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    魏雪斐 王磊 | 地下水封儲庫全生命周期數字平臺建設及應用
    發布日期:2020-08-17 作者:魏雪斐 王磊 信息來源:中咨研究 訪問次數: 字號:[ ]

    【摘要】地下水封儲庫數字平臺建設的核心理念是信息即時化、數據生命化、反饋聯動化,建立全生命周期數字平臺具有十分重要意義。數字平臺架構包括底層工程數據庫、中層WEB服務器和通訊服務器、上層架構為網絡前端界面開發。此外,還簡述了國內某大型地下水封儲庫全生命周期數字平臺在工程中的實際應用情況,旨在為地下水封儲庫數字平臺建設提供參考。

    關鍵詞:地下水封儲庫;全生命周期;數字平臺

    地下水封儲庫通常是在花崗巖內開挖密集洞室群來儲存油品或液態氣體等能源,并利用地下水及人工水幕系統來防止儲物逃逸[1],因此對工程地質及水文地質條件要求極高。在地下水封儲庫建設全生命周期內,能夠將工程信息及時準確傳遞給各參與方,使其充分協調快速做出響應部署是至關重要的。鑒于地下水封儲庫工程的特殊性,能將有限的信息及數據得到合理的最大化利用,為工程提供輔助決策依據,也對保障工程順利建設及運營具有重要意義。

    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 地下水封儲庫運行原理圖

    與傳統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,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、工種復雜、施工進度快、工程參與方多,對整體快速協調及調度要求高[4];

    (4)儲庫運行期只有管道進出儲物,其余進出口全部封閉,庫內一旦出現問題不具備維護條件,所以對洞室及圍巖的長期安全性要求極為嚴格[5]。

    02 地下水封儲庫全生命周期數據平臺建設的核心理念

    目前我國地下水封儲庫的設計建設總體還處于探索階段,由于地下水封儲庫不同于傳統的地下工程,具有其特殊性,且由于國外技術封鎖,核心經驗難以借鑒,給地下水封儲庫的建設帶來了阻力。根據地下水封儲庫的特點,在工程勘探、設計、施工、運營的全生命周期內,通過數字平臺將各參與方有效聯結,為儲庫的建設提供決策支持是至關重要的。

    數據平臺需要遵循的核心理念,可以概括為信息即時化、數據生命化、反饋聯動化。

    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、設計、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布、施工情況時實展示、業主要求動態調整、監理意見準確反饋等;項目運營期主要涉及運行監測數據即時接收、管理調控指令精準布置等。

    2.2 數據生命化

    數據生命化是指要將原始數據進行高度的提煉和抽象,形成工程關鍵節點元數據,然后使數據在全生命周期的各個環節能夠順暢流轉、合理應用,并且能夠衍生出新的數據、新的應用、新的含義,在流轉過程中能夠賦予數據更多的價值及意義,從而對工程決策產生積極的影響。

    2.3 反饋聯動化

    反饋聯動化是指將各參與方的信息融合為一個整體,做到應有數據共享,同時根據工程級聯關系建立數據傳遞鏈,一方有數據更新時,與其相關的各方都能在第一時間收到信息推送及需要其進行的操作指示,提高各參與方協同作戰的能力。

    03 全生命周期數字平臺的基本架構

    地下水封儲庫全生命周期數字平臺可以按照自底向上的方法,分別對底層、中層和上層進行基本架構設計。

    3.1 底層架構為工程數據庫

    工程數據庫中主要存儲的內容為工程全生命周期內經過高度提煉的元數據,包括用戶數據、文件索引數據、工程設計數據、工程建設數據、工程管理數據、工程運營數據等。用戶數據用來記錄工程各協作單位用戶的用戶名、密碼、權限等級等,需要設計專門的加密方案對數據進行加密及解密;文件索引數據用來建立工程數據庫與文件數據庫之間文本數據的對接及同步;工程設計數據主要涉及咨詢與設計人員進行工程規劃、設計參數、關鍵節點數據的定義及存儲;工程建設數據主要用來存儲工程建設過程中的勘探數據、施工數據、工程進度等關鍵數據;工程管理數據主要用來存儲工程管理過程中機械設備管理、人員管理、財務管理等數據;工程運營數據主要用來記錄工程運營過程中關鍵部位、關鍵人員、關鍵環節的動態數據及運營期的效果評價指標、后評價參數等。

    入庫的數據,一是要保證數據質量,需要對入庫的數據格式、正確性等方面進行全面治理,保證入庫的數據都是健康有用的;二是要高度提煉及優化數據結構,根據數據的不同類型合理設計存儲方式,避免數據冗余。

