基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警方法.pdf

收稿日期：基金项目：江苏省水利科技项目（，）作者简介：方卫华（），男，安徽安庆人，正高级工程师，教授，博士，主要从事水工结构与大坝安全监测方面的研究工作：【水利水电工程】基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警方法方卫华，张 慧，徐孟启（水利部 南京水利水文自动化研究所，江苏 南京；河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京）摘 要：为精准实现闸坝扬压力现地在线分级预警，根据扬压力对闸坝安全影响的物理本质，以混凝土重力坝为例，采用坝段横向监测断面上每相邻两点实测扬压力连线逼近坝基真实扬压力分布，通过嵌入式系统边缘计算上述连线与坝基线之间所围成的“面积”，得到实测扬压力，然后基于实测扬压力计算抗滑稳定安全系数及抗倾覆稳定安全系数等，并与相应的规范值对比，从而实现扬压力在线分级预警。为将日常工况转化成规范对应的典型工况，在稳定安全系数计算过程中，采用适合嵌入式系统边缘计算条件且计算复杂度低的深度学习模型（循环门单元）将实测扬压力映射到典型控制工况。通过工程实例验证了该方法的有效性。关键词：分级预警；边缘计算；扬压力；实测数据中图分类号：文献标志码：引用格式：方卫华，张慧，徐孟启基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警方法人民黄河，（）：，（，；，）：，（），：；引言扬压力大小及其分布不仅对闸坝建基面及坝体坝基应力分布有重要影响，而且对闸坝抗滑稳定性有决定性影响。随着防范风险意识的加强和管理要求的不断提高，实现扬压力预警特别是现地在线分级预警对及时掌握工程安全状况、规避工程安全风险和提高工程管理水平都具有十分重要的意义。目前，闸坝扬压力监测预警主要通过实测数据与监控指标进行对比的方法和基于规范的扬压力折减系数法实现。前者扬压力安全监控指标拟定方法有置信区间法和典型监测量小概率法，如：张运保等以台儿庄泵站 年 月 日至 年 月 日扬压力监测数据为基础，采取置信区间法和典型监测效应量的小概率法进行扬压力安全监控指标拟定；汤世飞等建立了贵州北盘江光照水电站碾压混凝土坝坝基扬压力统计模型，在扬压力极限测值的基础上考虑容许误差及初始拟合值，提出了坝基扬压力监控指标；季海礼等结合实际工程，利用小概率法拟定了非汛期扬压力监控指标；李姝昱等对丰满大坝 个坝段坝基扬压力进行分析，采用置信区间法和典型小概率法拟定了坝基扬压力的安全监控指标。置信区间法和典型监测效应量小概率法都是基于统计学的方法，不第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，仅受因子变量独立同正态分布等假设条件的限制，而且适应地基渗流条件变化的跟随性不强，在地基淤积等条件变化比较快的部位难以实现在线预警。随着在线实时动态预警指标的提出，一些管理平台采用基于规范的扬压力折减系数法实现预警，即通过实测扬压力与设计规范给出的理论折减系数计算的扬压力进行对比，当实测值大于根据规范假设的扬压力值时报警。然而每个闸坝都具有一定的特殊性，帷幕缺陷、坝基坝体接触不良、闸坝裂缝等造成的扬压力异常可能由局部非关键因素造成，也可能由多个局部非关键因素综合造成。文献表明扬压力异常或超过设计规定的扬压力折减系数的情况在不同工程时有发生；文献中的每个坝段各设置 个扬压力测点，从 年开始监测，除测点、扬压力系数在 上下波动外，其他测点均大于设计值（），南、北岸代表性坝段、扬压力测点、扬压力系数分别达到和，明显大于规范设计值；文献工程实例表明，一些测压管测点的扬压力系数甚至接近于，卸下扬压力监测压力表重新安装后，该值恢复很快，而另一些压力表卸下重新安装后，该值恢复时间滞后达；文献通过灌浆廊道测压管水头等实测数据计算得到的 年太平湾大坝 及 坝段扬压力折减系数分别为 和，均超过规范规定值。