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【摘要】地下水封儲庫數(shù)字平臺建設(shè)的核心理念是信息即時化、數(shù)據(jù)生命化、反饋聯(lián)動化，建立全生命周期數(shù)字平臺具有十分重要意義。數(shù)字平臺架構(gòu)包括底層工程數(shù)據(jù)庫、中層WEB服務(wù)器和通訊服務(wù)器、上層架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)前端界面開發(fā)。此外，還簡述了國內(nèi)某大型地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺在工程中的實際應(yīng)用情況，旨在為地下水封儲庫數(shù)字平臺建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：地下水封儲庫；全生命周期；數(shù)字平臺

地下水封儲庫通常是在花崗巖內(nèi)開挖密集洞室群來儲存油品或液態(tài)氣體等能源，并利用地下水及人工水幕系統(tǒng)來防止儲物逃逸[1]，因此對工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件要求極高。在地下水封儲庫建設(shè)全生命周期內(nèi)，能夠?qū)⒐こ绦畔⒓皶r準(zhǔn)確傳遞給各參與方，使其充分協(xié)調(diào)快速做出響應(yīng)部署是至關(guān)重要的。鑒于地下水封儲庫工程的特殊性，能將有限的信息及數(shù)據(jù)得到合理的最大化利用，為工程提供輔助決策依據(jù)，也對保障工程順利建設(shè)及運(yùn)營具有重要意義。

01 地下水封儲庫的原理及其特征 

地下水封儲庫的原理如圖 1所示。

圖1 地下水封儲庫運(yùn)行原理圖

與傳統(tǒng)的水電站地下廠房或交通隧道等地下工程相比，地下水封儲庫具有如下特點：

（1）要求盡可能少的布置勘探孔以避免破壞水封系統(tǒng)，故前期勘探精度并不如其他地下工程精確[2]；

（2）為保證地下水水位，要求保水施工，不能對巖體裂隙水有較大擾動[3]；

（3）洞室密集、施工工作面多、工種復(fù)雜、施工進(jìn)度快、工程參與方多，對整體快速協(xié)調(diào)及調(diào)度要求高[4]；

（4）儲庫運(yùn)行期只有管道進(jìn)出儲物，其余進(jìn)出口全部封閉，庫內(nèi)一旦出現(xiàn)問題不具備維護(hù)條件，所以對洞室及圍巖的長期安全性要求極為嚴(yán)格[5]。

02 地下水封儲庫全生命周期數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的核心理念

目前我國地下水封儲庫的設(shè)計建設(shè)總體還處于探索階段，由于地下水封儲庫不同于傳統(tǒng)的地下工程，具有其特殊性，且由于國外技術(shù)封鎖，核心經(jīng)驗難以借鑒，給地下水封儲庫的建設(shè)帶來了阻力。根據(jù)地下水封儲庫的特點，在工程勘探、設(shè)計、施工、運(yùn)營的全生命周期內(nèi)，通過數(shù)字平臺將各參與方有效聯(lián)結(jié)，為儲庫的建設(shè)提供決策支持是至關(guān)重要的。

數(shù)據(jù)平臺需要遵循的核心理念，可以概括為信息即時化、數(shù)據(jù)生命化、反饋聯(lián)動化。

2.1 信息即時化

信息即時化是要保證工程信息能在第一時間被工作人員接收并利用。在工程項目前期主要涉及政策文件及時下達(dá)、設(shè)計、咨詢方案及時更新等；項目施工期主要涉及勘探信息快速發(fā)布、施工情況時實展示、業(yè)主要求動態(tài)調(diào)整、監(jiān)理意見準(zhǔn)確反饋等；項目運(yùn)營期主要涉及運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)即時接收、管理調(diào)控指令精準(zhǔn)布置等。

2.2 數(shù)據(jù)生命化

數(shù)據(jù)生命化是指要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行高度的提煉和抽象，形成工程關(guān)鍵節(jié)點元數(shù)據(jù)，然后使數(shù)據(jù)在全生命周期的各個環(huán)節(jié)能夠順暢流轉(zhuǎn)、合理應(yīng)用，并且能夠衍生出新的數(shù)據(jù)、新的應(yīng)用、新的含義，在流轉(zhuǎn)過程中能夠賦予數(shù)據(jù)更多的價值及意義，從而對工程決策產(chǎn)生積極的影響。

