水庫(kù)大壩多目標(biāo)安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)

1、水庫(kù)大壩多目標(biāo)安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)作者：劉崇干摘要：介紹了水庫(kù)大壩多目標(biāo)安全監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的系繞結(jié)構(gòu)、水情監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)控專(zhuān)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(cè)控技術(shù)與信息技術(shù)的優(yōu)化結(jié)合，執(zhí)行多目標(biāo)動(dòng) 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(shí)行自動(dòng)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(biāo) 安全監(jiān)控 防洪調(diào)度 優(yōu)化調(diào)度 復(fù)擬合模型1研建系統(tǒng)目的當(dāng)前水安全和水資源 問(wèn)題已經(jīng)成為制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出 因素.建立兼顧防災(zāi)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(wèn)題特別是因洪水、地質(zhì)災(zāi)害等 自然災(zāi)害以 及工程結(jié)構(gòu)隱患和異變等因素所引

2、發(fā)的突發(fā)事故，其危害巨大，而傳 統(tǒng)單目標(biāo)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚缺乏對(duì)此類(lèi)突發(fā)事故的實(shí)時(shí)防范能 力，也欠缺監(jiān)測(cè)、控制和水資源管理一體化的功能 .因此而研建的水 庫(kù)大壩多目標(biāo)安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)，其目的是通過(guò)對(duì)水情及大壩安全 的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故尤其是突發(fā)事故先兆，迅速做出反 應(yīng)，實(shí)時(shí)給予決策支持并實(shí)施自動(dòng)控制， 為工程和相關(guān)地區(qū)提供安全保障；為管理部門(mén)提供多層次信息管理和決策支持手段， 在兼顧防災(zāi) 和水資源優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上實(shí)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(biāo)監(jiān)控技術(shù)與信息技術(shù)的優(yōu)化結(jié)合.由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng) 絡(luò)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層、工程管理層

3、和管理中心結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)因地制宜采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)加光纜通信或無(wú)線(xiàn)通信.現(xiàn)場(chǎng)各 類(lèi)測(cè)控儀表通過(guò)自研的通信匹配器集中連接到遠(yuǎn)程測(cè)控執(zhí)行模塊.各測(cè)控模塊以RS485總線(xiàn)連接到本地遠(yuǎn)程終端單元（RTU .分散在各工 程建筑物和庫(kù)區(qū)遙測(cè)站的 RTU以光纜、電纜或數(shù)傳電臺(tái)與中控室的監(jiān) 控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng).工程管理層局域網(wǎng)連接服務(wù)器、在線(xiàn)監(jiān)控機(jī)、離線(xiàn)管理機(jī)和其他 工作站.工程管理層服務(wù)器上建立網(wǎng)站，配置遠(yuǎn)程查詢(xún)服務(wù)軟件系統(tǒng).通 過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為管理中心、上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門(mén)提供遠(yuǎn)程查詢(xún)和決策支持 手段.3在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)主要執(zhí)行以下任務(wù).3.1值班監(jiān)控值班監(jiān)控任務(wù)包括水情監(jiān)測(cè)與 分析，在大型模擬

4、屏顯示實(shí)時(shí)水、 雨、工情，防洪警戒，大壩關(guān)鍵部位安全監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)及安全性評(píng) 判，按水情與調(diào)度方案執(zhí)行自動(dòng)控制.3.2水情監(jiān)測(cè)水情監(jiān)測(cè)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被系統(tǒng)共享，是系統(tǒng)執(zhí)行水情預(yù)報(bào)、防洪 安全監(jiān)控、大壩及周邊安全監(jiān)測(cè)、水庫(kù)運(yùn)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(xiàn)監(jiān)控機(jī)接收和采集水、雨情數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，寫(xiě)入水、雨情 實(shí)時(shí)和時(shí)段數(shù)據(jù)庫(kù)；定時(shí)啟動(dòng)水情預(yù)報(bào)模型進(jìn)行水情實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)作業(yè).根據(jù)監(jiān)測(cè)水情和水情預(yù)報(bào)，執(zhí)行防洪安全監(jiān)控.采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型技術(shù)，提高短期水情預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，使水情信息有效地用于防災(zāi)和水資源管理.3.3大壩安全監(jiān)測(cè)定時(shí)對(duì)各大壩和其他水工建筑物及周邊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)巡測(cè)或

5、臨時(shí)召 測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗(yàn)和初步處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù).利用預(yù)報(bào)模型和相關(guān)的水情信息對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)并根據(jù)安全監(jiān)控指標(biāo)評(píng)判安 全度.采用復(fù)擬合模型技術(shù)和動(dòng)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(biāo).3.4專(zhuān)家系統(tǒng)支持下的防洪在線(xiàn)決策支持和閘站調(diào)控在汛期，當(dāng)預(yù)報(bào)壩前水位將要超過(guò)警戒值時(shí)， 系統(tǒng)發(fā)出聲光警報(bào) 并驅(qū)動(dòng)安全監(jiān)控專(zhuān)家系統(tǒng).專(zhuān)家系統(tǒng)收集有關(guān)水、雨、工情，從模型 庫(kù)調(diào)用調(diào)洪分析等模型，檢索知識(shí)庫(kù)內(nèi)的知識(shí)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(yù)報(bào)行洪過(guò)程、建議安全 措施、提供修改方案參考資料、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等.方案獲準(zhǔn)后，專(zhuān)家 系統(tǒng)連接閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)，執(zhí)行泄洪過(guò)程監(jiān)