    3.2 中層架構為WEB服務器與通訊服務器

    WEB服務器中需要配置保證網絡正常運行的各種服務,除此之外,最重要的是集中布置全生命周期數字平臺的功能模塊集。功能模塊集主要包括對入庫數據進行治理的數據治理工具集以及使數據生命化的數據模塊工具集。數據治理工具集主要包括數據糾錯模塊、數據去重模塊、數據格式化模塊、數據存取模塊等,實現的功能是要嚴格保證入庫數據的質量及精度,作為數據后續衍生復用的基礎。數據模塊工具集主要包括數據處理、數據加工、數據融合、計算模型等模塊,其功能主要在數據庫中元數據的基礎上,挖掘數據內在聯系,派生新的數據,最后通過數據顯示、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

    通訊服務器用來將工程布置的傳感器監測數據、用戶外圍通訊設備等采集的工程一線數據,實時準確的傳遞到工程數據庫中,以保證工程各方人員能夠第一時間在數字平臺上看到工程的當前狀態。服務器與移動網絡連接,將指令發送到采集控制單元,并取回傳感器信號??刂葡到y可視情況集成在WEB服務器上或通訊服務上,用戶可以通過操作控制系統,配置傳感器單元,發出指令采集工程數據。

    3.3 上層架構為網絡前端界面開發

    前端開發需要在充分了解HTTP標準的基礎上,采用HTML5、JavaScript、CSS等技術構建起使用戶具有良好體驗的前端界面,本質上雖然也是在WEB服務器上集中實現前端代碼的存儲,但在架構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,將用戶信息從客戶端傳遞到WEB服務器進解密后與數據庫中的用戶權限及用戶注冊信息相匹配,匹配成功后WEB服務器用戶管理模塊根據用戶的不同權限調用不同的數據模塊,分別顯示到前端界面的展示項及菜單項等當中。

    地下水封儲庫全生命周期數字平臺的整體實現方法如圖3所示。

    圖3 全生命周期數字平臺架構示意圖

    04 地下水封儲庫工程數字平臺的應用

    國內某大型地下水封儲庫工程在1平方公里范圍內分層布置了10余種共30余條各類大型洞室(圖4),洞室密集度高、施工作業強度大、交叉多、勘探要求高且儲庫密封運行后無法進行后期維護,故對多位一體聯動建設以保證工程萬無一失及全生命周期內的安全穩定運行提出了極為嚴格的要求。在此工程背景下,合理搭建地下水封儲庫全生命周期數字平臺,將各業務單位及各生產建設環節有效聯結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字平臺架構的核心理念及基本架構思路,搭建起了地下水封洞庫動態設計輔助平臺(DKDAP),初步實現了工程全生命周期的咨詢、設計、施工、運營等在平臺上的統一聯動。用戶登錄平臺后進入主界面,主界面根據不同的用戶角色及權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數據庫,建成初期,與儲庫建設相關的表單有60余張,包括數據、文字、圖片、模型等不同類型,占用空間達10GB以上。隨著工程推進,表單及數據成倍增長,不僅給數據庫維護帶來很大困難,而且巨大的數據傳輸量造成遠程訪問極不流暢?;谄脚_建設對數據高度精煉及優化的核心理念,對表結構進行了重新設計并對數據庫進行了優化,主要分兩部分進行,一部分是對數據庫端進行重新設計優化,另一部分是對數據訪問端進行優化。對數據庫端的優化是在表空間、邏輯關系、數據特性和數據類型方面進行了結構的重新設計,通過大量的實測檢驗,采用最適合地下水封儲庫特點的數據存儲模式進行數據存儲。例如,洞室軸線關鍵節點的樁號里程數據,通常采用浮點型數據存儲及運算,但由于地下儲庫建設過程中經常涉及到大地坐標與工程坐標的轉換、節點里程換算、空間模型生成等一系列變換,最終通過對初始數據的整合與優化,將關鍵節點數據及坐標變換信息聯結存儲成規則的字符串型數據,在調用時通過字符串處理函數按需拆分并轉化運算,最終實際測試效果反而比使用多表單下浮點型數據進行存儲及運算效率更高。對數據訪問端的優化主要是對SQL語句及程序調用等方面進行了簡化及算法優化,提高了部分傳輸效率,數據庫整體設計優化思路如圖6所示。

    圖6 數據庫設計及優化流程圖

    經過優化設計后的數據庫僅用25張表存儲了原來60余張表包含的關鍵節點元數據,占用存儲空間不到2MB,如圖7所示。派生數據在訪問時根據關鍵節點元數據快速生成,大大提高了數據庫的訪問效率,通過20多層網關進行高頻訪問測試沒有出現任何不流暢現象。

