牛廣利 胡雨新 胡蕾 李天旸 方豪文

摘要：工程安全綜合評價(jià)是實(shí)現(xiàn)工程安全“四預(yù)”的核心和關(guān)鍵，然而傳統(tǒng)方法存在著難以全面、可靠、實(shí)時(shí)獲取工程安全狀態(tài)的問題。結(jié)合數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，開展工程安全綜合評價(jià)模型研究工作，提出了工程安全綜合評價(jià)的總體技術(shù)路線，通過構(gòu)建工程安全綜合評價(jià)體系，制定了測點(diǎn)評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則，通過融合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算成果和巡視檢查信息，綜合判別工程安全運(yùn)行性態(tài)；同時(shí)基于數(shù)字孿生平臺(tái)框架，集成開發(fā)了工程安全綜合評價(jià)功能模塊。目前，研究成果已在數(shù)字孿生丹江口工程中實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用，模型評價(jià)結(jié)果合理，功能集成方案可行，可為同類數(shù)字孿生水利工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：工程安全； 綜合評價(jià)模型； 數(shù)字孿生； 丹江口水利樞紐

中圖法分類號： TV39；TP319

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.031

0引 言

水利工程是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，中國是世界上水庫大壩數(shù)量最多的國家，工程安全事關(guān)國計(jì)民生和公共安全，具有重要的戰(zhàn)略意義［1］?！丁笆奈濉敝腔鬯ㄔO(shè)規(guī)劃》中提出“推進(jìn)傳統(tǒng)水利工程向新型水利基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型，加快已建水利工程智能化改造，推進(jìn)數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，為水利工程安全高效運(yùn)行提供有力保障”［2］?！稊?shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（以下簡稱“導(dǎo)則”）中要求：數(shù)字孿生水利工程應(yīng)以工程安全為核心目標(biāo)，保證數(shù)字孿生體與物理體條件及其響應(yīng)的同步和一致性，突出數(shù)字孿生體前瞻性預(yù)演作用；構(gòu)建安全性態(tài)預(yù)測、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、安全狀態(tài)預(yù)演、安全處置預(yù)案“四預(yù)”功能，實(shí)現(xiàn)工程安全智能分析預(yù)警，守住工程安全底線［3］。

目前，基于監(jiān)測資料建立的單測點(diǎn)監(jiān)控模型［4］或擬定的監(jiān)控指標(biāo)［5］，僅能體現(xiàn)特定部位或部分監(jiān)測項(xiàng)目的安全性態(tài)及變化規(guī)律，難以反映工程整體安全性態(tài)；而依據(jù)規(guī)程規(guī)范開展的安全評價(jià)和安全鑒定工作［6］，又由于流程復(fù)雜、涉及面廣，往往歷時(shí)較長，難以發(fā)揮實(shí)時(shí)評價(jià)預(yù)警的作用。因此，如何綜合評價(jià)工程安全狀態(tài)，并與數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)有效集成，是實(shí)現(xiàn)工程安全“四預(yù)”亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文結(jié)合數(shù)字孿生水利工程建設(shè)及工程安全運(yùn)行需要，開展工程安全綜合評價(jià)模型研究，以求全面、可靠、實(shí)時(shí)地掌握工程安全狀態(tài)，為工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和安全狀態(tài)預(yù)演業(yè)務(wù)提供“算法”支撐，為工程調(diào)度運(yùn)行提供決策支持。

1總體技術(shù)路線

數(shù)字孿生水利工程主要由信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系構(gòu)成［7］；其中，工程安全智能分析預(yù)警應(yīng)用作為數(shù)字孿生水利工程建設(shè)中的核心業(yè)務(wù)應(yīng)用之一，可有效提升工程安全運(yùn)行保障水平與突發(fā)事件應(yīng)急處置能力［8］。