2.3 反饋聯(lián)動化

反饋聯(lián)動化是指將各參與方的信息融合為一個整體，做到應(yīng)有數(shù)據(jù)共享，同時根據(jù)工程級聯(lián)關(guān)系建立數(shù)據(jù)傳遞鏈，一方有數(shù)據(jù)更新時，與其相關(guān)的各方都能在第一時間收到信息推送及需要其進(jìn)行的操作指示，提高各參與方協(xié)同作戰(zhàn)的能力。

03 全生命周期數(shù)字平臺的基本架構(gòu)

地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺可以按照自底向上的方法，分別對底層、中層和上層進(jìn)行基本架構(gòu)設(shè)計。

3.1 底層架構(gòu)為工程數(shù)據(jù)庫

工程數(shù)據(jù)庫中主要存儲的內(nèi)容為工程全生命周期內(nèi)經(jīng)過高度提煉的元數(shù)據(jù)，包括用戶數(shù)據(jù)、文件索引數(shù)據(jù)、工程設(shè)計數(shù)據(jù)、工程建設(shè)數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)、工程運(yùn)營數(shù)據(jù)等。用戶數(shù)據(jù)用來記錄工程各協(xié)作單位用戶的用戶名、密碼、權(quán)限等級等，需要設(shè)計專門的加密方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密及解密；文件索引數(shù)據(jù)用來建立工程數(shù)據(jù)庫與文件數(shù)據(jù)庫之間文本數(shù)據(jù)的對接及同步；工程設(shè)計數(shù)據(jù)主要涉及咨詢與設(shè)計人員進(jìn)行工程規(guī)劃、設(shè)計參數(shù)、關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)的定義及存儲；工程建設(shè)數(shù)據(jù)主要用來存儲工程建設(shè)過程中的勘探數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、工程進(jìn)度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；工程管理數(shù)據(jù)主要用來存儲工程管理過程中機(jī)械設(shè)備管理、人員管理、財務(wù)管理等數(shù)據(jù)；工程運(yùn)營數(shù)據(jù)主要用來記錄工程運(yùn)營過程中關(guān)鍵部位、關(guān)鍵人員、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的動態(tài)數(shù)據(jù)及運(yùn)營期的效果評價指標(biāo)、后評價參數(shù)等。

入庫的數(shù)據(jù)，一是要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對入庫的數(shù)據(jù)格式、正確性等方面進(jìn)行全面治理，保證入庫的數(shù)據(jù)都是健康有用的；二是要高度提煉及優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型合理設(shè)計存儲方式，避免數(shù)據(jù)冗余。

3.2 中層架構(gòu)為WEB服務(wù)器與通訊服務(wù)器

WEB服務(wù)器中需要配置保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的各種服務(wù)，除此之外，最重要的是集中布置全生命周期數(shù)字平臺的功能模塊集。功能模塊集主要包括對入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行治理的數(shù)據(jù)治理工具集以及使數(shù)據(jù)生命化的數(shù)據(jù)模塊工具集。數(shù)據(jù)治理工具集主要包括數(shù)據(jù)糾錯模塊、數(shù)據(jù)去重模塊、數(shù)據(jù)格式化模塊、數(shù)據(jù)存取模塊等，實現(xiàn)的功能是要嚴(yán)格保證入庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量及精度，作為數(shù)據(jù)后續(xù)衍生復(fù)用的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)模塊工具集主要包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)融合、計算模型等模塊，其功能主要在數(shù)據(jù)庫中元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系，派生新的數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)顯示、模型展示等方式傳遞給前端用戶，基本布局原理如圖2所示。

