水库大坝多目标安全监控与管理系统

水库大坝多目标安全监

控与管理系统

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水库大坝多目标安全监控与管理系统

作者：刘崇干

摘要：介绍了水库大坝多目标安全监测与管理系统的系绕结构、水情监测、大坝安全监测、安全监控专家系统、信息管理、安全监控模型技术.该系统是测控技术与信息技术的优化结合，执行多目标动态监控，在安全监控和优化管理水资源基础上实行自动控制，提供多层次信息管理和决策支持功能.

关键词：多目标安全监控防洪调度优化调度复拟合模型

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1 研建系统目的

当前水安全和水资源已经成为制约和的突出因素.建立兼顾防灾和水资源优化管理的保障系统，是现代水利和水利工程管理的需要.安全问题特别是因洪水、地质灾害等灾害以及工程结构隐患和异变等因素所引发的突发事故，其危害巨大，而传统单目标的大坝安全监测系统尚缺乏对此类突发事故的实时防范能力，也欠缺监测、控制和水资源管理一体化的功能.因此而研建的水库大坝多目标安全监控与管理系统，其目的是通过对水情及大坝安全的动态监测、预报，及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅速做出反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为工程和相关地区提供安全保障；为管

理部门提供多层次信息管理和决策支持手段，在兼顾防灾和水资源优化调度基础上实现水资源可持续利用，充分发挥水利工程的效益.

2 系统结构

系统是多目标监控技术与信息技术的优化结合.由现场测控、机局域网和互联网三级网络连接现场测控层、工程管理层和管理中心.结构如图1所示.

图1 系统结构

测控网络因地制宜采用现场总线加光缆通信或无线通信.现场各类测控仪表通过自研的通信匹配器集中连接到远程测控执行模块.各测控模块以RS485总线连接到本地远程终端单元（RTU）.分散在各工程建筑物和库区遥测站的RTU以光缆、电缆或数传电台与中控室的监控计算机联网.

工程管理层局域网连接服务器、在线监控机、离线管理机和其他工作站.

工程管理层服务器上建立网站，配置远程查询服务软件系统.通过互联网为管理中心、上级领导和相关部门提供远程查询和决策支持手段.

3 在线监控系统

在线监控系统主要执行以下任务.

值班监控

值班监控任务包括水情监测与，在大型模拟屏显示实时水、雨、工情，防洪警戒，大坝关键部位安全监测、实时预报及安全性评判，按水情与调度方案执行自动控制.

水情监测

水情监测信息通过被系统共享，是系统执行水情预报、防洪安全监控、大坝及周边安全监测、水库运行与水资源调度以及工程和区域防汛抗旱指挥调度的重要依据.

在线监控机接收和采集水、雨情数据，经处理后，写入水、雨情实时和时段数据库；定时启动水情预报模型进行水情实时预报作业.根据监测水情和水情预报，执行防洪安全监控.

采用动态自适应模型技术，提高短期水情预报的实时性和准确性，使水情信息有效地用于防灾和水资源管理.

大坝安全监测

定时对各大坝和其他水工建筑物及周边各监测点巡测或临时召测，数据经检验和初步处理后存入实时数据库.利用预报模型和相关

的水情信息对大坝安全监测点实时预报并根据安全监控指标评判安全度.

采用复拟合模型技术和动态跟踪模型技术建立安全监控模型和安全监控指标.

专家系统支持下的防洪在线决策支持和闸站调控

在汛期，当预报坝前水位将要超过警戒值时，系统发出声光警报并驱动安全监控专家系统.专家系统收集有关水、雨、工情，从模型库调用调洪分析等模型，检索知识库内的知识与规则，经推理演绎，给出兼顾防洪与兴利效益的泄洪调度方案、预报行洪过程、建议安全措施、提供修改方案资料、灾害风险评估等.方案获准后，专家系统连接闸门自动控制系统，执行泄洪过程监控.

所开发的安全监控专家系统是在线决策控制型人工智能系统.它完全由信息驱动，全自动执行演绎推理和监控.其主要目标是当危及大坝及下游安全的事件可能发生之前做出判断与决策，并执行自动控制.

4 信息管理

配置在管理机上的管理系统具有数据管理、数据处理、资料解释、调度管理功能；服务器上配置数据库管理系统和远程查询服务系统.信息管理功能结构见图2.

图2 信息管理功能结构

5 安全监控模型技术

开发多目标动态安全监控所需要的监控模型技术，其目的是：提高模型的仿真度和延伸预报准确度；开发可以跟踪并预报监控对象异常变化的动态跟踪模型技术.这对于防范异变性突发事故特别重要.

这些模型技术已成功地于多个水利工程的实时安全监控和安全分析，均取得了良好效果.

复拟合模型

按传统建立模型时，通常采用时段平均或取离散时刻等概略方法代表外荷载对效应量的滞后作用，不能确切地反映实际上是非线性连续的滞后作用，模型的延伸预报精度较差.采用复拟合模型较好地解决了上述.

复拟合是指：用不同多项式拟合各外荷载对效应量的滞后作用过程，用这些多项式线性组合来拟合效应量观测序列.建立复拟合模型的技术要点是：经过相关趋势分析和相关频谱分析，分别确定各种外荷载量同效应量之间的相关性、滞后相位差和滞后时段长度.用影响梯度函数模拟在滞后影响时段，外荷载对效应量的非线性影响过程；再用包含影响梯度函数的高阶多项式来模拟该时段连续叠加滞后作用，从而较好地解决了仿真模拟滞后作用这一难点.复拟合模型最终形式为表征各种外荷载作用过程的多项式以及时效函数的线性组合.

复拟合模型已被应用于许多特大和大、中型水利工程的安全分析评价和联机实时安全监控.应用效果表明，它具有以下优点：模型有较明确、合理的物理解释意义，模型拟合精度好，延伸预报准确（见图3正常状态段，即10月前的预报过程线）.

图3 复拟合模型预报、动态自适应模型预报与监测值对比过程线

动态自适应模型

传统安全监测模型属静态模型，反映监测对象和水、情、工情以往一般变化，不能识别和跟踪预报包括突发事故的异常现象，不适宜动态高精度短期预报.

对于水工结构物安全监控，为跟踪预报并防范突发事故，需要分析结构物发生异变的破坏机制.存在缺陷或已老化的结构物，某些部位即使其局部应力低于材料的屈服极限，但在长期交变或突变应力作用下，其材料有可能进一步老化、恶化，并可能发生突变以至破坏.对于大坝及周边这样的监控对象，这类破坏事故反映在沿破坏方向变化量和变化速率的增大，直到超过其破坏临界值或安全监控