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魏雪斐 王磊 | 地下水封储库全生命周期数字平台建设及应用
发布日期:2020-08-17 作者:魏雪斐 王磊 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

【摘要】地下水封储库数字平台建设的核心理念是信息即时化、数据生命化、反馈联动化,建立全生命周期数字平台具有十分重要意义。数字平台架构包括底层工程数据库、中层WEB服务器和通讯服务器、上层架构为网络前端界面开发。此外,还简述了国内某大型地下水封储库全生命周期数字平台在工程中的实际应用情况,旨在为地下水封储库数字平台建设提供参考。

关键词:地下水封储库;全生命周期;数字平台

地下水封储库通常是在花岗岩内开挖密集洞室群来储存油品或液态气体等能源,并利用地下水及人工水幕系统来防止储物逃逸[1],因此对工程地质及水文地质条件要求极高。在地下水封储库建设全生命周期内,能够将工程信息及时准确传递给各参与方,使其充分协调快速做出响应部署是至关重要的。鉴于地下水封储库工程的特殊性,能将有限的信息及数据得到合理的最大化利用,为工程提供辅助决策依据,也对保障工程顺利建设及运营具有重要意义。

01 地下水封储库的原理及其特征 

地下水封储库的原理如图 1所示。

图1 地下水封储库运行原理图

与传统的水电站地下厂房或交通隧道等地下工程相比,地下水封储库具有如下特点:

(1)要求尽可能少的布置勘探孔以避免破坏水封系统,故前期勘探精度并不如其他地下工程精确[2];

(2)为保证地下水水位,要求保水施工,不能对岩体裂隙水有较大扰动[3];

(3)洞室密集、施工工作面多、工种复杂、施工进度快、工程参与方多,对整体快速协调及调度要求高[4];

(4)储库运行期只有管道进出储物,其余进出口全部封闭,库内一旦出现问题不具备维护条件,所以对洞室及围岩的长期安全性要求极为严格[5]。

02 地下水封储库全生命周期数据平台建设的核心理念

目前我国地下水封储库的设计建设总体还处于探索阶段,由于地下水封储库不同于传统的地下工程,具有其特殊性,且由于国外技术封锁,核心经验难以借鉴,给地下水封储库的建设带来了阻力。根据地下水封储库的特点,在工程勘探、设计、施工、运营的全生命周期内,通过数字平台将各参与方有效联结,为储库的建设提供决策支持是至关重要的。

数据平台需要遵循的核心理念,可以概括为信息即时化、数据生命化、反馈联动化。

2.1 信息即时化

信息即时化是要保证工程信息能在第一时间被工作人员接收并利用。在工程项目前期主要涉及政策文件及时下达、设计、咨询方案及时更新等;项目施工期主要涉及勘探信息快速发布、施工情况时实展示、业主要求动态调整、监理意见准确反馈等;项目运营期主要涉及运行监测数据即时接收、管理调控指令精准布置等。

2.2 数据生命化

数据生命化是指要将原始数据进行高度的提炼和抽象,形成工程关键节点元数据,然后使数据在全生命周期的各个环节能够顺畅流转、合理应用,并且能够衍生出新的数据、新的应用、新的含义,在流转过程中能够赋予数据更多的价值及意义,从而对工程决策产生积极的影响。

2.3 反馈联动化

反馈联动化是指将各参与方的信息融合为一个整体,做到应有数据共享,同时根据工程级联关系建立数据传递链,一方有数据更新时,与其相关的各方都能在第一时间收到信息推送及需要其进行的操作指示,提高各参与方协同作战的能力。

03 全生命周期数字平台的基本架构

地下水封储库全生命周期数字平台可以按照自底向上的方法,分别对底层、中层和上层进行基本架构设计。

3.1 底层架构为工程数据库

工程数据库中主要存储的内容为工程全生命周期内经过高度提炼的元数据,包括用户数据、文件索引数据、工程设计数据、工程建设数据、工程管理数据、工程运营数据等。用户数据用来记录工程各协作单位用户的用户名、密码、权限等级等,需要设计专门的加密方案对数据进行加密及解密;文件索引数据用来建立工程数据库与文件数据库之间文本数据的对接及同步;工程设计数据主要涉及咨询与设计人员进行工程规划、设计参数、关键节点数据的定义及存储;工程建设数据主要用来存储工程建设过程中的勘探数据、施工数据、工程进度等关键数据;工程管理数据主要用来存储工程管理过程中机械设备管理、人员管理、财务管理等数据;工程运营数据主要用来记录工程运营过程中关键部位、关键人员、关键环节的动态数据及运营期的效果评价指标、后评价参数等。

入库的数据,一是要保证数据质量,需要对入库的数据格式、正确性等方面进行全面治理,保证入库的数据都是健康有用的;二是要高度提炼及优化数据结构,根据数据的不同类型合理设计存储方式,避免数据冗余。