6、控.所開(kāi)發(fā)的安全監(jiān)控專(zhuān)家系統(tǒng)是在線(xiàn)決策控制型人工智能系統(tǒng).它 完全由信息驅(qū)動(dòng)，全自動(dòng)執(zhí)行演繹推理和監(jiān)控.其主要目標(biāo)是當(dāng)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(dòng)控 制.4信息管理配置在管理計(jì)算機(jī)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(wù)器上配置數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程查詢(xún)服務(wù) 系統(tǒng).信息管理功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.-安仝能卩趨皚 -一鈕一一HUSHED«r*f*賺計(jì)甘析岳§頁(yè)神忖HHlBkw丄找合補(bǔ)伯nr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(kāi)發(fā)多目標(biāo)動(dòng)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(yù)報(bào)準(zhǔn)確度；開(kāi)發(fā)

7、可以跟蹤并預(yù)報(bào)監(jiān)控 對(duì)象異常變化的動(dòng)態(tài)跟蹤模型技術(shù).這對(duì)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(yīng)用于多個(gè)水利工程的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控和 安全分析，均取得了良好效果.5.1復(fù)擬合模型按傳統(tǒng)方法建立模型時(shí)，通常采用時(shí)段平均或取離散時(shí)刻等概略 方法代表外荷載對(duì)效應(yīng)量的滯后作用，不能確切地反映實(shí)際上是非線(xiàn) 性連續(xù)的滯后作用，模型的延伸預(yù)報(bào)精度較差.采用復(fù)擬合模型較好 地解決了上述問(wèn)題.復(fù)擬合是指：用不同多項(xiàng)式擬合各外荷載對(duì)效應(yīng)量的滯后作用過(guò) 程，用這些多項(xiàng)式線(xiàn)性組合來(lái)擬合效應(yīng)量觀測(cè)序列.建立復(fù)擬合模型 的技術(shù)要點(diǎn)是：經(jīng)過(guò)相關(guān)趨勢(shì)分析和相關(guān)頻譜分析， 分別確定各種外 荷載量同效應(yīng)量之間的相關(guān)性、

8、滯后相位差和滯后 影響時(shí)段長(zhǎng)度.用 影響梯度函數(shù)模擬在滯后影響時(shí)段，外荷載對(duì)效應(yīng)量的非線(xiàn)性影響過(guò) 程；再用包含影響梯度函數(shù)的高階多項(xiàng)式來(lái)模擬該時(shí)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(diǎn).復(fù)擬合模型最 終形式為表征各種外荷載作用過(guò)程的多項(xiàng)式以及時(shí)效函數(shù)的線(xiàn)性組 合.復(fù)擬合模型已被應(yīng)用于許多特大和大、 中型水利工程的安全分析 評(píng)價(jià)和聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控.應(yīng)用效果表明，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(yù)報(bào)準(zhǔn)確（見(jiàn) 圖3正常狀態(tài)段，即10月前的預(yù)報(bào)過(guò)程線(xiàn)）.動(dòng)臺(tái)聲陽(yáng)殆擢愎I934bTM9Lfl圖3復(fù)擬合模型預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)值對(duì)比過(guò)

9、程線(xiàn)5.2動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)模型屬靜態(tài)模型，反映監(jiān)測(cè)對(duì)象和水、情、工情以 往一般變化規(guī)律，不能識(shí)別和跟蹤預(yù)報(bào)包括突發(fā)事故的異常現(xiàn)象，不 適宜動(dòng)態(tài)高精度短期預(yù)報(bào).對(duì)于水工結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)控，為跟蹤預(yù)報(bào)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(jī)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(yīng)力低于材料的屈服極限，但在長(zhǎng)期交變或突變應(yīng)力作 用下，其材料有可能進(jìn)一步老化、惡化，并可能發(fā)生突變以至破壞.對(duì)于大壩及周邊這樣的監(jiān)控對(duì)象，這類(lèi)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(guò)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(shí)甚至更早出現(xiàn).因此，通過(guò)連續(xù)跟蹤預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài) 監(jiān)控，有可能對(duì)事故予以防范.基于上述考慮而研究開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型技術(shù)， 其技術(shù)要點(diǎn)包 括：采用常規(guī)方法建立預(yù)報(bào)/監(jiān)控模型；模型運(yùn)行中采用誤差傳遞法 進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，優(yōu)化積累信息；每次預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)，根據(jù)新的監(jiān)測(cè)信息 和預(yù)報(bào)偏差動(dòng)態(tài)修正模型，以適應(yīng)監(jiān)控對(duì)象的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤； 相應(yīng)的安全監(jiān)控指標(biāo)取設(shè)計(jì)臨界值，如計(jì)算最大應(yīng)力、應(yīng)變等.應(yīng)用效果表明，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模型適用于安全監(jiān)控對(duì)象發(fā)生非正常 規(guī)律的變化情況下進(jìn)行跟蹤和預(yù)報(bào)；也適用于水情、工情多變，無(wú)定 常規(guī)律