范 哲 ，黎利兵 ，商玉潔

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

水工建筑物任何潛在的破壞形式都可能造成災(zāi)難，對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，因此水工建筑物的工程安全問(wèn)題一直備受關(guān)注。為了確保水工建筑物的安全，并對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，在水工建筑物中安裝和埋設(shè)大量的傳感器并形成安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)大型水壩靜、動(dòng)態(tài)行為［1］。針對(duì)這些水工建筑物，開(kāi)發(fā)和部署了各種監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)建筑物的狀態(tài)，實(shí)時(shí)捕捉異常狀態(tài)并發(fā)出警報(bào)。目前，水庫(kù)大壩的安全管理體制、法律法規(guī)已較為規(guī)范和成熟，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也較為完善。20世紀(jì)80年代初，意大利針對(duì)混凝土壩制定MAMS（微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和在線監(jiān)測(cè)；90年代又相繼開(kāi)發(fā)了INDACO［2］，MISTRAL［3］和 DAMSAFE［4］，將人工智能應(yīng)用于大壩安全管理，使之在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用。法國(guó)政府自1959年馬爾帕薩（Malpas?set）混凝土拱壩發(fā)生坍塌事故起就高度重視大壩安全。至今為止，由法國(guó)電力公司開(kāi)發(fā)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已監(jiān)測(cè)了150多座大壩的測(cè)量數(shù)據(jù)。我國(guó)國(guó)內(nèi)水庫(kù)大壩也相繼安裝了大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并針對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化進(jìn)行了相關(guān)研究，以達(dá)到對(duì)大壩結(jié)構(gòu)發(fā)生異常實(shí)時(shí)預(yù)警的目的。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的理論和人工智能方法在大壩安全管理中得到應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化安全評(píng)價(jià)，大壩安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中采用了專家評(píng)估法［5］、綜合法［6］、模糊綜合法［7］及模式識(shí)別［8］等理論和方法。然而，這些方法在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中并未得到廣泛地應(yīng)用。建筑物報(bào)警系統(tǒng)也應(yīng)適應(yīng)時(shí)代要求逐漸智能化，以便準(zhǔn)確掌握大壩運(yùn)行性態(tài)，及時(shí)處理異常情況。本研究借鑒大壩安全預(yù)警系統(tǒng)模型和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合南水北調(diào)中線工程特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了南水北調(diào)中線工程可視化智能預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的離線分析和在線分析兩種手段提出監(jiān)測(cè)預(yù)警的評(píng)價(jià)體系，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和建筑物的安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常并采取補(bǔ)救措施、降低結(jié)構(gòu)失事風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支撐服務(wù)。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)，其預(yù)警體系與預(yù)警模型的建立將為我國(guó)類似的引調(diào)水工程安全監(jiān)測(cè)提供有益的參考或借鑒。

2 工程安全評(píng)價(jià)及報(bào)警

建筑物的安全性取決于測(cè)點(diǎn)的測(cè)量情況和檢驗(yàn)結(jié)果，即定性分析和定量分析。定性分析是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括。定量分析是從數(shù)量和變化趨勢(shì)兩方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立統(tǒng)計(jì)模型后，利用時(shí)效分量對(duì)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［9］和大壩的數(shù)據(jù)分析中都要求確定監(jiān)控指標(biāo)。監(jiān)控指標(biāo)是指不同時(shí)段監(jiān)測(cè)量的安全邊界值，對(duì)大壩的安全管理起到了重要的作用。該系統(tǒng)在項(xiàng)目的不同時(shí)段以設(shè)計(jì)指標(biāo)、模型指標(biāo)和特征指標(biāo)作為監(jiān)控指標(biāo)。設(shè)計(jì)指標(biāo)是由設(shè)計(jì)單位提供的每一項(xiàng)監(jiān)測(cè)量的設(shè)計(jì)值，是一個(gè)先驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。模型指標(biāo)是從統(tǒng)計(jì)回歸模型得到的統(tǒng)計(jì)值。特征指標(biāo)是在一個(gè)特定的時(shí)間段內(nèi)測(cè)值的最大值或最小值。在實(shí)際操作過(guò)程中，模型指標(biāo)和特征指標(biāo)一直在變化，作為后驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。通常根據(jù)實(shí)際情況，特別是運(yùn)行初期，測(cè)點(diǎn)無(wú)法提出有效的設(shè)計(jì)指標(biāo)，或者設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)際情況不符時(shí)，可采用模型指標(biāo)進(jìn)行判別。統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確性決定了模型指標(biāo)的可靠性，因此需要考慮多種環(huán)境量因子和影響統(tǒng)計(jì)模型的因素?？傊_定監(jiān)控指標(biāo)是定量分析的基礎(chǔ)、是進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟。定性分析主要依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果、建筑物特點(diǎn)和工程師經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)工程安全是否受到影響，定性分析的結(jié)果分為正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)兩種。建筑物的安全評(píng)價(jià)是定量分析與定性分析的結(jié)合。

