崔何亮，張秀麗，王玉潔，周建波，柳 翔，楊 鴿

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

大壩安全監(jiān)測是水電站運行管理中的一項基礎工作，通過各類儀器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結合巡視檢查，有助于分析大壩的運行性態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)結構可能存在的問題，確保工程安全。

絕大多數(shù)大中型水電站大壩都建有安全監(jiān)測系統(tǒng)。在國家能源局大壩安全監(jiān)察中心（以下簡稱大壩中心）注冊的493座大壩中（截至2017年底），除了5座因工程規(guī)模較小僅開展巡視檢查外，其余的均設有變形、滲流等安全監(jiān)測設施，其中62%實現(xiàn)了自動化監(jiān)測。注冊大壩的測點數(shù)量平均為477個，三峽超過10 000個；自動化測點數(shù)量平均為412個，小灣、糯扎渡、大崗山、三陜和錦屏一級超過5 000個。

大壩的日常監(jiān)測工作以前大多由運行單位（電廠）的水工或監(jiān)測班組完成。近年來，隨著區(qū)域、流域化管理的發(fā)展和監(jiān)測外委業(yè)務的增加，據(jù)統(tǒng)計[1]，監(jiān)測工作完全由運行單位負責的僅占60%，由主管單位或流域公司負責組織進行的占6%，整體外委的占27%，變形測量等部分工作外委的占7%。

受技術水平和管理能力的限制，目前水電站大壩的監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作仍普遍存在一些問題。根據(jù)433座注冊大壩最近一次定檢或安鑒結論意見的統(tǒng)計，其中308座（71%）都存在三類監(jiān)測方面的問題：（1）監(jiān)測項目或測點不完備，工程隱患或重點關注部位未建測點；（2）部分監(jiān)測設施或方法不可靠，誤差和無效測值較多；（3）測讀不及時，檢查維護工作未按要求開展。綜合而言，對監(jiān)測工作不重視、監(jiān)測工作繁瑣、留不住人才、對工程認識不足、監(jiān)測儀器設備質量不高是監(jiān)測工作問題的主要原因[2]。

完備、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)是獲取有效數(shù)據(jù)的前提，及時、科學地對數(shù)據(jù)進行整理分析是監(jiān)控大壩安全的必要手段，監(jiān)測工作若存在問題，宜早發(fā)現(xiàn)、早處理，否則會導致錯誤長期累積，形成難以彌補的損失和人力資源浪費。監(jiān)測工作時間跨度長、數(shù)據(jù)量大，測沒測、測得好不好，依靠傳統(tǒng)的人工方式，難以完成精細化的管理。隨著計算機、數(shù)據(jù)集成、通訊、云計算等技術的發(fā)展，實現(xiàn)大壩安全遠程在線管理已經成為可能，借助新技術，可以迅速發(fā)現(xiàn)問題和異常，提升監(jiān)管水平[3]。

目前國內外的相關研究主要針對單個大壩的數(shù)據(jù)采集、整編和分析，也有少數(shù)區(qū)域化的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和集中信息管理系統(tǒng)，但還沒有專門針對監(jiān)測工作管理的系統(tǒng)。本研究以對安全監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作的在線監(jiān)督管理為目標，通過建立交互式平臺，探索高效便捷的反饋處理和長效閉環(huán)管理機制，確保數(shù)據(jù)采集、復測、復核等工作到位，保障監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。

1 在線監(jiān)測管理的基本思路

在線監(jiān)測管理的核心是以監(jiān)測信息為基礎，面向結果，通過建立多種數(shù)據(jù)檢驗方法、不同監(jiān)測項目相互印證法，提高異常信息的甄別速度和可靠度，有效評判監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)問題并反饋、監(jiān)督。按照如圖1所示的構架，應用互聯(lián)網、云存儲以及數(shù)據(jù)挖掘等信息技術，搭建可供現(xiàn)場監(jiān)測操作人員、水工技術員、技術管理者、行政管理人員、主管單位和專家團隊等各方信息共享、交流反饋、協(xié)同工作的平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲和傳輸監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)完備性評價、數(shù)據(jù)有效性識別、監(jiān)測系統(tǒng)運行情況實時評估、監(jiān)測工作存在問題及時反饋和閉環(huán)管理，不斷促進監(jiān)測管理工作水平的提升，提高監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性，為大壩安全評判提供數(shù)據(jù)支撐。