3.2 中层架构为WEB服务器与通讯服务器

WEB服务器中需要配置保证网络正常运行的各种服务,除此之外,最重要的是集中布置全生命周期数字平台的功能模块集。功能模块集主要包括对入库数据进行治理的数据治理工具集以及使数据生命化的数据模块工具集。数据治理工具集主要包括数据纠错模块、数据去重模块、数据格式化模块、数据存取模块等,实现的功能是要严格保证入库数据的质量及精度,作为数据后续衍生复用的基础。数据模块工具集主要包括数据处理、数据加工、数据融合、计算模型等模块,其功能主要在数据库中元数据的基础上,挖掘数据内在联系,派生新的数据,最后通过数据显示、模型展示等方式传递给前端用户,基本布局原理如图2所示。

图 2 功能模块布局原理图

通讯服务器用来将工程布置的传感器监测数据、用户外围通讯设备等采集的工程一线数据,实时准确的传递到工程数据库中,以保证工程各方人员能够第一时间在数字平台上看到工程的当前状态。服务器与移动网络连接,将指令发送到采集控制单元,并取回传感器信号。控制系统可视情况集成在WEB服务器上或通讯服务上,用户可以通过操作控制系统,配置传感器单元,发出指令采集工程数据。

3.3 上层架构为网络前端界面开发

前端开发需要在充分了解HTTP标准的基础上,采用HTML5、JavaScript、CSS等技术构建起使用户具有良好体验的前端界面,本质上虽然也是在WEB服务器上集中实现前端代码的存储,但在架构层次上仍将其视为前端。在用户登录时,需要采用哈希算法MD5、SHA1加密以及HTTPS加密等技术,将用户信息从客户端传递到WEB服务器进解密后与数据库中的用户权限及用户注册信息相匹配,匹配成功后WEB服务器用户管理模块根据用户的不同权限调用不同的数据模块,分别显示到前端界面的展示项及菜单项等当中。

地下水封储库全生命周期数字平台的整体实现方法如图3所示。

图3 全生命周期数字平台架构示意图

04 地下水封储库工程数字平台的应用

国内某大型地下水封储库工程在1平方公里范围内分层布置了10余种共30余条各类大型洞室(图4),洞室密集度高、施工作业强度大、交叉多、勘探要求高且储库密封运行后无法进行后期维护,故对多位一体联动建设以保证工程万无一失及全生命周期内的安全稳定运行提出了极为严格的要求。在此工程背景下,合理搭建地下水封储库全生命周期数字平台,将各业务单位及各生产建设环节有效联结起来是保证工程顺利完成的重要手段。

图4 大型地下水封储库洞室空间布置图

按照地下水封储库全生命周期数字平台架构的核心理念及基本架构思路,搭建起了地下水封洞库动态设计辅助平台(DKDAP),初步实现了工程全生命周期的咨询、设计、施工、运营等在平台上的统一联动。用户登录平台后进入主界面,主界面根据不同的用户角色及权限展示不同的菜单与操作项,如图5所示。

图5 DKDAP平台主界面

DKDAP平台采用PostgreSQL数据库,建成初期,与储库建设相关的表单有60余张,包括数据、文字、图片、模型等不同类型,占用空间达10GB以上。随着工程推进,表单及数据成倍增长,不仅给数据库维护带来很大困难,而且巨大的数据传输量造成远程访问极不流畅。基于平台建设对数据高度精炼及优化的核心理念,对表结构进行了重新设计并对数据库进行了优化,主要分两部分进行,一部分是对数据库端进行重新设计优化,另一部分是对数据访问端进行优化。对数据库端的优化是在表空间、逻辑关系、数据特性和数据类型方面进行了结构的重新设计,通过大量的实测检验,采用最适合地下水封储库特点的数据存储模式进行数据存储。例如,洞室轴线关键节点的桩号里程数据,通常采用浮点型数据存储及运算,但由于地下储库建设过程中经常涉及到大地坐标与工程坐标的转换、节点里程换算、空间模型生成等一系列变换,最终通过对初始数据的整合与优化,将关键节点数据及坐标变换信息联结存储成规则的字符串型数据,在调用时通过字符串处理函数按需拆分并转化运算,最终实际测试效果反而比使用多表单下浮点型数据进行存储及运算效率更高。对数据访问端的优化主要是对SQL语句及程序调用等方面进行了简化及算法优化,提高了部分传输效率,数据库整体设计优化思路如图6所示。

图6 数据库设计及优化流程图

经过优化设计后的数据库仅用25张表存储了原来60余张表包含的关键节点元数据,占用存储空间不到2MB,如图7所示。派生数据在访问时根据关键节点元数据快速生成,大大提高了数据库的访问效率,通过20多层网关进行高频访问测试没有出现任何不流畅现象。

图7 优化设计后数据库

在数据模块方面,平台集中了大量算法及分析模型,为洞库设计及建设提供决策支持。例如,为了弥补工程区勘探孔少以防破坏地下水从而造成难于掌握地下水位全貌的不足,平台引入了一系列三维空间插值算法,试图根据已知的有限个勘探孔水位数据来拟合出全工程区域的地下水位分布状态。然而起初的拟合效果并不理想,函数构造比较困难,且在多元情况下并非总是有解。经过进一步研究分析,发现本工程勘探孔具有分布间距大、覆盖范围广等特点,采用传统的三维插值算法并不能很好的解决这类问题。故引进了对空间散乱数据插值具有较好效果的径向基函数插值法,就是给定径向函数,对于一组多元散乱数据,寻找形如的函数,随后将其进行三维扩展,得到了形如图8所示的三维径向基函数插值公式。

