泄洪闸门在线监测数据挖掘应用的现状分析与讨论

来源:新东方在线 发布时间:2023-04-24 点击:

秦 方,夏云秋,胡葆文,朱烨森

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310000)

在水利水电工程中,闸门起着调节流量、控制水位、宣泄洪水、排除泥沙或漂浮物等作用。其中泄洪工作闸门不仅在平时调节控制水库水位,当汛期到来时可用以宣泄洪水,其结构安全性和启闭运行的可靠性不仅与水电站、水库的安全稳定生产有关,更是直接影响着流域上人民群众生命财产安全。因此,泄洪闸门的安全管理是水利水电行业重点关注研究对象。

在实际运行中,闸门可靠性降低、产生故障及遭受破坏的原因主要有以下几方面:设计水平、制造安装质量、运行管理水平、自然腐蚀老化和意外损伤等。这些因素相互影响制约,共同作用,需要运维人员长期进行大量参数的检测和监控才能充分了解闸门的健康状况。

在数字化技术加速发展的今天,受惠于网络系统和计算机分析工具,越来越多的安全观测工作可以转移到数字化管理平台。利用数字化管理平台系统,可以高效获取数据,数量和种类远超传统人工、半自动的检测方式。在水电水力工程中,早在90 年代,计算机自动系统就被应用于大坝工程安全监测之中[1],节省了人力,提高了观测资料质量,且加快了成果反馈。30 年来,信息平台应用涉及土建工程、水电机组、各类闸门及其组合对象[2-5],功能日益丰富,业内也不再满足于数据采集和监测,更强调数据的挖掘分析需求。

2015 年发改委第23 号令[6]《水电站大坝运行安全监督管理规定》中要求国家能源局大坝安全监察中心对注册(备案)登记的大坝运行安全进行远程在线技术监督,其中就对泄洪闸门这类水工金属对象提出了在线监控和安全分析要求。

华东勘测设计研究院作为水利水电工程的专业设计院,投身数字化浪潮且已完成众多数字化建设项目。其中水工金属结构设备的安全管理模块在已履约的“抽水蓄能电站金属结构设备安全评价体系研究与应用”工程项目中,以某抽水蓄能电站的导流泄放洞弧形工作闸门为对象,部署了在线监控和安全评价系统。本文以该系统为例讨论泄洪闸门数据挖掘工作的现状以及存在的问题,并提出了下一阶段的研究路线。

某抽水蓄能电站导流泄放洞弧形工作闸门已经使用近15 年,未进行过更新改造。闸门运行期间对应力、振动、支铰轴承磨损情况等均未进行过在线实时监测。闸门的运行姿态由单吊点液压启闭机行程检测装置提供数据进行分析,无其他反馈验证措施。此闸门预期服役时间将长达数10 年,设备的所处位置不易于频繁巡检和维护,设备存在某些隐蔽零部件无法从外观判断其安全状态,如支铰轴承等,且设备一旦失事,可能造成较重大的人员伤亡和财产损失。本项目实施目标为全面、实时、准确地掌握设备的安全状态,为管理人员提供决策依据。

该项目从水工金属结构设备安全运行要素出发,为泄洪闸门建设了在线监测及安全评价体系:在感知层,通过在金属结构设备上布置传感器,获取设备的关键特征指标;
在数据采集层将监测数据采集到现地控制箱,借助通信系统光缆备用芯,上传至服务器,累积监测数据库。

在平台应用层,研发了安全评价系统。利用大数据分析技术,对各类信息进行综合、关联和集成分析,对金属结构设备运行健康状态进行安全评价,并做出维护提醒和预警、报警。

评价系统选用了指标分级加权综合评估法。参照DL/T 5313-2014《水电站大坝运行安全评价导则》中金属结构章节对闸门设备的考察项目,在所考察的安全性即目标层下,设定准则层及其下属一二级指标层。由此将众多考察因素按照物理和逻辑关系排成从高到低的若干层次,构造出如表1 所示的递阶层次体系。