在線監(jiān)測管理的目標如圖2所示，主要是解決監(jiān)測過程中及時性、可靠性、完備性的問題，強化各方對監(jiān)測工作的重視和監(jiān)測人員的責任感，使得監(jiān)測工作的過程和質量可控。

圖1 監(jiān)測管理平臺主要功能和架構Fig.1 Main functions and architecture of monitoring manage?ment platform

圖2 在線監(jiān)測管理的目標Fig.2 Goal of online monitoring management

2 研究技術路線和要點

為實現(xiàn)在線監(jiān)測管理，建立可廣泛應用的在線監(jiān)管平臺，主要在以下幾方面開展了研發(fā)工作。

2.1 完善測點基礎信息

大壩安全監(jiān)測信息管理數(shù)據(jù)庫中，大多側重儀器的管理，對結構物相關的工程信息存儲不足，這對測值可靠性評判和監(jiān)測資料分析是不利的。因此，在線監(jiān)測管理要求完善大壩和邊坡變形、滲流等重要監(jiān)測項目必要的測點基礎信息，除了測點部位、樁號、高程、儀器等信息外，還包括諸如垂線的朝向、測縫計的方向、測壓管的孔口/孔底/基巖面高程、滲壓計或壓力表的安裝高程、量水堰的匯水區(qū)域、錨索的設計/鎖定/永存噸位等重要參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)缺失檢查和反饋

數(shù)據(jù)入庫或傳輸不及時的常見原因有四類：一是通訊或網絡中斷，需要及時恢復；二是人工測讀的數(shù)據(jù)錄入滯后，要求立即補充入庫；三是監(jiān)測設備故障或儀器損壞，要求盡快修復；四是未監(jiān)測，這種情況比較少。通過軟件自動核查存儲和傳輸過程中的數(shù)據(jù)缺失情況，對軟件系統(tǒng)故障進行快速識別，并立即向現(xiàn)場監(jiān)測工作人員發(fā)出缺報提醒，督促其及時處理問題，減少數(shù)據(jù)缺失率。

在線監(jiān)測管理平臺根據(jù)規(guī)定的監(jiān)測頻次，以一定的周期檢查各測點數(shù)據(jù)是否入庫，自動對缺失的測點（或分量）增加一條缺測記錄，并通過短信和微信進行提示。所有缺測記錄均由網頁顯示，生成“數(shù)據(jù)缺失表”，如圖3所示，可供各方人員隨時查詢和處理。

圖3 數(shù)據(jù)缺失記錄和反饋處理頁面Fig.3 Data missing record and feedback processing

2.3 數(shù)據(jù)有效值判別

選用恰當?shù)姆椒ㄊ潜O(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判斷結論合理可靠的依據(jù)。為此，本研究將多種異常數(shù)據(jù)識別方法進行有機結合，根據(jù)不同方法的適應性，針對不同測點、測值序列的特征選擇最適合的方法，設置相應的評判規(guī)則及指標。

數(shù)據(jù)有效性判別的總體流程如圖4所示。輸入歷史數(shù)據(jù)序列后，首先，將根據(jù)測點儀器量程和所監(jiān)測量的物理意義刪除歷史數(shù)據(jù)序列中明顯異常的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)序列中基本正常數(shù)據(jù)的總歷時、結束時間以及形態(tài)（例如周期性、趨勢性）等因素選擇有效性評判方法。此后，根據(jù)所選擇的評判方法，對歷史數(shù)據(jù)進行處理，并輸出對應于各個方法的有效性判別標準。

目前已應用的系統(tǒng)中采用了改進包絡域、奇異譜分析和統(tǒng)計模型三種數(shù)據(jù)有效性評判方法。圖5從方法的敏感性、易操作性、對數(shù)據(jù)序列的要求以及適用的數(shù)據(jù)序列類型等方面對上述方法進行了比較。其中，奇異譜法與統(tǒng)計回歸模型法對異常測值的敏感性近似較高，而改進包絡域法敏感性較弱。改進包絡域法的易操作性僅優(yōu)于奇異譜法；而由于建立統(tǒng)計回歸模型通常需要人工選擇回歸因子和回歸數(shù)據(jù)段，基于回歸模型的異常值識別方法的易操作性較弱。對歷史數(shù)據(jù)序列的要求方面，奇異譜法對數(shù)據(jù)序列長度要求略高于統(tǒng)計回歸模型法，而預測點前正常數(shù)據(jù)缺失太多時（例如多于1年）得出的預測結果也可能不可靠；改進包絡域法對數(shù)據(jù)序列長度要求相對較高，但對數(shù)據(jù)缺失、階躍等干擾的魯棒性更強?？煞治龅臄?shù)據(jù)序列類型方面，所有方法都可對平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列進行分析；統(tǒng)計回歸法和奇異譜法還可對具有周期性和趨勢性的序列進行分析，但對階梯型數(shù)據(jù)序列分析精度較差；而改進包絡域法對周期性、趨勢性以及階梯型數(shù)據(jù)都能進行分析。