基于數(shù)字孿生總體框架，針對工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安全隱患與薄弱環(huán)節(jié)，開展工程安全綜合評價(jià)模型研究，構(gòu)建工程安全綜合評價(jià)體系，制定測點(diǎn)級評判規(guī)則和逐級融合評判規(guī)則；基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，融合結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算、巡視檢查等多源多維度信息，在工程安全智能分析預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)工程安全運(yùn)行狀態(tài)的綜合評價(jià)，支撐工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和安全狀態(tài)預(yù)演業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)建的工程安全綜合評價(jià)模型其總體技術(shù)路線如圖1所示。

（1） 收集工程資料。

收集工程設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行相關(guān)資料，尤其是安全監(jiān)測布置、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、整編分析報(bào)告、專題研究報(bào)告等各類資料，并納入數(shù)字孿生知識(shí)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（2） 分析監(jiān)控重點(diǎn)。

針對工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析重點(diǎn)部位和薄弱環(huán)節(jié)，確保能夠全面反映大壩安全運(yùn)行性態(tài)。

（3） 構(gòu)建評價(jià)體系。

構(gòu)建由監(jiān)控對象、監(jiān)控部位、監(jiān)控項(xiàng)目和監(jiān)控測點(diǎn)組成的工程安全綜合評價(jià)體系，體系覆蓋工程安全性態(tài)的重要監(jiān)控內(nèi)容和重點(diǎn)關(guān)注問題。

（4） 制定測點(diǎn)評判規(guī)則。

針對具體監(jiān)控測點(diǎn)，建立測點(diǎn)級評判規(guī)則，將測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的測點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行對比，判別實(shí)測數(shù)據(jù)是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點(diǎn)級安全性態(tài)。

（5） 制定逐級評判規(guī)則。

根據(jù)工程安全綜合評價(jià)體系結(jié)構(gòu)，建立監(jiān)控測點(diǎn)→監(jiān)控項(xiàng)目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象的逐級評判規(guī)則，為綜合評判提供依據(jù)。

（6） 綜合評價(jià)計(jì)算。

基于工程安全綜合評價(jià)體系、測點(diǎn)評判規(guī)則、逐級評判規(guī)則，融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果和巡檢結(jié)果，實(shí)現(xiàn)綜合評價(jià)計(jì)算，最終得到工程安全運(yùn)行性態(tài)。

本文所構(gòu)建的工程安全綜合評價(jià)模型，其主要目的是得到基于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的大壩安全運(yùn)行性態(tài)，便于運(yùn)行管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測異?，F(xiàn)象，并及時(shí)針對性地開展專項(xiàng)分析和現(xiàn)場核查，必要時(shí)可啟動(dòng)會(huì)商研判機(jī)制，確定進(jìn)一步處置措施。

2評價(jià)體系建立

工程安全評價(jià)體系作為綜合評價(jià)模型的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、監(jiān)測項(xiàng)目布置以及實(shí)際運(yùn)行情況分析確定，充分體現(xiàn)安全監(jiān)測儀器設(shè)施作為工程安全的“耳目”作用［9］，并覆蓋重點(diǎn)監(jiān)控內(nèi)容，反映重點(diǎn)關(guān)注的工程安全問題。

工程安全評價(jià)體系一般可劃分為工程安全狀態(tài)層、監(jiān)控對象層、監(jiān)控部位層、監(jiān)控項(xiàng)目層和監(jiān)控測點(diǎn)層共計(jì)5個(gè)層級。其中，最頂層為最終得到的工程安全狀態(tài)，最底層為具體的監(jiān)測儀器設(shè)施，上下層之間具有關(guān)聯(lián)隸屬關(guān)系，形成一個(gè)多層遞階的體系結(jié)構(gòu)。

通用化工程安全綜合評價(jià)體系見表1，具體工程可參照并經(jīng)針對性修改后確定。

3評判規(guī)則制定

評判規(guī)則是工程安全綜合評價(jià)模型的核心，包括測點(diǎn)評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則。通過確定評判規(guī)則，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控測點(diǎn)→監(jiān)控項(xiàng)目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象逐級安全狀態(tài)的定量化度量，得到工程安全運(yùn)行性態(tài)結(jié)果。

