明細結(jié)果查詢等。

5 結(jié)語

抽水蓄能電站水工建筑物專家分析庫系統(tǒng)采用MVVM結(jié)構(gòu)，客戶端采用WPF技術，數(shù)據(jù)段端采用WCF方式訪問，既利用了B/S容易部署和系統(tǒng)容易升級更新的優(yōu)點，又整合了C/S用戶響應速度快、用戶體驗好等特性。系統(tǒng)采用WPF技術結(jié)合WCF通信技術實現(xiàn)，解決了客戶端與服務端交互時停止響應等待結(jié)果帶來的時間消耗，提高了綜合分析推理的效率。

針對抽水蓄能電站水工建筑物特點，以實時監(jiān)測資料為基礎，采用改進的統(tǒng)計數(shù)學模型并結(jié)合產(chǎn)生式專家系統(tǒng)方法對抽水蓄能電站水工建筑物安全性態(tài)進行快速評價。系統(tǒng)以水工建筑物安全問題為重點設計了推理對象，并可以靈活配置和擴展，開發(fā)相應的知識規(guī)則和推理目標，擴展和提升系統(tǒng)的使用效果。開發(fā)過程中對分析模型和推理機算法和知識庫進行了抽象，使其可快速應用于國內(nèi)外相似抽水蓄能電站監(jiān)測系統(tǒng)。

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作者簡介：陳照陽（1982-），男，河南開封人，河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司工程師，研究方向：水利水電工程建設運行管理。

（責任編輯：周 瓊）