圖 2 功能模塊布局原理圖

通訊服務(wù)器用來將工程布置的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、用戶外圍通訊設(shè)備等采集的工程一線數(shù)據(jù)，實時準(zhǔn)確的傳遞到工程數(shù)據(jù)庫中，以保證工程各方人員能夠第一時間在數(shù)字平臺上看到工程的當(dāng)前狀態(tài)。服務(wù)器與移動網(wǎng)絡(luò)連接，將指令發(fā)送到采集控制單元，并取回傳感器信號?？刂葡到y(tǒng)可視情況集成在WEB服務(wù)器上或通訊服務(wù)上，用戶可以通過操作控制系統(tǒng)，配置傳感器單元，發(fā)出指令采集工程數(shù)據(jù)。

3.3 上層架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)前端界面開發(fā)

前端開發(fā)需要在充分了解HTTP標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用HTML5、JavaScript、CSS等技術(shù)構(gòu)建起使用戶具有良好體驗的前端界面，本質(zhì)上雖然也是在WEB服務(wù)器上集中實現(xiàn)前端代碼的存儲，但在架構(gòu)層次上仍將其視為前端。在用戶登錄時，需要采用哈希算法MD5、SHA1加密以及HTTPS加密等技術(shù)，將用戶信息從客戶端傳遞到WEB服務(wù)器進(jìn)解密后與數(shù)據(jù)庫中的用戶權(quán)限及用戶注冊信息相匹配，匹配成功后WEB服務(wù)器用戶管理模塊根據(jù)用戶的不同權(quán)限調(diào)用不同的數(shù)據(jù)模塊，分別顯示到前端界面的展示項及菜單項等當(dāng)中。

地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺的整體實現(xiàn)方法如圖3所示。

圖3 全生命周期數(shù)字平臺架構(gòu)示意圖

04 地下水封儲庫工程數(shù)字平臺的應(yīng)用

國內(nèi)某大型地下水封儲庫工程在1平方公里范圍內(nèi)分層布置了10余種共30余條各類大型洞室（圖4），洞室密集度高、施工作業(yè)強(qiáng)度大、交叉多、勘探要求高且儲庫密封運(yùn)行后無法進(jìn)行后期維護(hù)，故對多位一體聯(lián)動建設(shè)以保證工程萬無一失及全生命周期內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了極為嚴(yán)格的要求。在此工程背景下，合理搭建地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺，將各業(yè)務(wù)單位及各生產(chǎn)建設(shè)環(huán)節(jié)有效聯(lián)結(jié)起來是保證工程順利完成的重要手段。

圖4 大型地下水封儲庫洞室空間布置圖

按照地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺架構(gòu)的核心理念及基本架構(gòu)思路，搭建起了地下水封洞庫動態(tài)設(shè)計輔助平臺（DKDAP），初步實現(xiàn)了工程全生命周期的咨詢、設(shè)計、施工、運(yùn)營等在平臺上的統(tǒng)一聯(lián)動。用戶登錄平臺后進(jìn)入主界面，主界面根據(jù)不同的用戶角色及權(quán)限展示不同的菜單與操作項，如圖5所示。

圖5 DKDAP平臺主界面

DKDAP平臺采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，建成初期，與儲庫建設(shè)相關(guān)的表單有60余張，包括數(shù)據(jù)、文字、圖片、模型等不同類型，占用空間達(dá)10GB以上。隨著工程推進(jìn)，表單及數(shù)據(jù)成倍增長，不僅給數(shù)據(jù)庫維護(hù)帶來很大困難，而且巨大的數(shù)據(jù)傳輸量造成遠(yuǎn)程訪問極不流暢。基于平臺建設(shè)對數(shù)據(jù)高度精煉及優(yōu)化的核心理念，對表結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了優(yōu)化，主要分兩部分進(jìn)行，一部分是對數(shù)據(jù)庫端進(jìn)行重新設(shè)計優(yōu)化，另一部分是對數(shù)據(jù)訪問端進(jìn)行優(yōu)化。對數(shù)據(jù)庫端的優(yōu)化是在表空間、邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)特性和數(shù)據(jù)類型方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，通過大量的實測檢驗，采用最適合地下水封儲庫特點的數(shù)據(jù)存儲模式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。例如，洞室軸線關(guān)鍵節(jié)點的樁號里程數(shù)據(jù)，通常采用浮點型數(shù)據(jù)存儲及運(yùn)算，但由于地下儲庫建設(shè)過程中經(jīng)常涉及到大地坐標(biāo)與工程坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、節(jié)點里程換算、空間模型生成等一系列變換，最終通過對初始數(shù)據(jù)的整合與優(yōu)化，將關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)及坐標(biāo)變換信息聯(lián)結(jié)存儲成規(guī)則的字符串型數(shù)據(jù)，在調(diào)用時通過字符串處理函數(shù)按需拆分并轉(zhuǎn)化運(yùn)算，最終實際測試效果反而比使用多表單下浮點型數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及運(yùn)算效率更高。對數(shù)據(jù)訪問端的優(yōu)化主要是對SQL語句及程序調(diào)用等方面進(jìn)行了簡化及算法優(yōu)化，提高了部分傳輸效率，數(shù)據(jù)庫整體設(shè)計優(yōu)化思路如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫設(shè)計及優(yōu)化流程圖