圖4 在線監(jiān)測管理中應用的有效值識別方法Fig.4 Valid value recognition method used in online monitor?ing management

2.4 無效值識別和反饋

工程經驗表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)的“異常值”大多是儀器或監(jiān)測方法的問題，而隨著自動化系統(tǒng)的普及，其中毛刺狀的突跳誤差占了大多數(shù)。為提高管理的效率，把有限的人力資源集中到重點需要關注的問題上，在線監(jiān)測管理系統(tǒng)對識別的“無效值”進行了分類，篩選掉大量明顯粗差后，挑選出必須核查的測值，例如明顯的階躍或持續(xù)超限的情況，反饋現(xiàn)場監(jiān)測人員和相關管理者關注。

圖5 三種數(shù)據(jù)有效性判別方法的適用性Fig.5 Applicability of three valid value recognition methods

當發(fā)現(xiàn)最近測值無效時，通過與歷史無效值比對、后續(xù)測值比對等方式，將其分為三類：自動判定粗差數(shù)據(jù)、待核實數(shù)值、其他測值，通過網頁展示，如圖6所示?，F(xiàn)場人員對“待核實數(shù)據(jù)”必須進行查閱，檢查后，說明測值無效的原因（儀器設備故障、人工觀測誤差、外部擾動、計算有誤等），或經確認后說明測值有效（儀器設備維護或更換、計算公式或參數(shù)調整、測值真實變化等）。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)運行情況分析和統(tǒng)計

在線監(jiān)測管理平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，采用數(shù)據(jù)缺失率（缺測次數(shù)/統(tǒng)計期內的應測次數(shù)）和有效值比例（有效值測次/統(tǒng)計期內有數(shù)據(jù)的測次數(shù)量）兩個指標，對一定時間段內各測點的狀態(tài)進行分析，并根據(jù)測點優(yōu)劣分布的統(tǒng)計，對監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況進行評價。在線監(jiān)測管理平臺以月為單位對各大壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評判和統(tǒng)計，并且每季度或半年生成監(jiān)測系統(tǒng)運行情況（預）報告，生成圖7所示的網頁報表。相關責任人可在規(guī)定的期限內（如15 d）進行瀏覽和處理，到期系統(tǒng)將生成正式的報告并存檔。

圖6 無效測值反饋和處理頁面Fig.6 Invalid value feedback and processing

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)運行情況定期反饋報告Fig.7 Regular feedback report on monitoring system operation

2.6 監(jiān)測問題在線反饋流程

在線的分析離不開離線的現(xiàn)場檢查，而且后者往往更重要。因此，對監(jiān)測數(shù)據(jù)不能直接反映的監(jiān)測工作問題，如日常維護、校測、各類檢查、大壩安鑒、監(jiān)測專項驗收或專題分析等工作中發(fā)現(xiàn)的監(jiān)測完備性和可靠性問題，在線監(jiān)測管理平臺將通過任務流程的方式（如圖8所示）提示相關責任人限期處理，并對處理過程和結果進行記錄和監(jiān)督。

3 初步應用情況

本研究成果已達到實用化的程度，大壩中心已將其應用到了對注冊和備案大壩的日常監(jiān)管中，搭建了可供大壩中心與電力企業(yè)技術人員共享的交互管理平臺。以報送的監(jiān)測信息為基礎，實現(xiàn)對各大壩監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀、監(jiān)測工作存在問題的監(jiān)控和反饋，隨時、快速、有效地督促和指導電力企業(yè)不斷提升監(jiān)測工作水平，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性，為大壩安全評判提供依據(jù)。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測工作問題在線反饋流程Fig.8 Online feedback process for monitoring system and monitoring problem

電力企業(yè)使用本單位賬號登陸大壩中心網站后，即可通過點擊頁面左側的監(jiān)測管理相關按鈕查詢所轄大壩的情況并進行操作，各頁面中均有具體的操作說明，主要功能有以下幾方面。