图8 三维径向基函数插值公式

利用径向基函数插值公式,将通讯服务器通过水位传感器(图9)在第一时间采集进入平台的勘探孔水位数据进行空间插值拟合,可以直观的得到地下水水位空间分布情况,供工程人员进行分析决策,如图10所示。

图9 勘探孔水位传感器布置图

图10 地下水水位三维展示

经过高度提炼后的元数据具有数据存储量少而精的优势,经过数据模块工具集中不同模块的单独加工或联合加工,可以派生出众多有价值的信息,通过不同角度展示给所需用户,供其做出综合决策判识。如工程中的进度信息采集导入平台后,可以实时展示出洞室三维施工进度形象,经过数据模块加工后可以根据当前施工进度计算出当前施工速度,并可预测出未来的施工完成时间等,如图11所示。

图11 洞室开挖进度及预测

将施工进度预测模块与断层预测模块联合使用,可精确预测出洞室开挖前方遭遇断层的位置与时间,及时提醒工程人员应对即将到来的特殊地质情况,提前做好围岩补强加固或其他应对措施。例如在9号洞室施工时,平台预测出在开挖面前方0+540.253位置有F11断层经过(图12),及时进行了研究部署,决定在开挖揭露出断层后,立即采取围岩补强注浆的方式对岩体进行加固。

图12 断层预警

当洞室向前开挖到0+530~0+535位置揭露出了F11断层破碎带,与数字预测的0+540.253位置非常吻合,如图13所示。此刻立即执行预先制定好的方案,对断层破碎带进行打孔注浆补强,提高了围岩的稳定性(图14),最后保证洞室开挖顺利经过。

图13 F11断层破碎带揭露情况

图14 F11断层破碎带部位布孔注浆

在上述模块基础上,再结合施工过程中逐步采集到的沿程岩体质量元数据,勘探模块可动态生成勘探人员所需的节理玫瑰图,如图15所示;进一步将岩体质量元数据、洞室断面元数据及洞室空间分布等数据相结合,通过计算模型进行分析,可以计算出洞室断面围岩的力学性质,供设计人员对断面围岩稳定性做出判断,如图16所示。

图15 岩体质量元数据生成节理玫瑰图

图16 围岩力学分析

储库建成运营阶段,管理人员可通过前期布置的各类型传感器,实时监测储库的运行状态,如储库油品液位、洞内存储压力、水幕孔运行状态(图17)等。

图17 水幕孔运行状态

地下水封洞库动态设计辅助平台(DKDAP)建成后,集合了大量的数据信息,内容涵盖了工程的咨询、勘探、设计、施工、安全监测、运行与管理等全生命周期的工程元素,为工程建设的过程控制和决策提供具有实用价值的支持和服务。

05 主要研究结论

本文针对地下水封储库的特点,提出建设地下水封储库全生命周期数字平台的理念及实现方法,并阐述了其在实际工程中的部分功能应用,得出以下结论:

(1)地下水封储库不同于传统的水电站地下厂房、地下隧道等工程,具有其独有的特点,从而为工程的设计与建设等带来了全新的挑战。采用数字化辅助平台,通过自动化、智能化等手段使各参与方在统一的平台上形成联动,能够为储库全生命周期的顺利建设运营提供有力的保障。

(2)地下水封储库全生命周期数字平台建设需要结合储库的特点,遵循信息即时化、数据生命化、反馈联动化的核心理念,充分发挥信息和数据在工程中的突出作用。平台开发过程中,需根据工程具体情况进行不断的优化与改进,设计出适合储库工程特点的数据结构及模块,同时各模块之间要积极探索综合应用方式,将有限的数据创造出无限的生命力。

(3)平台架构过程中,底层数据库存储的数据需是经过高度提炼抽象的元数据;中层的WEB服务器层集中绝大多数的核心模块与计算模型,将数据库中的元数据经过多角度加工、融合等处理最终按需展示给不同用户;前端界面的开发需充分考虑请求的加密处理,保证数据安全、准确进行传递。

参考文献

[1] 洪开荣. 地下水封能源洞库修建技术的发展与应用[J]. 隧道建设, 2014, 34(03): 188-197.

[2] 彭振华, 李俊彦, 孙承志等. 地下水封洞库的库址选择研究[J]. 油气储运, 2008, (01): 60-63+5.

[3] 张秀山. 地下油库岩体裂隙处理及水位动态预测[J]. 油气储运, 1995, (04): 24-27+34-65+4-5.

[4] 时洪斌. 黄岛地下水封洞库水封条件和围岩稳定性分析与评价[D].  北京交通大学, 2010.

[5] 魏雪斐. 大型地下水封储库围岩松动圈主动承载体系研究[D].  清华大学, 2016.




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