文献主要从扬压力异常成因上进行研究，如：文献研究表明李家峡大坝 号坝段坝基扬压力异常成因是防渗帷幕局部存在缺陷，且帷幕前浅部岩层存在强透水带；文献结合运行过程中测压管洗孔、排水管淤堵测试、渗流场数值模拟等手段，分析了测压管扬压力过高的原因；文献对嶂山闸闸底上游侧扬压力高于设计值进行分析，认为闸基承压水的深层渗流可能是导致扬压力异常的原因。多个工程的扬压力监测数据分析表明，由于地质条件的非均匀性和上下游水位波动及其滞后效应，扬压力分布受除险加固、泥沙淤积和温度等多方面的影响，因此很多坝基实际扬压力分布与规范假设不同，有些帷幕后第一排扬压力测值明显大于根据规范假设的理论计算值，如果按上述平台中所采用的扬压力预警方法，则实测扬压力数据大于根据规范设定的阈值，将出现长期虚警。总之，无论是监控指标法还是设计规范给出的扬压力折减系数法，都基于单测点扬压力实测数据，而单点测值未考虑扬压力大小及其分布影响坝体稳定和应力分布的物理实质，在实际工程中容易造成虚警。目前扬压力监测大多采用测压管及在管内安装渗压计的方式，由于坝体廊道内测压管工作受降水等外界条件影响较少、渗压计上作用水头一般不高，因此仪器受温度变幅或结构应力徐变影响较小，加上目前渗压计本身质量尤其是进口原装渗压计质量的保证和气压修正，扬压力监测精度是可以达到监测技术规范要求的。边缘计算较传统后台计算方式及云计算方式具有低延迟、低带宽、高可用等优势，且部分摆脱了网络环境的限制。水利工程大多数位置偏远，管理处（所）技术力量或精力有限，与后方通信受限，尤其在恶劣自然环境或应急条件下，需要一定的数据分析预警能力，边缘计算正好满足这一需求。李鹏飞分析了数字中国信息化建设要求和现代技术发展趋势，结合工程上边缘计算在水利项目中的应用，以计算周期为指标论证了边缘计算充分满足水利控制系统对时间延迟的要求，有利于解决存在的信息感知不透彻、互联互通不广泛、数据处理不及时等问题。本文针对扬压力预警方法的不足，考虑地质条件非均匀条件下扬压力非均匀分布对坝体稳定性的影响，以影响坝体稳定及应力分布的横断面扬压力分布及数值作为坝体荷载，由物理机制设计，结合规范提出相应的预警方法。其中为满足现场电源及算力要求，引入边缘计算解决水库位置偏远及现地分析处理能力不足等带来的问题；采用轻量化深度学习模型实现任意水位组合工况扬压力向控制工况扬压力精准快捷转换。方法与系统以混凝土重力坝为例进行叙述，水闸可以依据水闸设计规范进行类推。方法步骤首先，根据重力坝类型、坝段位置和相应的设计规范确定所对应的扬压力折减系数，读取与扬压力测值时刻 相对应的重力坝上、下游水位（）和（），根据安全监测设施考证资料获取坝段设置的多个横向测压管平行坝轴线的桩号，从而获得各扬压力测点的横向坐标。其次，按照各个测压管的实测数据采用等效面积计算实际扬压力荷载；根据相应设计规范确定的参数，由实际上下游水位结合规范确定扬压力折减系数，计算规范扬压力面积；比较 与 的大小，若大于或等于，则启动蓝色报警并进入下一步骤；若 小于，则返回监测阶段继续收集数据。再次，根据相应规范结合实测扬压力、其他同步荷载，分别计算坝踵和坝趾两个控制部位的垂直正应力人 民 黄 河 年第 期和主应力，并判断上述应力任意一项是否超出所述设计规范要求或对应混凝土强度允许值，如有一项超过则启动黄色报警并进入下一步骤，否则继续监测。最后，在计算应力的基础上，根据实测数据按规范规定的方法计算抗滑稳定及抗倾覆稳定安全系数，并判断重力坝抗滑稳定性及抗倾覆稳定性是否超出设计规范对所有工况的要求，若任一项超出，则启动红色报警。其中抗滑稳定计算根据坝段所在坝基地质条件，依据规范确定。当坝基存在深层滑动面时，上述扬压力测值及其参数根据规范提供的计算方法确定。对于重力坝抗滑稳定采用抗剪强度公式或抗剪断强度公式计算分析，所在坝段的坝基岩体条件良好时采用抗剪断强度公式，坝基岩体差或存在软岩、软结构面时采用抗剪强度公式。