3.1 監(jiān)測問題反饋

查詢監(jiān)測系統(tǒng)評判的結果以及大壩中心提出的監(jiān)測問題和要求，在完成后通過網頁說明處理情況。問題程度分為嚴重、一般、輕微等三類。對嚴重問題，大壩中心可能會同時發(fā)函督辦，一般問題多項或長期未按要求整改的，按嚴重問題處理。一般、輕微問題會通過系統(tǒng)自動發(fā)送郵件或短信、微信等方式提醒處理。問題類型分為報送數(shù)據(jù)不及時、監(jiān)測設施不可靠、監(jiān)測系統(tǒng)不完備、其他管理問題、多方面綜合問題等五類。截至2017年底，大壩中心已在線提出了268條監(jiān)測問題。

3.2 報送測點狀態(tài)表

查看大壩中心要求報送的測點范圍、監(jiān)測分量、頻次、最近測值日期，并可以在線申報測點狀態(tài)和頻次變更。對在測和應測的測點，其測點狀態(tài)顯示為“在測”；若最近的數(shù)據(jù)未按時報送，顯示“在測（缺報）”。對報送的絕大多數(shù)測點，其狀態(tài)為“在測”，對個別短期暫停、損壞待恢復的情況，從監(jiān)測需求的角度也屬于在測。

報送測點原則上不得停測，某些特殊情況下，如內部埋設儀器損壞后確實無法修復，或系施工期臨時項目、短期科研項目測點的，經技術論證說明可以中止監(jiān)測且經由主管單位審批后，可以在本頁面中如實申報測點狀態(tài)為“停測（損壞）”并說明原因。經大壩安全鑒定、定期檢查、注冊檢查、原設計單位正式論證后認定為可封存、報廢的，運行單位可將相關資料向大壩中心報告，由大壩中心將測點狀態(tài)修改為封存、報廢或移出報送測點表。

當發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)完備性不足時，大壩中心將要求相關單位進行測點修復或增補。

3.3 缺報反饋和異常數(shù)據(jù)反饋

查詢缺報信息和異常數(shù)據(jù)信息，經檢查核實后，說明缺報、缺測、數(shù)據(jù)無效、數(shù)據(jù)有效的原因。為實現(xiàn)反饋的及時性，還提供了手機端的提示，后期將逐步開放手機端的處理功能，實現(xiàn)移動狀態(tài)下的操作。

在線監(jiān)測管理平臺可以對所有大壩的監(jiān)測報送數(shù)據(jù)進行定期分析、評判和對比，也可以對不同大壩進行橫向比較。2017年12月，已納入監(jiān)測管理的543座大壩的月度評判結果（試行版）見表1和圖9。根據(jù)統(tǒng)計，其中有91座大壩綜合評判為差，約占1/6，其主要原因是報送不及時，對其進行了缺報提醒和反饋，對其中問題比較突出的，還采用了監(jiān)測問題的網上處理流程，限期整改。電力企業(yè)可據(jù)此加強自身監(jiān)測工作管理，認真履行主體責任，做好監(jiān)測工作。

表1 報送數(shù)據(jù)評級結果（2017年12月份）Table 1 Data rating results(December 2017)

圖9 大壩監(jiān)測系統(tǒng)在線評判結果列表Fig.9 List of online evaluation results in dam monitoring system

4 結語

在線監(jiān)測管理是一項全新的管理手段，通過互聯(lián)網、信息化等技術，可實現(xiàn)監(jiān)測信息的遠程傳輸、誤差自動識別、自動反饋，實時把握監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，反饋處理監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，評估監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。本技術旨在建立在線平臺，為大壩安全管理、監(jiān)測工作管理和監(jiān)測操作人員創(chuàng)造共同協(xié)作的交互環(huán)境，是互聯(lián)網+大壩監(jiān)測管理的管理創(chuàng)新，不僅可用于大壩中心的技術監(jiān)督管理，也能服務于電力企業(yè)內部的監(jiān)測管理和流域化、集團化管理，提高行業(yè)整體的監(jiān)測工作水平。 ■

[1]水電站大壩安全監(jiān)測工作情況報告(2015年度)[R].國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,2016.

[2]王玉潔,周建波.對《水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定》有關大壩安全監(jiān)測內容的解讀[J].大壩與安全,2015(2):15-16.

[3]張秀麗.用新理念新技術提升監(jiān)管水平[J].大壩與安全,2015(2):7-9

[4]發(fā)展改革委令第23號,水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定[Z].

[5]國能安全〔2016〕261號,水電站大壩運行安全信息報送辦法[Z].

[6]國能發(fā)安全〔2017〕61號,水電站大壩安全監(jiān)測工作管理辦法[Z].