基于数字孪生的水利工程安全监测管理平台研发

基于数字孪生的水利工程安全监测管理平台研发

梁静1、刘致远2、姜红俊2

1.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南省昆明市，650000 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市，650000

摘要：近年来，怀河流域、珠江流域、海河流域等水利部的数字孪生技术已经确定了许多初步流域，特别是在智能流域模拟、精准决策支持等方面，本质上，实施数字流域和物理领域的数字地图，形成流域规划的真实和虚拟实时交互。本文基于现有研究成果和应用案例，分析了数字孪生技术在工程安全监控领域的可行性和必要性，以数据感知-数据处理-数据分析-数据可视化为主线，阐明数字孪生技术如何应用于液压工程安全监控领域，在此基础上提出了基于数字孪生的液压工程安全监控管理平台架构系统，探索了工程“四预”业务在平台中的应用途径。

关键词：数字孪生；水利工程；安全监测管理平台

1数字孪生技术与工程安全监测

安全监测体系以“耳目”作用贯穿整个水利工程运营周期,可及时获取反映工程工作性态的第一手资料,为准确评估工程状态提供依据,从而可以在发生险情时提前采取维护措施保证工程安全或减小事故损失。同时,通过对观测资料整体分析,建立各种数学监测模型,能够了解工程各种物理量变化规律、馈控工程原型结构、检验设计成果和检查施工质量。因此,工程安全监测及其资料分析是保证工程安全运行的有效举措,也是坝工建设和运行管理中不可或缺的一项工作,具有十分重大的现实意义。在数字孪生技术中,数据是基础,模型是核心,服务是重点。类比工程安全监测,监测实时数据与工程基础数据是工程实体基础,安全监测模型是业务核心,工程安全评价是重点。通过BIM+GIS技术在数字世界构建工程孪生体,通过监测传感器将数据从实体输送至孪生体赋予其“体征”,进而通过安全监测模型预测未来工程性态变化,同时通过可视化技术将预测数据反映在孪生体中,仿真工程未来变形、渗流、应力应变等性态特征变化过程,以此为基础完成预警和预案处置。相对于传统安全监测信息化而言,数字孪生技术有以下优势:(1)直观表达工程状态,视觉效果更好;(2)便于从不同角度整体把握工程状态,分析更加全面;(3)基本涵盖工程运行过程中涉及的所有业务,一套系统代替多套系统。

2基于数字孪生的水利工程安全监测系统设计与实现

2.1系统开发背景

由于水库围堤长度大，通过常规的人工观测很难及时发现水库运行过程中存在的安全隐患，无法达到对坝体安全监测的要求。结合水库工程运行实际，必须对水库渗流过程以及渗流情况有关系的地下水位、孔隙水压力、浸润线、渗流量、有效库容等参数取值及可能变动的趋势范围等进行全面监测，将监测结果和现有观测技术水平下水库围堤沉降结果以及进出水闸周围量水堰观测结果等进行对比与整合应用，构建起针对水库堤坝运行状态的自动化安全监测系统，以便为水库防渗漏工作提供指导，起到辅助水库综合管理的作用。为保证所建设的该小型平原水库自动化安全监测系统的高效运行，必需保证系统所使用的仪器设备先进可靠、所对应采用的观测技术匹配高效，方可取得实时的、有效的水库结构运行情况监测数据，相关基础数据经由系统自动分析处理后，向水库管理人员提出水库大坝围堤安全运行方面的的管理对策以及应当重点管理和维护的要点，确保水库大坝围堤结构能够安全可控、高质量、高效率运行。