按照抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数为 （）（）式中：为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，为坝基接触面截面积，为作用于坝体的全部载荷（包括实测数据计算的扬压力）对滑动平面的法向分值，为作用于坝体的全部载荷（包括实测数据计算的扬压力）对滑动平面的切向分值。按照抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数为 （）（）式中：为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。抗倾覆稳定性的判断方法为：计算坝体自重产生的抗倾覆力矩 和水平推力产生的倾覆力矩，并计算抗倾覆力矩 和倾覆力矩 的比值得到抗倾覆稳定安全系数；若所述抗倾覆稳定安全系数大于设计规范给出的安全系数，则判定所述抗倾覆稳定性满足要求。将测压管及坝段参数都输入基于边缘计算的现场测控装置，由程序自动计算、预警。基于边缘计算的闸坝扬压力在线分级预警流程如图 所示。由于规范规定的稳定计算只提供了有限典型工况的限定值，而闸坝日常运行常常不是处于规范规定的典型工况，因此在实时预警时需要根据当时工况将包括实测扬压力在内的各种荷载转化成规范规定的典型工况所对应的荷载。为实现上述自动转换，先建立各测压管扬压力与上下游水位、气温和时间的统计模型，即（），为当前时刻上下游水位、图 扬压力分级预警流程温度、降雨与传感器实测扬压力组合量，为测值前第 天组合量，为回归权重系数，表示一个完整断面一排横向多个测压管扬压力值映射到典型控制工况下的扬压力值。参考扬压力统计模型的自变量因子数量及形式存入现场边缘计算模型因子库，再结合现场实测数据建模计算；通过预测精确度、鲁棒性和泛化能力 个指标确定最终的 影响因子，经过模型检验选择最优模型；将上下游水位取规范规定的典型工况所对应的水位即可得到对应工况的扬压力“实测值”，再结合其他荷载和参数按规范规定进行抗滑稳定计算。考虑到不同模型的泛化能力不同，为提高模型的智能化水平，同时降低存储和计算复杂度，经模型比较，本文选择（，循环门单元）实现实测值到典型控制工况的扬压力映射。是一种基于（循环神经网络）的改进型神经网络，可以有效克服传统神经网络中短期记忆不足并人 民 黄 河 年第 期解决梯度消失问题，通过存储单元保存长期的时序信息，以捕捉数据中的长期依赖关系。由于扬压力实测数据具有时间滞后特征，因此 神经网络可以有效预测扬压力随上下游水位等影响因素的变化，单元结构见图。注：为输入，为输出，为时间步，为重置门，为更新门，表示非线性激活层（这里采用 函数）。图 单元结构 神经网络的记忆单元在每个时间步设置重置门 和更新门，基于门控 神经网络可以实现信息过滤和存储功能。重置门和更新门的计算公式如下：（，）（）（，）（）（，）（）（）（）为权重矩阵，对上一个时间步传过来的隐藏层状态 和当前时间步的上下游水位、温度、降雨、传感器实测扬压力组合得到的 进行线性变换，得到的结果输入 函数，再将结果压缩到区间，得到重置门 的值。类似地可由式（）得到更新门 的值。为候选隐藏状态值。式（）中 值越小则候选隐藏状态值越小，说明前一状态需要遗忘得越多，丢弃得越多，当前状态受前一状态影响越小；值越大则当前状态受前一状态影响越大。因此，重置门的设置有利于挖掘数据之间的短期依赖关系。用于控制当前状态是否需要根据前一时刻的状态信息进行更新。式（）中 越接近，当前时刻对应规范规定的典型工况扬压力“实测值”就越接近上一时刻的“实测值”。被很好地维持了，这也是缓解梯度消失的关键。更新门值的变化有利于捕捉数据之间长期依赖的关系。边缘计算系统综上可知，要实现基于物理本质的扬压力预警，需要实时采集数据及进行误差识别与处理、工况转换、模型计算等，采用基于嵌入式系统的边缘计算方式可实现廊道内无线通信组网、远程维护和参数设置、手机 无线连接，以及有效提高数据采集和分析处理速度。