«Умные плотины» — обобщающее определение комплексной инженерной экосистемы, в которой на протяжении всего жизненного цикла гидротехнических сооружений и оборудования контроль их состояния ведется с помощью цифровых решений. Автоматизированный мониторинг, математическое моделирование и средства диагностики работают не изолированно, а в едином контуре — от сбора данных к их анализу и далее к поддержке управленческих алгоритмов. Система дополняет результаты регулярных визуальных осмотров и инженерной оценки, которую проводят сотрудники.
Так выглядят параметры для анализа после облета БПЛА бетонной поверхности Саяно-Шушенской ГЭС. Оборудование получает детальные данные о состоянии сооружений, откосов, водосбросных сооружений, бетонных поверхностей и примыкающих территорий.
Как это работает
В основе подхода Группы лежит представление об «умной плотине» как о непрерывном многоуровневом инженерном цикле. На первом уровне находятся источники данных. Это прежде всего контрольно-измерительная аппаратура, обследования с применением беспилотных летательных аппаратов, полевые наблюдения.
Следующий уровень — это цифровая среда, а именно информационно-диагностические системы, централизованные базы данных и интегрированные платформы мониторинга. Полученные сведения аккумулируются, структурируются и готовятся к последующему анализу. На аналитическом уровне с помощью диагностических математических моделей выявляются аномалии и закономерности, строятся прогнозы. На финальном, управленческом уровне проводится централизованный ситуационный контроль и оценка рисков, планируются эксплуатационные мероприятия, принимаются необходимые решения.
Цифровой двойник
На этапе планирования и проектирования объекта цифровые модели формируют единую информационную основу будущего сооружения, где между собой связываются конструктивные, геологические и технологические данные. К их обработке подключаются инструменты искусственного интеллекта. Они помогают подбирать и оптимизировать параметры. В результате уже на первой ступени создается цифровой двойник объекта, который в дальнейшем становится базой для систем мониторинга и диагностики. Такой подход сокращает сроки проектирования и снижает вероятность инженерных ошибок, эксплуатация объекта становится эффективнее.
Контроль во всем
С 2025 года на Саяно-Шушенской, Новосибирской и Усть-Среднеканской ГЭС РусГидро использует БПЛА для обследования ГТС — аэросъемки и расшифровки данных. Здесь автоматизированный мониторинг безопасности гидротехнических сооружений переводит работу от периодического контроля к непрерывному наблюдению. Ведь инженеру важно видеть не только факт превышения определенных показателей или их отдельные значения, но и поведение параметров в динамике: ускорение тренда, его связь с уровнем водохранилища, температурным режимом, фильтрацией, деформациями и эксплуатационной нагрузкой.
РусГидро реализует полный цикл создания таких систем: от датчиков и контрольно-измерительной аппаратуры до программного обеспечения и централизованной обработки. Система мониторинга должна быть не внешним дополнением, а органичной частью инженерной эксплуатации. При этом автоматизация не отменяет ручные измерения и визуальный контроль, а усиливает их: выявляет расхождения, сигнализирует о возможных ошибках измерений, сбоях оборудования или аномальном поведении сооружения. В итоге отклонения выявляются раньше, а влияние человеческого фактора снижается.
На ГЭС Секаман-3 на основе исследований ученых «Института Гидропроект» прошла реконструкция турбинного водовода и верхового откоса.
Впервые технологию ММЗ специалисты «Института Гидропроект» применили в 2018 году на ГЭС Секаман-3 мощностью 250 МВт на реке Нампану в Лаосе. В 2012 году в результате оползня произошел разрыв подводящего туннеля, который спровоцировал эрозию склона перед зданием ГЭС. Несколько предыдущих исследований, произведенных зарубежными специалистами, не смогли дать достоверную информацию о процессе. Наши эксперты обследовали сооружения, установили причину аварии и составили детальный геолого-геофизический разрез территории на глубину до 450 м, что позволило спрогнозировать поведение оползневого склона и разработать инженерные решения для возобновления работы станции после более чем пятилетнего простоя.
На основании подготовленного российскими инженерами отчета с точным описанием строения скального массива и критических плоскостей скольжения грунта вьетнамская инжиниринговая компания РЕСС-1 разработала технический проект реконструкции подводящего туннеля и укрепления откоса перед зданием гидроэлектростанции. В 2022 году ГЭС Секаман-3 вновь вышла на проектную годовую мощность в полном объеме.
Безопасный подход
Информационно-диагностическая система хранит полную историю измерений для каждого датчика, паспорта приборов, эксплуатационную документацию, чертежи с указанием местоположения оборудования, связи измеряемых параметров с конкретными элементами сооружения, включая 3D-модели.
«Умная» технология в режиме реального времени соотносит все показатели с декларацией безопасности каждой плотины. При превышении порогового значения система оповещает ответственный персонал с помощью встроенных уведомлений. Отчет формируется автоматически и направляется в Ситуационно-аналитический центр РусГидро, который контролирует все объекты энергохолдинга.
Ценность технологии не только в фиксации текущего состояния. На основе анализа показателей можно переходить к прогнозированию. Вместо того чтобы реагировать на уже возникшие дефекты, специалисты компании получают возможность заранее планировать техническое обслуживание и ремонты, оценивать риски и формировать долгосрочные бюджетные горизонты.
Процесс мониторинга включает несколько этапов: полет и съемку, фотограмметрическую обработку, формирование облака точек и построение трехмерной модели, выявление дефектов и последующее сравнение результатов в динамике.
Увидеть то, что скрыто
Отдельного внимания заслуживает метод микросейсмического зондирования (ММЗ) — технология пассивной сейсмической разведки. Для гидротехнических сооружений состояние основания и прилегающего массива имеет критическое значение. Даже при самой надежной конструкции плотины могут возникнуть риски, связанные с геологическим строением: ослабленными зонами, разломами, карстовыми пустотами, фильтрационными каналами, зонами повышенной водонасыщенности и потенциальными оползневыми процессами. ММЗ основан на анализе естественного микросейсмического поля Земли. Его важное преимущество состоит в том, что получение данных не требует бурения, взрывных работ или искусственного воздействия на окружающую среду. В результате формируются двух- и трехмерные модели подземных структур на глубину до 42 км, которые могут использоваться при проектировании. В архитектуре «умных плотин» с помощью ММЗ получают данные не только о поверхности сооружения и теле плотины, но и о геологической среде, на которой это сооружение возведено.
Технология «умных плотин» обладает значительным потенциалом дальнейшего развития. РусГидро предлагает партнерам внедрение как комплекса инструментов диагностического контроля, так и отдельных его элементов — для действующих и перспективных объектов. Применение таких технологий способствует безопасной и надежной эксплуатации гидротехнических сооружений и снижению эксплуатационных издержек за счет цифровых инструментов мониторинга, анализа данных и поддержки принятия решений.