2.1 測(cè)點(diǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)

首先針對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)展開(kāi)評(píng)價(jià)。排除測(cè)量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或粗差后，擬將測(cè)點(diǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)分為A、B、C、D、E，如表1所示。其中，等級(jí)A表示測(cè)點(diǎn)狀態(tài)良好，測(cè)值在監(jiān)控指標(biāo)范圍內(nèi)；等級(jí)B和C表示測(cè)值超界，不在監(jiān)控指標(biāo)范圍內(nèi)；等級(jí)D和E表示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)異常，時(shí)效分量呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)，需加以重視。測(cè)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖1。

表1 測(cè)點(diǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)

圖1 測(cè)點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)流程

2.2 建筑物安全評(píng)價(jià)及報(bào)警

在測(cè)點(diǎn)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行分類。評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量劃分的多少，是一個(gè)涉及到評(píng)價(jià)目的、已有方法或相應(yīng)規(guī)范、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、人類心理活動(dòng)與認(rèn)知能力等多方面因素的問(wèn)題。然而，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)特性和最終評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量劃分目前尚無(wú)規(guī)范可循。若評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量劃分的過(guò)少，將失于粗略，難以全面真實(shí)地反映評(píng)價(jià)對(duì)象的工作狀態(tài)；若評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量劃分得過(guò)多，將過(guò)于繁瑣，加大評(píng)價(jià)等級(jí)之間界限的確定難度和計(jì)算工作量。因此，本文借鑒美國(guó)墾務(wù)局對(duì)大壩安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管理辦法，并基于實(shí)際工程提出了建筑物的安全綜合評(píng)價(jià)方法。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警，建筑物的評(píng)價(jià)等級(jí)可分為以下4個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表2），分別以綠、藍(lán)、黃、橙4種不同顏色表示。其中，綠色代表各因素測(cè)量數(shù)據(jù)都在模型指標(biāo)和監(jiān)控指標(biāo)范圍內(nèi)，建筑物運(yùn)行正常，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常；黃色代表各因素測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)超過(guò)模型指標(biāo)的情況，但設(shè)計(jì)指標(biāo)和監(jiān)控指標(biāo)未超界，建筑物的運(yùn)行基本正常，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常；橙色代表各因素測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常測(cè)點(diǎn)，或者是在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)構(gòu)可能存在一定的破壞；紅色代表建筑物存在嚴(yán)重的安全問(wèn)題。若確定了建筑物的狀態(tài)，則在地圖界面上顯示對(duì)應(yīng)的顏色。圖2中所有的水工建筑物被標(biāo)為綠色，說(shuō)明建筑物都處于正常狀態(tài)。右上角的文本顯示了每種建筑物的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果。報(bào)警系統(tǒng)流程狀態(tài)見(jiàn)圖3。

表2 建筑物安全評(píng)價(jià)等級(jí)及判斷依據(jù)

圖2 工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作界面

圖3 報(bào)警流程狀態(tài)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)及報(bào)警

3.1 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可用，因此，首先應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，再對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和長(zhǎng)期觀測(cè)精度測(cè)試與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的檢查結(jié)果。將測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分為A、B、C三級(jí)，見(jiàn)表3。只有等級(jí)A或等級(jí)B的數(shù)據(jù)才能用于進(jìn)一步分析。

表3 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)等級(jí)

為避免安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量劃分得過(guò)多，導(dǎo)致判斷、處理測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)于繁瑣，使報(bào)警頻繁和管理難度增加，結(jié)合南水北調(diào)工程實(shí)際情況，系統(tǒng)采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)等級(jí)