2.2系统逻辑与功能架构

数据感知:通过“空天地内”监测网络体系,实现工程状态的全方位感知。“空”指采用北斗、GNSS、星载SAR等技术对大范围滑坡体以及边坡等进行高频高精度监测;“天”指采用无人机贴近摄影等技术对工程部位进行无接触、全覆盖拍摄与隐患识别;“地”指采用地基雷达、激光雷达等技术对工程重点部分变形进行毫米级实时监测;“内”指采用阵列式位移计等新型传感器以及巡检机器人等新技术对工程内部进行全方位监测。数据处理:对采集到的多源异构数据进行整理分类检验融合,并通过阈值方法、人工智能方法等进行异常值处理,对缺失数据采用线性插值、三次样条等插值方法进行补缺;同时结合地形地貌、BIM模型等基础数据组建工程数字底板,并以此为基础构建工程数字孪生体,囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器等实体工程中的所有元素。数据分析:对处理后的数据进行分析,包括相关性分析、趋势性分析、突变分析等常规分析手段;建立监测统计模型、确定性模型、混合模型,分析各类环境变量对变形、渗流、应力应变等监测效应量的影响趋势;引入深度神经网络、支持向量机等机器学习算法对监测效应量进行智能预测与预警、安全评价等;通过接口封装完成工程模型库构建。

2.3硬件系统组成

硬件方面，为保证该小型平原水库工程自动化安全监测系统正常运转及功能作用的顺利发挥，必需建设和设置监测分站、电缆走线、传感器、光纤、监测总站等。其中，为与自动化检测系统属性及软件相配套，传感器应选用VWP-1D型高精度压阻式扬压力计，该型号传感器必需借助信号电缆与监测分站相接，从而使监测分站真正发挥扬压力数据采集单元的功能作用；监测分站将从VWP-1D型高精度压阻式扬压力计所收集到的数据信号进一步实时传输至监测总站对应的数据单元，并由总站进行数据分析和处理。在所构建起的该小型平原式水库自动化监测系统中，分站设置着的数据采集单元的布置模式完全根据监测渗流测点数量以及监测距离，为满足相关规范中所规定的测压管布设要求以及系统建设成本控制、经济实用性等方面的要求，该小型平原水库围堤处总共设置有22个监测断面、93个具体的数据采集监测点，为与监测目的和监测总站设置要求相配合，同时还设置有12个监测分站。在系统建设完毕、投入监测的过程中，各数据采集单元便会结合工控机所下达的监测命令，根据所要求的具体监测时间(段和点)对各个监测单元所对应的监测仪器展开操作以便实施自动监测，采集到的监测数据全部由系统自动转化为数字量的存储格式，严格按要求存储在不同数据库中所对应的数据采集单元；数据量最终由光端机根据工控机命令通过光纤传送至主机。

2.4系统技术架构

系统采用时下流行的B/S系统架构模式进行前后端分离式开发,前端主要采用VUE框架以及ElementUI、Echarts等开源组件库以及自主研发适用于各类监测业务的定制化组件,后端主要使用SpringBoot、SpringCloud框架搭建服务平台,服务配置与管理采用Nacos,数据库主要使用MySQL、PostgreSQL。系统主要由资源层、数据层、服务层、应用层和展示层构成。资源层:该层为从开发阶段到运行阶段全过程的基础支撑资源,划分为设备资源与数据资源。设备资源包括存储器、服务器、数据采集器等硬件设备以及数据库支撑服务和网络通信服务等网络设备;数据资源具体包括基础数据、监测数据、地理数据、地形数据等,监测业务数据可划分有人工观测数据、自动化采集数据、环境量数据、巡视检查数据等。数据层:该层主要是对数据资源中多源异构化海量数据进行融合存储与提供数据管理服务,方便系统进行增删改查操作,可划分为监测业务数据库、基础地理数据库、三维模型数据库及系统管理数据库。其中,监测业务数据库根据其存储方式与组织结构划分为结构化数据和非结构化数据:结构化数据主要有各监测项目观测数据以及效应量数据、环境量数据和工程及监测仪器基础信息数据等;非结构化数据主要有巡视检查记录、预警预报信息、视频监控和系统管理信息等。

3结论

综上所属，该水库运行自动化安全监测系统在保证水库安全运行方面具有重要作用，并能实现安监设备自动化运行，为水库围堤及水工建筑物实时运行状态监测提供可能，便于监测数据资料及时分析，系统运行的自动化监测，使平原水库安全管理水平显著提升，其所带来的经济效益十分显著，而社会效益不可估量。

参考文献：

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