    圖7 優化設計后數據庫

    在數據模塊方面,平臺集中了大量算法及分析模型,為洞庫設計及建設提供決策支持。例如,為了彌補工程區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,試圖根據已知的有限個勘探孔水位數據來擬合出全工程區域的地下水位分布狀態。然而起初的擬合效果并不理想,函數構造比較困難,且在多元情況下并非總是有解。經過進一步研究分析,發現本工程勘探孔具有分布間距大、覆蓋范圍廣等特點,采用傳統的三維插值算法并不能很好的解決這類問題。故引進了對空間散亂數據插值具有較好效果的徑向基函數插值法,就是給定徑向函數,對于一組多元散亂數據,尋找形如的函數,隨后將其進行三維擴展,得到了形如圖8所示的三維徑向基函數插值公式。

    圖8 三維徑向基函數插值公式

    利用徑向基函數插值公式,將通訊服務器通過水位傳感器(圖9)在第一時間采集進入平臺的勘探孔水位數據進行空間插值擬合,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

    經過高度提煉后的元數據具有數據存儲量少而精的優勢,經過數據模塊工具集中不同模塊的單獨加工或聯合加工,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。如工程中的進度信息采集導入平臺后,可以實時展示出洞室三維施工進度形象,經過數據模塊加工后可以根據當前施工進度計算出當前施工速度,并可預測出未來的施工完成時間等,如圖11所示。

    圖11 洞室開挖進度及預測

    將施工進度預測模塊與斷層預測模塊聯合使用,可精確預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對即將到來的特殊地質情況,提前做好圍巖補強加固或其他應對措施。例如在9號洞室施工時,平臺預測出在開挖面前方0+540.253位置有F11斷層經過(圖12),及時進行了研究部署,決定在開挖揭露出斷層后,立即采取圍巖補強注漿的方式對巖體進行加固。

    圖12 斷層預警

    當洞室向前開挖到0+530~0+535位置揭露出了F11斷層破碎帶,與數字預測的0+540.253位置非常吻合,如圖13所示。此刻立即執行預先制定好的方案,對斷層破碎帶進行打孔注漿補強,提高了圍巖的穩定性(圖14),最后保證洞室開挖順利經過。

    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

    在上述模塊基礎上,再結合施工過程中逐步采集到的沿程巖體質量元數據,勘探模塊可動態生成勘探人員所需的節理玫瑰圖,如圖15所示;進一步將巖體質量元數據、洞室斷面元數據及洞室空間分布等數據相結合,通過計算模型進行分析,可以計算出洞室斷面圍巖的力學性質,供設計人員對斷面圍巖穩定性做出判斷,如圖16所示。

    圖15 巖體質量元數據生成節理玫瑰圖

    圖16 圍巖力學分析

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

    圖17 水幕孔運行狀態

    地下水封洞庫動態設計輔助平臺(DKDAP)建成后,集合了大量的數據信息,內容涵蓋了工程的咨詢、勘探、設計、施工、安全監測、運行與管理等全生命周期的工程元素,為工程建設的過程控制和決策提供具有實用價值的支持和服務。

    05 主要研究結論

    本文針對地下水封儲庫的特點,提出建設地下水封儲庫全生命周期數字平臺的理念及實現方法,并闡述了其在實際工程中的部分功能應用,得出以下結論:

    (1)地下水封儲庫不同于傳統的水電站地下廠房、地下隧道等工程,具有其獨有的特點,從而為工程的設計與建設等帶來了全新的挑戰。采用數字化輔助平臺,通過自動化、智能化等手段使各參與方在統一的平臺上形成聯動,能夠為儲庫全生命周期的順利建設運營提供有力的保障。

    (2)地下水封儲庫全生命周期數字平臺建設需要結合儲庫的特點,遵循信息即時化、數據生命化、反饋聯動化的核心理念,充分發揮信息和數據在工程中的突出作用。平臺開發過程中,需根據工程具體情況進行不斷的優化與改進,設計出適合儲庫工程特點的數據結構及模塊,同時各模塊之間要積極探索綜合應用方式,將有限的數據創造出無限的生命力。

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

    參考文獻

    [1] 洪開榮. 地下水封能源洞庫修建技術的發展與應用[J]. 隧道建設, 2014, 34(03): 188-197.

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    [3] 張秀山. 地下油庫巖體裂隙處理及水位動態預測[J]. 油氣儲運, 1995, (04): 24-27+34-65+4-5.

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    [5] 魏雪斐. 大型地下水封儲庫圍巖松動圈主動承載體系研究[D].  清華大學, 2016.




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