3.1測點(diǎn)評判規(guī)則

監(jiān)控測點(diǎn)層作為工程安全評價(jià)體系的最底層，具體測點(diǎn)的評判結(jié)果是綜合評價(jià)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過制定明確的測點(diǎn)評判規(guī)則，擬定測點(diǎn)安全監(jiān)控指標(biāo)［10］，判別測點(diǎn)實(shí)測值是否有效、是否超限、是否存在趨勢性變化，從而確定測點(diǎn)級安全性態(tài)。

測點(diǎn)評判規(guī)則主要包括固定限值評判規(guī)則、特征值評判規(guī)則和監(jiān)控模型評判規(guī)則。

（1） 固定限值評判規(guī)則。固定限值監(jiān)控指標(biāo)一般根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)成果、儀器量程范圍等進(jìn)行確定，也可以通過典型小概率法、結(jié)構(gòu)仿真等方法計(jì)算得出；固定限值包括測值上限、測值下限或測值區(qū)間，可針對測值的絕對值、變化量、變化速率分別設(shè)置固定限值。

（2） 特征值評判規(guī)則。將測點(diǎn)監(jiān)測物理量的統(tǒng)計(jì)特征值、特定工況測值作為特征值監(jiān)控指標(biāo)，如歷史最大值、近3 a最大值、歷史最高水位工況下的實(shí)測值等。

（3） 監(jiān)控模型評判規(guī)則。針對測點(diǎn)監(jiān)測物理量建立數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，定量分析測值的歷史變化規(guī)律，解析其水壓分量、溫度分量和時(shí)效分量組成，并采用置信區(qū)間法確定監(jiān)控指標(biāo)。

根據(jù)測點(diǎn)監(jiān)測物理量偏離安全監(jiān)控指標(biāo)的絕對值或者百分比，定量評估測值的異常程度，可將測點(diǎn)級安全狀態(tài)劃分為正常、輕微異常、一般異常和嚴(yán)重異常4個(gè)等級，具體定量評價(jià)規(guī)則可根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2逐級評判規(guī)則

在測點(diǎn)評判的基礎(chǔ)上，制定逐級評判規(guī)則，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控測點(diǎn)→監(jiān)控項(xiàng)目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對象的逐級融合評判，以及逐級安全狀態(tài)的定量化度量，最終得到工程安全運(yùn)行性態(tài)結(jié)果。

逐級評判具體可采用加權(quán)評分、綜合推理等評判規(guī)則。

（1） 加權(quán)評分評判規(guī)則?？刹捎弥饔^賦權(quán)法或客觀賦權(quán)法［11］確定監(jiān)控體系中各個(gè)監(jiān)控對象、監(jiān)控部位、監(jiān)控項(xiàng)目和監(jiān)控測點(diǎn)的權(quán)重；根據(jù)各監(jiān)控測點(diǎn)的安全評判結(jié)果，計(jì)算監(jiān)控測點(diǎn)層評分；根據(jù)各層監(jiān)控體系權(quán)重，逐級向上計(jì)算各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的加權(quán)評分，最終得到工程安全狀態(tài)的綜合評分，從而確定工程安全狀態(tài)等級。

（2） 綜合推理評判規(guī)則。通過與、非、或3種邏輯運(yùn)算符號，建立綜合評價(jià)體系中各個(gè)層級之間的評判規(guī)則表達(dá)式，采用規(guī)則推理的方法［12］，利用下一層的安全狀態(tài)推理得到上一層的安全狀態(tài)，并將巡視檢查信息、結(jié)構(gòu)安全計(jì)算結(jié)果納入評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)多源信息融合的綜合推理評判。

