摘要：长距离调水工程安全监测意义重大，是目前工程安全监控的关键环节。为了能够及时发现调水工程安全隐患，降低失事风险，在基于大坝安全监测预警技术的基础上，研究了调水工程安全评价与安全监测系统评价的标准制定问题，结合在线分析和离线分析方法拟定南水北调中线工程安全监测的预警机制，并应用于南水北调中线干线工程安全监测自动化系统。针对工程现状，对调水工程监测自动化系统的未来发展和制度完善进行了讨论，可为今后调水工程安全监测提供经验借鉴。
关键词：工程安全监测；预警系统；监控自动化；南水北调中线工程
引言
目前，水库大坝的安全管理体制、法律法规已较为规范和成熟，监测预警系统开发也较为完善。随着计算机科学与网络通信技术在大坝安全监测中的迅速发展，越来越多的理论和人工智能方法在大坝安全管理中得到应用。为实现自动化安全评价，大坝安全综合评价系统中采用了专家评估法、综合法、模糊综合法及模式识别等理论和方法[1]。然而，这些方法在大坝安全监测系统中并未得到广泛地应用。建筑物报警系统也应适应时代要求逐渐智能化，以便准确掌握大坝运行性态，及时处理异常情况。本研究借鉴大坝安全预警系统模型和预警标准，结合南水北调中线工程特点，开发了南水北调中线工程可视化智能预警系统，通过基于监测数据的离线分析和在线分析两种手段提出监测预警的评价体系，对监测系统和建筑物的安全进行实时监控，为及时发现结构异常并采取补救措施、降低结构失事风险提供技术支撑服务。
1工程安全评价及报警
建筑物的安全性取决于测点的测量情况和检验结果，即定性分析和定量分析。定性分析是对研究对象进行归纳与演绎、分析与综合以及抽象与概括。定量分析是从数量和变化趋势两方面对数据进行评价。建立统计模型后，利用时效分量对数据的变化趋势进行检验。DL/T5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》和大坝的数据分析中都要求确定监控指标。监控指标是指不同时段监测量的安全边界值，对大坝的安全管理起到了重要的作用。该系统在项目的不同时段以设计指标、模型指标和特征指标作为监控指标[2]。设计指标是由设计单位提供的每一项监测量的设计值，是一个先验标准。模型指标是从统计回归模型得到的统计值。特征指标是在一个特定的时间段内测值的最大值或最小值。在实际操作过程中，模型指标和特征指标一直在变化，作为后验标准。通常根据实际情况，特别是运行初期，测点无法提出有效的设计指标，或者设计指标与实际情况不符时，可采用模型指标进行判别。统计模型的准确性决定了模型指标的可靠性，因此需要考虑多种环境量因子和影响统计模型的因素。
1.1测点状态评价等级
首先针对单个测点的状态展开评价。排除测量错误数据或粗差后，拟将测点状态评价等级分为A、B、C、D、E，如表1所示。其中，等级A表示测点状态良好，测值在监控指标范围内；等级B和C表示测值超界，不在监控指标范围内；等级D和E表示数据变化趋势异常，时效分量呈现加速发展的趋势，需加以重视。
表1测点状态评价
1.2建筑物安全评价及报警
在测点安全评价的基础上，对建筑物的安全评价进行分类。评价等级数量划分的多少，是一个涉及到评价目的、已有方法或相应规范、实践经验、人类心理活动与认知能力等多方面因素的问题。然而，对评价指标特性和最终评价目标的评价等级数量划分目前尚无规范可循。若评价等级数量划分的过少，将失于粗略，难以全面真实地反映评价对象的工作状态；若评价等级数量划分得过多，将过于繁琐，加大评价等级之间界限的确定难度和计算工作量[3]。因此，本文借鉴美国垦务局对大坝安全评价和风险管理办法，并基于实际工程提出了建筑物的安全综合评价方法。为了及时发现异常并报警，建筑物的评价等级可分为以下4个等级（见表2），分别以绿、蓝、黄、橙4种不同颜色表示。其中，绿色代表各因素测量数据都在模型指标和监控指标范围内，建筑物运行正常，巡视检查未发现异常；黄色代表各因素测量数据出现超过模型指标的情况，但设计指标和监控指标未超界，建筑物的运行基本正常，巡视检查未发现异常；橙色代表各因素测量数据出现异常测点，或者是在巡视检查中发现异常，结构可能存在一定的破坏；红色代表建筑物存在严重的安全问题。若确定了建筑物的状态，则在地图界面上显示对应的颜色。
