華能太平驛公司基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的偏遠山區(qū)水電站防災(zāi)減災(zāi)管理案例

華能太平驛公司基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的偏遠山區(qū)水電站防災(zāi)減災(zāi)管理案例推薦單位：中國華能集團有限公司案例單位：四川華能太平驛水電有限責(zé)任公司團隊成員：陳嵩黃國華唐振宇杜仁舉趙棟棟張璽唐小焰羅方宇黃眾邱振涵柳鋼靳太和鐘永高一、基本情況（一）公司簡介四川華能太平驛水電有限責(zé)任公司（以下簡稱華能太平驛公司）隸屬華能四川能源開展有限公司，是中國華能集團有限公司在地方設(shè)立的基層企業(yè)。華能太平驛公司管理一座水電站——華能太平驛水電站，電站地處阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)（“5·12”汶川大地震震中），裝機4×70兆瓦，設(shè)計水頭111.5米，為徑流引水式水電站。（二）案例背景隨著近年來國內(nèi)極端天氣頻發(fā)，多地頻繁出現(xiàn)不同規(guī)模、不同類型的自然災(zāi)害，給通常處于深山峽谷之中的水電站安全管理帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。華能太平驛電站自投產(chǎn)以來，先后經(jīng)歷“5·12”汶川大地震、“7·10”特大泥石流、“8·20”特大泥石流等地質(zhì)地震災(zāi)害，造成電站多名職工傷亡。由于目前對徑流引水式電站大壩的管理基本仍為常規(guī)的人員駐守值班管理模式，一旦大壩周邊區(qū)域發(fā)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，勢必會威脅到值班人員生命安全。經(jīng)統(tǒng)計，華能太平驛水電站大壩在“5·12”地震前，閘門動作次數(shù)一年在2000次左右，震后由于庫區(qū)內(nèi)山體垮塌及泥石流等次生災(zāi)害影響，調(diào)節(jié)庫容進一步減小，調(diào)節(jié)次數(shù)急劇增加到約4000次/年。受限于閘門啟閉、測控、通訊、供電等設(shè)備設(shè)施可靠性、控制技術(shù)和控制精度，華能太平驛水電站開關(guān)站運行中心無法實時可靠遠控大壩現(xiàn)場設(shè)備，大壩仍然不得不采用現(xiàn)場值班方式，而大壩周邊山洪泥石流、地震等自然災(zāi)害的頻發(fā)，給大壩值班人員的人身安全帶來了巨大威脅，同時也給電站的安全生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。華能太平驛公司認真總結(jié)近年來防災(zāi)減災(zāi)經(jīng)驗教訓(xùn)，通過一系列措施的實施，成功實現(xiàn)了基于數(shù)字驅(qū)動的大壩智慧管理。圖1華能太平驛水電站“8·20”泥石流災(zāi)害情況二、主要做法與實踐（一）基于無人機及遙感衛(wèi)星實現(xiàn)對電站周邊氣候、地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集利用無人機對電站周邊沖溝內(nèi)的堆積物料、沖溝兩側(cè)山體情況進行航拍。通過國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺、文獻查閱及野外調(diào)研等途徑，獲取泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)、氣候分區(qū)圖、構(gòu)造分區(qū)圖、地貌分區(qū)圖、巖性與斷裂分布圖、高程數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)等。獲取準實時遙測降雨產(chǎn)品、由中國氣象局國家氣象信息中心研發(fā)的東亞區(qū)域大氣驅(qū)動場再分析數(shù)據(jù)集以及地面站的日降水數(shù)據(jù)。圖2數(shù)據(jù)采集通過對大壩上游泥石流溝內(nèi)物料分析及無人機監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部堆積了大量砂石，有形成泥石流的潛在風(fēng)險。2023年，大壩上游先后經(jīng)歷暴曬、暴雨極端天氣，該泥石流溝于深夜發(fā)生小型泥石流，大量泥沙沖入岷江河道，導(dǎo)致水質(zhì)變差。華能太平驛公司根據(jù)以往監(jiān)測情況，提前謀劃，制定應(yīng)急預(yù)案，在發(fā)生泥石流的當夜果斷停機、提門，恢復(fù)天然河道，避免大壩水工建筑物、廠房水輪機等受損，成功應(yīng)對泥石流。（二）基于高分辨率攝像頭的水位數(shù)據(jù)收集為保證數(shù)據(jù)的準確可靠性，避免因水位傳感器故障影響水位測量數(shù)據(jù)，華能太平驛公司管理創(chuàng)新項目團隊提出了利用攝像頭自動識別大壩水位的構(gòu)想，通過大壩不同角度攝像頭收集了大量的水位數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進行人工標注，得到基于機器學(xué)習(xí)的水位圖像識別功能的初始數(shù)據(jù)。