表1 泄洪闸门安全评价指标层次体系

各层指标及准则、目标层幅值范围如表2 所示,并规定大数值代表故障和不安全的状态。表中n为同一个一级指标下二级指标的个数,m为同一个准则层下一级指标的个数。

表2 各层指标及准则、目标层幅值范围

由在线及离线监测到的指标出发,通过一定的算法,逐步得到准则层结果。三层次处理计算方法见表3、表4。得到准则层数值后,将其取和并线性规整化至0~100 的区间,即得目标层评价数值。

表3 二级指标推算一级指标的计算方法

表4 一级指标推算准则层的计算方法

通过上述流程及计算方法,初步为导流泄放洞工作闸门及液压启闭机建立了在线监控和安全评价体系,实现在中央管控室及授权的终端上实时展示设备运行状态和由数据支撑的安全评价。

数据挖掘是指从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际数据中,提取出隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在的、有用的信息和知识的过程。由监测和检测数据推导安全评价结论正是一种数据挖掘工作。

在上述案例中,系统可随时生成泄洪闸门的安全评价报告。报告中可展示任意时段内的主要数据,以及据此得到的整体风险因数和风险水平较高的项目或指标。电站运行维护人员由平台系统可随时查看泄洪闸门的实时数据信息,非常直观便捷。数据信息和安全评价报告使设备管理工作更有针对性,提高了管理效率。

但同时也发现了一些欠缺,如:

(1)未考虑各指标的权重系数。

(2)缺少对历史故障所表现的指标特征的归类。

目前已建立的健康评价系统达到了初步目标,起到了一定的安全管理作用,但是仍有研发改进的空间以实现更理想的数据挖掘愿景。

通过对泄洪闸门等设备更广泛的调研,规划从以下几个方面加强工作:

(1)更全面地收集结构设备在不同健康状态下的表征数据。可以借助数字化建模和分析工具,对结构在各种载荷以及虚拟损伤条件下的响应进行模拟仿真,获得更精准的评价结论。

(2)强度指标下,针对应力测点在不同位置受载后响应的不同,设定不同的指标考察区间。使用材料本身的强度作为统一评判标准,很可能湮没一些非正常的应力响应现象。应力数值在时域的变化也是重点关注处理的指标,挖掘信息为预测服务。

(3)将人机交互、控制设备的运行状态也纳入监控和评价的范围。由众多水电水利设施的历史资料可知,有相当比例的安全事故是由于人为失误及控制设备故障导致。缺乏此类监测评价会导致安全评价结果不全面。

(4)结合专家系统等方法,精细化各指标的评判因素权重处理。使用隶属函数来进行模糊判定,体现不同数值差异对总体安全性的影响。

(5)在健康评价算法方面,引入更高阶的数值分析工具,例如神经网络、规则推理等,深入挖掘设备数据信息。

预计达到以下目标:

(1)数据信息收集的全面性。充分调研影响泄洪闸门的外界因素和闸门自身可测定的参量指标,不仅包括结构强度响应方面,也包括运行状态,运动工况状态。全面的信息保障不忽视任何一类隐患。

(2)健康评价要有预判性。深入挖掘数据中潜在信息,找出多指标参数间的暗线关系和发展轨迹,对即将发生的故障有一定的预判性。预判性体现在两方面,一方面由较长时间的跟踪观测数据,对结构健康所做的趋势预测;
另一方面也包括对特定水文环境下由闸门启闭等运行状态导致破坏故障的即时预判。

(3)要有可信的数值量化评价。最终给出的风险数值应具有量化比较能力,不同类别,不同严重程度的隐患要在最终的评价结果中有所区分和客观体现。以往为保证准确性,提高告警阈值会导致维护处理的介入时机较晚,问题扩大后综合维修成本较高,甚至可能导致严重后果。而通过此方向的研究,达到经济性和安全性的良好平衡。

泄洪闸门数据挖掘应用使管理人员不仅可以全面、实时、客观地掌握泄洪闸门相关数据,还能借助健康评价模块的评价报告得到设备的风险指数,指导管理工作,提高管理效率。在进一步的研发工作中,需要加强对设备的分析和数据的积累,细化对指标参数的数据处理,提高安全评价的预判性,实现深入准确的数据挖掘,保障泄洪闸门的安全运行。

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