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的數(shù)據(jù)庫僅用25張表存儲了原來60余張表包含的關(guān)鍵節(jié)點元數(shù)據(jù)，占用存儲空間不到2MB，如圖7所示。派生數(shù)據(jù)在訪問時根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點元數(shù)據(jù)快速生成，大大提高了數(shù)據(jù)庫的訪問效率，通過20多層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行高頻訪問測試沒有出現(xiàn)任何不流暢現(xiàn)象。

圖7 優(yōu)化設(shè)計后數(shù)據(jù)庫

在數(shù)據(jù)模塊方面，平臺集中了大量算法及分析模型，為洞庫設(shè)計及建設(shè)提供決策支持。例如，為了彌補(bǔ)工程區(qū)勘探孔少以防破壞地下水從而造成難于掌握地下水位全貌的不足，平臺引入了一系列三維空間插值算法，試圖根據(jù)已知的有限個勘探孔水位數(shù)據(jù)來擬合出全工程區(qū)域的地下水位分布狀態(tài)。然而起初的擬合效果并不理想，函數(shù)構(gòu)造比較困難，且在多元情況下并非總是有解。經(jīng)過進(jìn)一步研究分析，發(fā)現(xiàn)本工程勘探孔具有分布間距大、覆蓋范圍廣等特點，采用傳統(tǒng)的三維插值算法并不能很好的解決這類問題。故引進(jìn)了對空間散亂數(shù)據(jù)插值具有較好效果的徑向基函數(shù)插值法，就是給定徑向函數(shù)，對于一組多元散亂數(shù)據(jù)，尋找形如的函數(shù)，隨后將其進(jìn)行三維擴(kuò)展，得到了形如圖8所示的三維徑向基函數(shù)插值公式。

圖8 三維徑向基函數(shù)插值公式

利用徑向基函數(shù)插值公式，將通訊服務(wù)器通過水位傳感器（圖9）在第一時間采集進(jìn)入平臺的勘探孔水位數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值擬合，可以直觀的得到地下水水位空間分布情況，供工程人員進(jìn)行分析決策，如圖10所示。

圖9 勘探孔水位傳感器布置圖

圖10 地下水水位三維展示

經(jīng)過高度提煉后的元數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)存儲量少而精的優(yōu)勢，經(jīng)過數(shù)據(jù)模塊工具集中不同模塊的單獨加工或聯(lián)合加工，可以派生出眾多有價值的信息，通過不同角度展示給所需用戶，供其做出綜合決策判識。如工程中的進(jìn)度信息采集導(dǎo)入平臺后，可以實時展示出洞室三維施工進(jìn)度形象，經(jīng)過數(shù)據(jù)模塊加工后可以根據(jù)當(dāng)前施工進(jìn)度計算出當(dāng)前施工速度，并可預(yù)測出未來的施工完成時間等，如圖11所示。

圖11 洞室開挖進(jìn)度及預(yù)測

將施工進(jìn)度預(yù)測模塊與斷層預(yù)測模塊聯(lián)合使用，可精確預(yù)測出洞室開挖前方遭遇斷層的位置與時間，及時提醒工程人員應(yīng)對即將到來的特殊地質(zhì)情況，提前做好圍巖補(bǔ)強(qiáng)加固或其他應(yīng)對措施。例如在9號洞室施工時，平臺預(yù)測出在開挖面前方0+540.253位置有F11斷層經(jīng)過（圖12），及時進(jìn)行了研究部署，決定在開挖揭露出斷層后，立即采取圍巖補(bǔ)強(qiáng)注漿的方式對巖體進(jìn)行加固。