基于边缘计算的扬压力分级预警系统由多台坝基扬压力测控装置（）及通信网络组成。每个扬压力横向监测断面配置一台基于边缘计算的坝基扬压力测控装置，用于采集扬压力、气压和获取上下游水位数据，并根据内置模型算法进行数据处理。采用适合水工现场环境要求的嵌入式硬件和开源操作系统，内置应用软件。嵌入式硬件选用 系列多核处理器作为核心处理器，其低功耗方式采用自适应调频方式，对于功耗要求极为严格的水工场景可通过对 控电来降低系统整体功耗。开源操作系统采用嵌入式 操作系统，结合嵌入式、及 等技术开发嵌入式开发界面嵌入式浏览器和 浏览器，实现功能和接口软件配置，对接入传感器进行统一集中管理，实现远程程序升级及远程时钟校准等功能，支持远程故障诊断，减少人工运维成本。应用软件采用 和 语言混合开发，负责提供操作界面，根据设置自动完成扬压力、气压及上下游水位的读取或采集，以及上述的相关计算过程，从而实现数据采集和分级预警一体化。同时，还可以根据需要如考虑分项系数或有限元等进行技术升级。二次开发时应用 可以调用第三方工具编写的应用软件。软件测试可以在安装 系统的虚拟机上进行，最后部署到 即可。工程实例 实例一本节以某混凝土重力坝中间坝段某一扬压力监测断面为例说明蓝色预警过程。该坝段坝基设置了 根扬压力测压管（编号、），如图 所示，实测对应的测压管水头分别为（）、（）、（）、（），上游扬压力作用水头为（），下游扬压力作用水头为（）。图 基于测压管实测水头的扬压力计算示意测压管内渗压计采用 渗压计，配合上海雷若仪表 型 高精度大气压计修正，经重复性采样，重复性满足规范要求。人 民 黄 河 年第 期根据实测资料该坝段坝基测压管 实测扬压力折减系数长期大于规范值，为此检验其是否需要进行蓝色预警。实测扬压力荷载可以通过计算多边形 的面积得到。图 为设计规范中计算扬压力载荷的示意图，排水孔中心线处为（）（），其中 为规范规定的扬压力折减系数，（）（）（）。扬压力面积 为多边形 的面积，为 个多边形 和 的面积之和，用公式表达为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为 点到 点的距离；为 点到 点的距离。图 规范规定的典型扬压力计算示意将实测扬压力与规范规定的扬压力进行对比，也就是比较计算出来的实测扬压力面积 和规范规定的扬压力面积。当 值大于或等于 值时，说明实测扬压力大于规范值，启动蓝色报警。计算结果显示，该坝基实测扬压力面积小于规范规定的扬压力面积，因此未启动蓝色预警。实例二某水利枢纽工程重力坝为 级建筑物，根据实测扬压力结合上下游水位计算的部分时间、部分测点扬压力折减系数超过规范值，引起运行管理单位重视。为检验是否应启动红色预警，基于上述软件系统，采用设计工况和计算公式对坝体稳定性进行校核，结果表明不存在深层抗滑失稳问题，因此只计算沿建基面的抗滑稳定安全系数。相关计算参数根据现场取样检测结果和经验确定，荷载组合及规范值参见混凝土重力坝设计规范。根据全部测点、全时间序列实测扬压力数据，采用本文方法得到的安全系数极小值见表。由于计算得到的安全系数均在规范要求范围内，因此未启动红色预警，有效地消除了运行管理单位的顾虑。表 基于边缘计算的典型工况抗滑稳定安全系数与规范值对比荷载组合按抗剪断强度计算规范规定安全系数安全系数极小值按抗剪强度计算规范规定安全系数安全系数极小值基本组合特殊组合（）特殊组合（）结束语根据扬压力实际作用的物理意义，结合规范实现了闸坝分级预警，理论分析和工程实例证明，基于边缘计算的分级预警方法是可行的：）本分级预警方法基于局部扬压力分布不均匀的实际，考虑到扬压力是通过其大小和分布影响坝体稳定性，具有简单直观和物理意义明确、计算方便等优点；）通过实测扬压力面积与规范规定扬压力面积对比，更加快捷和简便；）将依据实测扬压力计算得到的抗滑稳定安全系数或抗倾覆安全系数与规范值进行比对，可更有效地作出判断，减少虚警的发生；）工程实例只针对运用期进行了分析，根据规范要求，可以将其推广到施工期以及采用不同计算方法（如分项系数极限状态计算方法或弹塑性力学有限元计算方法）的闸坝扬压力分级预警中。