另外，還可引入云模型、D-S證據(jù)理論等方法，充分考慮綜合安全評價(jià)的不確定性，通過計(jì)算工程安全狀態(tài)的概率分布，克服安全狀態(tài)等級之間的模糊性和隨機(jī)性問題，從而降低綜合安全評判的主觀性影響［13-14］。

4數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

基于工程安全綜合評價(jià)模型算法邏輯和評價(jià)流程，遵循數(shù)字孿生水利工程總體技術(shù)框架，利用數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等數(shù)字孿生引擎，集成可視化模型和相關(guān)技術(shù)體系，在工程安全智能分析預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用中開發(fā)綜合評價(jià)模塊，為工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和安全狀態(tài)預(yù)演提供基礎(chǔ)支撐。

（1） 數(shù)據(jù)底板集成。數(shù)據(jù)底板匯聚了地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、巡視檢查系統(tǒng)等采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。工程安全綜合評價(jià)模塊通過接口調(diào)用的方式，從數(shù)據(jù)底板中獲取安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)、巡視檢查信息等數(shù)據(jù)資源，為工程安全綜合評價(jià)模型運(yùn)行提供“算據(jù)”基礎(chǔ)。

（2） 模型平臺(tái)集成。模型平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了水利專業(yè)模型的統(tǒng)一管理、發(fā)布、配置和運(yùn)行；工程安全綜合評價(jià)模型通過標(biāo)準(zhǔn)化接口注冊至模型平臺(tái)，明確模型輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果格式，并與工程安全分析預(yù)測模型、監(jiān)控預(yù)警模型、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)與調(diào)用，為工程安全綜合評價(jià)模塊提供“算法”支撐。

（3） 知識(shí)平臺(tái)集成。知識(shí)庫包括預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫、工程安全知識(shí)庫和業(yè)務(wù)規(guī)則庫等內(nèi)容，并通過知識(shí)引擎實(shí)現(xiàn)知識(shí)的抽取、存儲(chǔ)、表達(dá)及應(yīng)用［15］；將測點(diǎn)評判規(guī)則、逐級評判規(guī)則、結(jié)構(gòu)計(jì)算成果等多源異構(gòu)工程安全知識(shí)統(tǒng)一納入知識(shí)平臺(tái)進(jìn)行管理，并利用知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)多層級工程安全綜合評價(jià)體系的關(guān)系表達(dá)；在工程安全綜合評價(jià)計(jì)算時(shí)，通過接口調(diào)用的方式，從知識(shí)平臺(tái)中動(dòng)態(tài)獲取模型所需的知識(shí)信息，為工程安全綜合評價(jià)模型運(yùn)行提供“知識(shí)”資源。

（4） 業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)。工程安全綜合評價(jià)模塊基于通用化設(shè)計(jì)和模塊化開發(fā)理念，遵循數(shù)字孿生水利工程技術(shù)開發(fā)體系，綜合運(yùn)用B/S開發(fā)模式、微服務(wù)架構(gòu)、輕量化BIM以及GIS平臺(tái)等主流開發(fā)框架，引入游戲引擎等可視化渲染技術(shù)，結(jié)合數(shù)字孿生三維場景，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)工程安全綜合評價(jià)計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工程安全運(yùn)行性態(tài)高保真展示、模擬仿真與交互操作［16］。

5工程應(yīng)用

5.1丹江口工程概況

丹江口水利樞紐位于漢江與丹江匯合口下游800 m處，是漢江開發(fā)治理的關(guān)鍵性工程，具有防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等綜合利用效益。為充分發(fā)揮丹江口水利樞紐的綜合效益，在南水北調(diào)中線水源工程建設(shè)過程中，對初期混凝土壩培厚加高，大壩壩頂高程由162.00 m抬升至176.60 m，加高后水庫總庫容增加至319.5億m3，并于2021年10月首次蓄水至正常蓄水位170.00 m。