3.2 在線和離線綜合評(píng)價(jià)及報(bào)警

綜合分析評(píng)價(jià)根據(jù)啟動(dòng)方式不同可分為在線綜合評(píng)價(jià)和離線綜合評(píng)價(jià)。在線綜合分析評(píng)價(jià)是一個(gè)服務(wù)器后臺(tái)的程序，沒(méi)有操作界面，客戶端可以對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)、停止、設(shè)置運(yùn)行頻率等。在線綜合分析評(píng)價(jià)模塊主要分為以下4個(gè)部分：

（1）單點(diǎn)各類標(biāo)準(zhǔn)檢查和單點(diǎn)信息定量化。系統(tǒng)采用3種標(biāo)準(zhǔn)作為單個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢查標(biāo)準(zhǔn)：①模型標(biāo)準(zhǔn)，以統(tǒng)計(jì)模型為主。②速率（包括加速度）標(biāo)準(zhǔn)。③監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和重癥標(biāo)準(zhǔn)。各類標(biāo)準(zhǔn)檢查完成以后，定量確定單點(diǎn)的狀態(tài)，并將測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)檢查結(jié)果進(jìn)行保存。

（2）在單點(diǎn)定量化的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物巡視檢查結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，完成對(duì)建筑物安全狀態(tài)的綜合評(píng)估。

（3）系統(tǒng)根據(jù)異常程度，自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)級(jí)別的報(bào)警，作為輔助決策的依據(jù)。

（4）系統(tǒng)自動(dòng)輸出兩類檢查信息。一類為單個(gè)測(cè)點(diǎn)檢查結(jié)果，并對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行匯總；另一類為按建筑物所得安全評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)安全狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。用戶可通過(guò)在線綜合分析推理結(jié)果顯示界面了解在線檢查結(jié)果。

離線綜合分析系統(tǒng)主要是為分析人員提供綜合分析的集合環(huán)境及有效支持。用戶可以通過(guò)檢查圖標(biāo)來(lái)進(jìn)行離線綜合分析，圖標(biāo)包括任何時(shí)段的測(cè)量時(shí)間圖、相關(guān)圖、分布圖及特征值。設(shè)置不同類型的指標(biāo)，如最小速率、最小加速度。點(diǎn)擊離線綜合推理圖標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)顯示離線綜合分析結(jié)果。單點(diǎn)信息定量化同樣適用于離線綜合分析。建立模塊的方法很多，可用于進(jìn)一步分析。該模塊對(duì)特定的分析模式進(jìn)行調(diào)整，并將評(píng)價(jià)過(guò)程設(shè)置為在線分析。一旦建筑物發(fā)生異常，操作員可以根據(jù)最新的分析結(jié)果發(fā)出警報(bào)。

綜合建筑物安全評(píng)價(jià)等級(jí)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)，在建筑物安全或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，分別發(fā)出4級(jí)報(bào)警，見(jiàn)表5。報(bào)警器的報(bào)警流程包括報(bào)警接收、報(bào)警處理和報(bào)警排除。報(bào)警排除可通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表5 報(bào)警級(jí)別分類

4 結(jié)論

（1）本文闡述了長(zhǎng)距離調(diào)水工程安全評(píng)價(jià)與預(yù)警的方法，提出了工程安全與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警的分級(jí)準(zhǔn)則，結(jié)合在線分析和離線分析方法確定了南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)的預(yù)警機(jī)制，通過(guò)建立工程安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)為南水北調(diào)中線干線工程的安全保駕護(hù)航。

（2）目前，安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠基本保障工程的安全運(yùn)行，可以對(duì)工程或系統(tǒng)出現(xiàn)的異常狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。但長(zhǎng)距離調(diào)水工程建筑物的狀態(tài)在施工階段、早期運(yùn)行階段和長(zhǎng)期運(yùn)行階段都有很大的不同，應(yīng)根據(jù)工程不同階段分別制定相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)。同時(shí)，監(jiān)控模型的設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)確保與實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)，模型指標(biāo)和特征值指標(biāo)需有3～5 a以上歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使監(jiān)控模型在不斷調(diào)整后仍滿足精度要求。

（3）在線和離線綜合分析推理過(guò)程需結(jié)合建筑物具體失效模式或失效路徑進(jìn)行深入研究。此外，在單點(diǎn)定量分析基礎(chǔ)上，定量分析巡視檢查結(jié)果并實(shí)現(xiàn)二者的有效結(jié)合也是下一步研究工作的重點(diǎn)。