將該水位數(shù)據(jù)與水位傳感器數(shù)據(jù)進行比對，采用“三選二”邏輯進行判斷，得到大壩真實水位信息，保證控制可靠性。2024年3月，受強降雨影響，華能太平驛電站大壩與控制中心光纖通訊異常中斷，運行人員失去監(jiān)控系統(tǒng)水位數(shù)據(jù)，而此時的基于圖像識別的大壩水位系統(tǒng)依然在線，保證運行人員可以實時掌握水位，有效避免了非計劃停運事件發(fā)生，保障了上下游人民群眾用電安全和生命財產(chǎn)安全。（三）大壩周邊孕災(zāi)地區(qū)數(shù)據(jù)處理及泥石流預(yù)警算法設(shè)計華能太平驛公司通過提取孕災(zāi)區(qū)域的地貌形態(tài)和邊界特征，篩選泥石流單元，計算坡度、相對高差、地形指數(shù)、植被覆蓋度、土壤質(zhì)地及降水空間分布等特征，利用條件概率統(tǒng)計、層次分析法、主成分分析法等手段，分析并篩選容易形成冰川泥石流的主要環(huán)境特征。統(tǒng)計分析震后泥石流流域內(nèi)崩滑體補給方量的關(guān)鍵影響因子，對崩滑體的穩(wěn)定性進行判識，通過遙感解譯結(jié)果，選取崩滑體的坡度、幾何中心點到溝道距離、補給面積、總面積四個因子，確定影響崩滑體補給泥石流方量大小的關(guān)鍵因素，進而采取地形地貌特征與動力學(xué)理論，建立崩滑體補給方量計算公式。針對泥石流預(yù)警方法，設(shè)計基于雨量、地聲、泥位和雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法，構(gòu)建與監(jiān)測參數(shù)相關(guān)聯(lián)的閾值模型。利用野外踏勘、無人機以及遙感數(shù)據(jù)分析的方法，搜索與泥石流溝的地形、地質(zhì)條件和物源條件類似的泥石流溝，并搜集歷年的泥石流災(zāi)情數(shù)據(jù)以及降雨數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析的方法反演觸發(fā)徹底關(guān)溝泥石流的雨量閾值；采用信號處理原理中的小波降噪、頻譜分析、譜功率分析和信號相關(guān)性分析等方法，對泥石流在溝道內(nèi)運動產(chǎn)生地聲信號進行自動化分析，構(gòu)建以頻率、短時過零率等參數(shù)為核心的泥石流地聲閾值，實現(xiàn)基于地聲的泥石流預(yù)警方法；在水力學(xué)的基礎(chǔ)上，計算不同降雨重現(xiàn)期作用下溝道內(nèi)泥石流的泥深、流速和流量等特征參數(shù)的數(shù)值，再結(jié)合監(jiān)測斷面的地形條件以及實時監(jiān)測的泥位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于泥位的泥石流預(yù)警模型；通過對高頻雷達關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集分析技術(shù)，以及自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫模型技術(shù)，采用“遺傳算法”和“模糊匹配法”，形成自主研發(fā)的秒鐘時間尺度智能預(yù)警算法，實現(xiàn)三幀圖像序列準確確認泥石流事件，實現(xiàn)基于雷達探測的泥石流預(yù)警技術(shù)。通過雨量閾值發(fā)出的預(yù)警信號觸發(fā)位于流通區(qū)的地聲和泥水位計加密監(jiān)測，并將異常泥石流監(jiān)測信號作為觸發(fā)因素傳遞給位于溝口附近的多普勒雷達監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)泥石流流速的高頻監(jiān)測與識別，最后設(shè)定不同指標的聯(lián)動方式（觸發(fā)時間、預(yù)警等級等），形成智能化多指標協(xié)同的預(yù)警體系方法。2024年4月29日，受強降雨影響，電站大壩周邊邊坡發(fā)生變形，預(yù)警系統(tǒng)第一時間監(jiān)測到變形信息并發(fā)出預(yù)警，值班人員及部分重要設(shè)備迅速撤離，當晚23時左右，大壩左岸高邊坡發(fā)生小型垮塌，部分落石落入庫區(qū)，砸斷電纜、護欄等，由于預(yù)警及時，未造成人員傷亡及重要設(shè)備損壞，有力保障了電站安全生產(chǎn)。三、成效與創(chuàng)新（一）泥石流預(yù)警算法實現(xiàn)泥石流的提前預(yù)警華能太平驛公司通過在泥石流流域內(nèi)部署雨量監(jiān)測站、泥位監(jiān)測站、泥石流地聲監(jiān)測站、視頻監(jiān)測站、雷達監(jiān)測站等專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，形成泥石流全過程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由監(jiān)控中心和現(xiàn)場站點采用分布式架構(gòu)搭建的系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警平臺。監(jiān)控中心實現(xiàn)對各現(xiàn)場站點的管理、數(shù)據(jù)庫存儲、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、預(yù)警模型的管理、預(yù)警信息的發(fā)布等功能。