参考文献：张运保，吕晓理，郭晓翠南水北调台儿庄泵站扬压力安全监控指标拟定水利技术监督，（）：汤世飞，马聪，黄新疆光照水电站大坝坝基扬压力分析及监控限值的拟定红水河，（）：季海礼，窦惠峰水闸非汛期扬压力监控指标拟定黑龙江水专学报，（）：李姝昱，张伟，姚远，等丰满大坝坝基扬压力安全监控指标拟定人民黄河，（）：邢林生，潘松林纪村红层坝基防渗排水设施的改造及其效果监测分析大坝观测与土工测试，（）：吴舅槐，周小文黄龙带水库坝基扬压力转异判别及加固处理广东水利水电，（）：，孙昌利，张挺，朱信华某水库大坝扬压力异常原因分析广东水利水电，（）：，陈兴长，陈慧，游勇，等泥石流拦砂坝底扬压力分布及影响因素试验岩土力学，（）：何金平，施玉群，吴云芳华安闸坝闸基扬压力异常性态分析长江科学院院报，（）：刘媛媛，肖璐，张俊嵩，等某进水闸基础实测扬压力过大原因分析人民珠江，（）：方达宪，胡子俊响洪甸水库坝基扬压力异常分析及处理方案探讨合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，人 民 黄 河 年第 期 刘成栋，袁辉，向衍，等西溪水库大坝 号坝段坝基扬压力异常成因解析西北水电，（增刊）：，赵静葠窝水库坝基扬压力异常分析及处理方案探究农业与技术，（）：，薛建峰，蒋裕丰古田溪一级大坝坝基扬压力异常成因解析三峡大学学报（自然科学版）：，（）：胡子俊响洪甸水库坝基扬压力异常原因及处理方法的探讨大坝与安全，（）：赵凤英，陶金宇太平湾大坝坝基扬压力系数的分析确定吉林水利，（）：，包腾飞，顾冲时，吴中如李家峡大坝 号坝段坝基扬压力异常成因综合分析岩土工程学报，（）：孙昌利，张挺，朱信华某水库大坝扬压力异常原因分析广东水利水电，（）：，唐劲松，刘观标嶂山闸扬压力异常原因分析水电自动化与大坝监测，（）：，罗力谦，朱信华乐昌峡水利枢纽 号坝段扬压力异常分析及处理方案探讨广东水利电力职业技术学院学报，（）：中华人民共和国水利部混凝土重力坝设计规范：北京：中国水利水电出版社，：中华人民共和国水利部水闸设计规范：北京：中国水利水电出版社，：蔡明，张冀大朝山水电站坝基扬压力监测资料分析云南水力发电，（）：朱岳明，龚道勇，张建斌百色水利枢纽重力坝 号坝段基础渗流场分析红水河，（）：谭立，杨源洞坪水电站大坝坝基扬压力监测资料分析水电与新能源，（）：中华人民共和国水利部混凝土坝安全监测技术规范：北京：中国水利水电出版社，：施巍松，孙辉，曹杰，等边缘计算：万物互联时代新型计算模型计算机研究与发展，（）：李鹏飞边缘计算在水利信息化项目中的应用思考中国信息化，（）：王伟，沈振中基于改进粒子群算法的坝基扬压力预报方法人民黄河，（）：周仁练，苏怀智，韩彰，等混凝土坝变形的长期预测模型与应用水力发电学报，（）：苏燕，付家源，林川，等基于时间注意力机制的大坝动态变形预测模型水力发电学报，（）：【责任编辑 张华岩】（上接第 页）王美慧，唐德善，尚静改进模糊综合评价模型在长江三角洲地区农业用水效率评价中的应用水电能源科学，（）：中华人民共和国水利部灌溉与排水施工质量评定规程：北 京：中 国 水 利 水 电 出 版 社，：中华人民共和国水利部灌区改造技术标准：北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，：宋培争，汪嘉杨，刘伟，等基于 优化逻辑斯蒂曲线的水资源安全评价模型自然资源学报，（）：张礼兵，喻海関，金菊良，等基于联系数的大型灌区水资源空间均衡评价与优化调控水利学报，（）：，：，（）：，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 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