表2建筑物安全评价等级及判断依据
2监测系统评价及报警
2.1测点数据和监测系统评价
监测系统异常导致测量数据不可用，因此，首先应对监测系统进行评价，再对测量数据的状态进行评价。监测系统的评价是基于现场调查和长期观测精度测试与实测数据分析的检查结果。将测点数据分为A、B、C三级，见表3。只有等级A或等级B的数据才能用于进一步分析。
表3测点数据的评价等级
为避免安全监测系统综合评价等级数量划分得过多，导致判断、处理测点数据过于繁琐，使报警频繁和管理难度增加，结合南水北调工程实际情况，系统采用的监测系统评价等级见表4。
表4监测系统的评价等级
2.2在线和离线综合评价及报警
综合分析评价根据启动方式不同可分为在线综合评价和离线综合评价。在线综合分析评价是一个服务器后台的程序，没有操作界面，客户端可以对其进行启动、停止、设置运行频率等。在线综合分析评价模块主要分为以下4个部分：（1）单点各类标准检查和单点信息定量化。系统采用3种标准作为单个测点的检查标准：①模型标准，以统计模型为主[4]。②速率（包括加速度）标准。③监控标准，包括设计标准和重症标准。各类标准检查完成以后，定量确定单点的状态，并将测点的各项检查结果进行保存。（2）在单点定量化的基础上，结合建筑物巡视检查结果进行综合分析评价，完成对建筑物安全状态的综合评估。（3）系统根据异常程度，自动发出相应级别的报警，作为辅助决策的依据。（4）系统自动输出两类检查信息。一类为单个测点检查结果，并对异常测点进行汇总；另一类为按建筑物所得安全评价结果，对安全状态等级进行标识。用户可通过在线综合分析推理结果显示界面了解在线检查结果。离线综合分析系统主要是为分析人员提供综合分析的集合环境及有效支持。用户可以通过检查图标来进行离线综合分析，图标包括任何时段的测量时间图、相关图、分布图及特征值。设置不同类型的指标，如最小速率、最小加速度。点击离线综合推理图标，系统将自动显示离线综合分析结果。单点信息定量化同样适用于离线综合分析。建立模块的方法很多，可用于进一步分析。该模块对特定的分析模式进行调整，并将评价过程设置为在线分析。一旦建筑物发生异常，操作员可以根据最新的分析结果发出警报[5]。
结束语
本文阐述了长距离调水工程安全评价与预警的方法，提出了工程安全与监测系统预警的分级准则，结合在线分析和离线分析方法确定了南水北调中线工程安全监测的预警机制，通过建立工程安全监测预警系统为南水北调中线干线工程的安全保驾护航。
参考文献：
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[2]袁博宇，顾华，李磊.北京市南水北调水质监测预警体系研究[C]//中国水利学会2014学术年会论文集（下册）.2014.
[3]王树磊，李建.南水北调中线水源地水质自动监测站网优化研究[J].三峡生态环境监测，2018，3（1）.
[4]南水北调中线冰情综合分析平台研究[D].大连理工大学，2016.
[5]买巨喆，张华岩，牛聪.南水北调中线某渠段边坡安全监测与稳定性分析[J].人民长江，2014（10）：89-90.
论文作者:刘瑜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
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