結(jié)合應(yīng)急疏散線路規(guī)劃、水電站臨災(zāi)管控對策，總結(jié)面向水電站的泥石流監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)模式。圖3泥石流監(jiān)測預(yù)警示范總體架構(gòu)同時，為及時掌握水情的第一手信息，華能太平驛公司建立了一套電站水情測報系統(tǒng)，通過收集匯總降雨等數(shù)據(jù)，提前預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險。自系統(tǒng)投入以來，先后發(fā)出50余條雨量預(yù)警、泥石流預(yù)警等信息，有力保障了電站的安全生產(chǎn)和防洪度汛管理，為公司落實各項防災(zāi)減災(zāi)措施提供了有力支撐。圖4水情測報系統(tǒng)（二）自主設(shè)計實現(xiàn)基于北斗通信的應(yīng)急電源遠方控制隨著無人化智慧大壩的正式實現(xiàn)，大壩現(xiàn)場大部分情況下無人，當兩路市電全失時需要柴油發(fā)電機自動啟動。當電源消失時系統(tǒng)自動啟動柴油發(fā)電機并合上柴油發(fā)電機進線開關(guān)，保證正常供電。然而，當柴油發(fā)電機無法自動啟停時，無法手動遠方干預(yù)柴油發(fā)電機，存在較大安全隱患。為此，華能太平驛公司提出了通過北斗衛(wèi)星通信實現(xiàn)柴油發(fā)電機的遠方手動干預(yù)的思路，通過購置PLC、北斗終端等設(shè)備，自主設(shè)計開發(fā)出一套柴油發(fā)電機遠方控制小型上位機系統(tǒng)。在常規(guī)通訊如光纖通訊、4G/5G網(wǎng)絡(luò)通訊中斷時，自動啟動北斗通訊系統(tǒng)，遠方可以通過自主開發(fā)的軟件實現(xiàn)對柴油發(fā)電機的啟停控制，保證供電可靠性。（三）建立大壩數(shù)據(jù)智能管理中心，全面接入智能AI系統(tǒng)依托華能太平驛水電站大壩現(xiàn)有工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、泥石流監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)等，在大壩現(xiàn)場建立大壩數(shù)據(jù)智能管理中心，將大壩上下游水情數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、各設(shè)備運行參數(shù)接入，并依托華能太平驛公司技術(shù)創(chuàng)新工作室，置入自主研發(fā)的水位圖像識別算法、水位機器學(xué)習(xí)算法、閘門開度調(diào)節(jié)智能算法、災(zāi)害場景智能算法等，當開關(guān)站與大壩失聯(lián)后，大壩數(shù)據(jù)智能管理中心自動接管大壩所有設(shè)備的控制權(quán)，根據(jù)上游來水情況、水位變動情況實時計算、調(diào)整閘門開度。大壩數(shù)據(jù)智能管理中心依據(jù)工業(yè)電視系統(tǒng)、泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)及內(nèi)置的災(zāi)害場景智能算法實時分析大壩設(shè)備安全性，一旦判定泥石流災(zāi)害風(fēng)險較大或水位上漲過快，其會立即啟動一鍵啟門功能開啟全部閘門，恢復(fù)天然河道，防止因泥石流災(zāi)害導(dǎo)致閘門無法提起，形成堰塞湖，影響上下游人民群眾生命財產(chǎn)安全。四、總結(jié)與建議通過技術(shù)革新、設(shè)備改造，大壩設(shè)備穩(wěn)定性逐步提升，提高了大壩的抗風(fēng)險能力，實現(xiàn)了大壩無人化智慧管理，減少了人員在自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)域的暴露風(fēng)險。泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的投入使用，實現(xiàn)了對泥石流的24小時不間斷監(jiān)測，監(jiān)測準確率有了明顯提升。柴油發(fā)電機遠方啟停技術(shù)的實現(xiàn)，顯著提升大壩電源可靠性，保證大壩在兩路市電全失的情況下有可靠的電源保障。閘門遠方監(jiān)視及操作，減小運行人員勞動強度，水庫水位控制準確，電站經(jīng)濟運行水平得到有效提升。大壩數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，保證了大壩在與開關(guān)站失聯(lián)情況下，設(shè)備依然在可控狀態(tài)，避免漫壩或隧洞進氣等事故發(fā)生，保障大壩設(shè)備及水工建筑物的安全。太平驛電站大壩抗風(fēng)險能力的提升，為大壩上下游周邊地區(qū)人民群眾的生命安全提供了堅實屏障。同時，在引水式電站大壩的長期運行管理過程中，太平驛水電站大壩經(jīng)歷了地震災(zāi)害、泥石流災(zāi)害的發(fā)生、救援、恢復(fù)的全過程，為多泥石流災(zāi)害區(qū)域水電站大壩的運行積累了豐富的經(jīng)驗。一是在泥石流的監(jiān)測預(yù)警方面，應(yīng)加強對周邊氣候、水文等數(shù)據(jù)的收集，定期組織觀察泥石流溝內(nèi)物料堆積情況，定期清理，防止泥石流發(fā)生。同時針對經(jīng)常發(fā)生泥石流的地