圖12 斷層預(yù)警

當(dāng)洞室向前開挖到0+530~0+535位置揭露出了F11斷層破碎帶，與數(shù)字預(yù)測的0+540.253位置非常吻合，如圖13所示。此刻立即執(zhí)行預(yù)先制定好的方案，對斷層破碎帶進(jìn)行打孔注漿補(bǔ)強(qiáng)，提高了圍巖的穩(wěn)定性（圖14），最后保證洞室開挖順利經(jīng)過。

圖13 F11斷層破碎帶揭露情況

圖14 F11斷層破碎帶部位布孔注漿

在上述模塊基礎(chǔ)上，再結(jié)合施工過程中逐步采集到的沿程巖體質(zhì)量元數(shù)據(jù)，勘探模塊可動態(tài)生成勘探人員所需的節(jié)理玫瑰圖，如圖15所示；進(jìn)一步將巖體質(zhì)量元數(shù)據(jù)、洞室斷面元數(shù)據(jù)及洞室空間分布等數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過計算模型進(jìn)行分析，可以計算出洞室斷面圍巖的力學(xué)性質(zhì)，供設(shè)計人員對斷面圍巖穩(wěn)定性做出判斷，如圖16所示。

圖15 巖體質(zhì)量元數(shù)據(jù)生成節(jié)理玫瑰圖

圖16 圍巖力學(xué)分析

儲庫建成運(yùn)營階段，管理人員可通過前期布置的各類型傳感器，實時監(jiān)測儲庫的運(yùn)行狀態(tài)，如儲庫油品液位、洞內(nèi)存儲壓力、水幕孔運(yùn)行狀態(tài)（圖17）等。

圖17 水幕孔運(yùn)行狀態(tài)

地下水封洞庫動態(tài)設(shè)計輔助平臺（DKDAP）建成后，集合了大量的數(shù)據(jù)信息，內(nèi)容涵蓋了工程的咨詢、勘探、設(shè)計、施工、安全監(jiān)測、運(yùn)行與管理等全生命周期的工程元素，為工程建設(shè)的過程控制和決策提供具有實用價值的支持和服務(wù)。

05 主要研究結(jié)論

本文針對地下水封儲庫的特點，提出建設(shè)地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺的理念及實現(xiàn)方法，并闡述了其在實際工程中的部分功能應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）地下水封儲庫不同于傳統(tǒng)的水電站地下廠房、地下隧道等工程，具有其獨有的特點，從而為工程的設(shè)計與建設(shè)等帶來了全新的挑戰(zhàn)。采用數(shù)字化輔助平臺，通過自動化、智能化等手段使各參與方在統(tǒng)一的平臺上形成聯(lián)動，能夠為儲庫全生命周期的順利建設(shè)運(yùn)營提供有力的保障。

（2）地下水封儲庫全生命周期數(shù)字平臺建設(shè)需要結(jié)合儲庫的特點，遵循信息即時化、數(shù)據(jù)生命化、反饋聯(lián)動化的核心理念，充分發(fā)揮信息和數(shù)據(jù)在工程中的突出作用。平臺開發(fā)過程中，需根據(jù)工程具體情況進(jìn)行不斷的優(yōu)化與改進(jìn)，設(shè)計出適合儲庫工程特點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及模塊，同時各模塊之間要積極探索綜合應(yīng)用方式，將有限的數(shù)據(jù)創(chuàng)造出無限的生命力。

（3）平臺架構(gòu)過程中，底層數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)需是經(jīng)過高度提煉抽象的元數(shù)據(jù)；中層的WEB服務(wù)器層集中絕大多數(shù)的核心模塊與計算模型，將數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)經(jīng)過多角度加工、融合等處理最終按需展示給不同用戶；前端界面的開發(fā)需充分考慮請求的加密處理，保證數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確進(jìn)行傳遞。

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