丹江口水利樞紐混凝土壩劃分為58個(gè)壩段，由右岸聯(lián)接段、深孔壩段、溢流壩段、廠房壩段及左岸聯(lián)接段等部分組成；其中，右1號壩段、7號壩段、10號壩段、17號壩段、21號壩段、31號壩段及34號壩段等7個(gè)壩段為重點(diǎn)監(jiān)控壩段。

5.2數(shù)字孿生建設(shè)概況

數(shù)字孿生丹江口工程被列為“十四五”期間首批重點(diǎn)水利工程數(shù)字孿生先行先試建設(shè)項(xiàng)目之一，也是數(shù)字孿生長江試點(diǎn)建設(shè)任務(wù)［17］。數(shù)字孿生丹江口工程以大壩安全、供水安全、水質(zhì)安全、庫區(qū)安全為需求導(dǎo)向，通過構(gòu)建智慧水源管理體系，保障工程綜合效益的持續(xù)發(fā)揮。

在數(shù)字孿生丹江口工程建設(shè)過程中，充分利用已有安全監(jiān)測感知體系［18］，實(shí)時(shí)獲取變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程安全“四預(yù)”應(yīng)用提供“算據(jù)”支撐。

5.3綜合評價(jià)模型應(yīng)用

為有效支撐丹江口大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和安全狀態(tài)預(yù)演功能實(shí)現(xiàn)，針對丹江口大壩加高工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工程安全薄弱環(huán)節(jié)，重點(diǎn)從強(qiáng)度、抗滑穩(wěn)定性以及新老混凝土結(jié)合面穩(wěn)定性3個(gè)方面建立了工程安全綜合評價(jià)體系，確定了關(guān)聯(lián)監(jiān)控測點(diǎn)，制定了測點(diǎn)評判規(guī)則和逐級評判規(guī)則，開發(fā)了綜合評價(jià)功能模塊，初步實(shí)現(xiàn)了丹江口工程安全運(yùn)行性態(tài)的綜合評價(jià)。

具體以21號壩段為例，該壩段為溢流壩段，壩段長24 m，壩頂高程176.6 m，壩段設(shè)置兩個(gè)8.5 m寬的溢流表孔。在21號壩段中布置了水平位移測點(diǎn)、精密水準(zhǔn)點(diǎn)、測縫計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、溫度計(jì)等監(jiān)測儀器設(shè)施，所建立的綜合安全評價(jià)體系如圖3所示，所制定的逐級評判規(guī)則如表4所列。

工程安全綜合評價(jià)功能模塊界面如圖4所示，已無縫集成至數(shù)字孿生丹江口工程應(yīng)用平臺(tái)，具體實(shí)現(xiàn)了綜合評價(jià)模型的體系構(gòu)建、規(guī)則設(shè)置、計(jì)算調(diào)用及成果展示等功能，可融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡檢成果和結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，通過綜合推理的方式，實(shí)現(xiàn)丹江口大壩安全運(yùn)行性態(tài)的綜合評價(jià)，并且模型評價(jià)結(jié)果與實(shí)際工程安全會(huì)商結(jié)論一致，驗(yàn)證了綜合評價(jià)模型的可靠性，支撐了工程安全“四預(yù)”應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，為大壩運(yùn)行管理提供了決策支持。

6結(jié) 語

本文結(jié)合數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，圍繞工程安全綜合評價(jià)模型開展研究工作，提出了工程安全綜合評價(jià)體系建立及評判規(guī)則制定方案，開展了工程安全綜合評價(jià)功能模塊開發(fā)，并在數(shù)字孿生丹江口工程中初步實(shí)現(xiàn)了集成應(yīng)用。

下一階段，將進(jìn)一步結(jié)合工程安全結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算模型，充分考慮不利工況組合和極端荷載條件，預(yù)演工程安全性態(tài)的變化過程，持續(xù)為工程運(yùn)行安全保駕護(hù)航。

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（編輯：胡旭東）