基于物聯網技術與云技術的大壩安全管理

安 健 李慧敏

(1.中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 810007;2.華北水利水電大學，河南鄭州 450011)

基于物聯網技術與云技術的大壩安全管理

安 健1李慧敏2

(1.中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 810007;2.華北水利水電大學，河南鄭州 450011)

大壩安全關系到社會的穩定和公共安全，一旦發生大壩安全事故，將會造成巨大的經濟損失，帶來大量人員傷亡。當前，我國已建成各類水庫近9萬余座，但在大壩安全管理中，仍存在大量問題。本文在對我國大壩安全管理的現狀及特點進行分析的基礎上，充分考慮物聯網技術與云技術在大壩安全管理上的優勢，設計構建了基于物聯網技術與云技術的大壩安全管理平臺，具有一定的現實意義。

大壩安全管理;物聯網;云技術

1 引 言

作為一種重要且特殊的建筑物，大壩安全與廣大老百姓的切身利益息息相關。一旦發生大壩安全事故，不但會造成大量的人員傷亡和經濟損失，而且會對社會穩定造成巨大影響。據相關資料，意大利瓦依昂拱橋失事，僅僅7min就毀滅一座城市和幾個小鎮，死亡人數達3000人［1］;20世紀70年代，美國在短短5年時間內，相繼發生了西弗吉尼亞Buffalo Creek壩失事，愛達荷州Teton壩失事，佐治亞州Kelly Barnes壩失事等［2］，造成大量損失。故而，各國政府對大壩的安全管理一直都是高壓態勢。我國也是大壩安全事故的受害國，如河南駐馬店1975年8月的板橋水庫潰壩，受災人數達1400多萬人，直接經濟損失近100億元［3］。當前，我國已建成各類水庫近9萬余座，其數量已然躍居世界首位。一方面，這些水庫帶來巨大的經濟效益、社會效益、生態效益，提高了人民的生活水平;另一方面，如何加強大壩安全管理亦亟待得到妥善解決。

鑒于此，我國大量學者展開了研究。王正旭指出

應建立全國大壩運行性態數據庫系統，運用計算機網絡技術收集、分析大壩運行資料，為大壩的建設和運行管理服務［2］。洪云提出了“風險度”的概念，研究了基于實測資料的大壩運行風險度分析方法，建立了大壩運行缺陷優選處理模型和大壩群優化管理模型［4］。杜德進對建設大壩預警系統和應急處理計劃做了粗略的介紹［5］。參考文獻［6］和［7］就電子技術在大壩安全管理中的作用作出了分析和研究，在此基礎上，發現其中存在的問題，使電子技術能在大壩安全管理中發揮更好的作用，為大壩安全管理提供參考。鈕新強提出了加強大壩安全信息化建設，深化水庫群綜合調度研究的對策與措施［8］。上述文獻雖對如何利用信息系統進行大壩安全管理展開了說明，但沒有提及先進的“云技術”，仍具有一定的局限性。趙華偉等給出了基于物聯網和云技術的公共安全管理平臺［9］。耿振民等提供了一種基于云技術的安全管理系統［10］。參考文獻［10］和［11］對利用云技術進行大壩安全管理具有一定的指導意義。

本文擬突破傳統大壩安全管理的思路，針對我國大壩安全管理的現狀及特點，充分考慮云技術在安全管理上的優勢，構建基于物聯網技術與云技術的大壩安全管理體系，具有一定的現實意義。

2 大壩安全管理現狀及特點

改革開放以來，我國在大壩安全管理上取得了長足的進步，但仍存在諸多問題，表現如下:

a.病險水庫。建國以來，我國已興建近9萬余座水庫，受歷史遺留問題等影響，其中病險水庫約3萬余座，約占總數的40%，而其余的60%的水庫由于長期的運行，亦存在著不少病險問題;且從北到南，從東到西，各大流域均存在一定量的病險水庫，形成了潛在隱患。

b.潰壩。隨著技術的進步以及管理體系的完善，潰壩的數量在逐漸減少(以小型水庫為例，如表1所列)，但由于其發生的突然性，潰壩所帶來的破壞力巨大，易給事發地的經濟建設和社會穩定帶來巨大的負面影響。

表1 小型水庫潰壩統計分析表

c.專業管理人員缺乏。“重技術，輕管理”的傳統思想，直接限制了管理型人才的培養。同時，水庫大多位于偏遠的山區，物質缺乏，且大多面臨管理經費不足的尷尬，這也直接導致大量具有專業管理技能的人員不愿從事該崗位的工作。

d.硬件設施落后。當前我國水庫安全管理的硬件設施極度落后，如中小型水庫，自改革開放以來，一直未得到進一步改善［12］。大部分水庫缺乏必需的預警設備和觀測設備，造成大壩安全檢查等只能憑肉眼，甚至直覺，缺乏基本的科學性與準確性。

e.日常巡視流于形式。水庫的日常巡視是為了避免“千里之地潰于蟻穴”情況的發生。但一般水庫區域廣大，靠少量的人員，在短時間內實現不了細致的巡視。除此以外，當前水庫安全管理專業人員缺乏，硬件設施落后，也直接導致日常維護流于形式。

上述a～b多為歷史遺留問題造成;c～e則是現實境遇中的尷尬。以上諸問題均可以通過物聯網技術和云技術得到有效的解決。

3 物聯網技術與云技術介紹

3.1 物聯網技術

所謂物聯網，是一種通過傳感技術、位置定位技術等多種手段，實時采集物體各種信息的數據網絡系統。被搜集起來的實時信息，通過網絡的傳輸、交換和處理，及時匯集到控制中心/決策中心，可以實現智能化的管理和監控。另外，由于物聯網具有不受時空限制、可以全天候工作、不受天氣變化影響等優點，故而，物聯網具有很強的實用價值。我國在2011年頒布的《物聯網“十二五”發展規劃》中也明確提出，要充分發揮物聯網在公共安全管理領域內的技術優勢，大力推動物聯網技術的應用。采用物聯網技術進行大壩安全管理勢在必行，是大勢所趨。

3.2 云技術

采用物聯網技術可以獲得龐大的數據量。云技術就是為了解決龐大數據量處理和存儲的重要技術。當前，云技術具體可以分為三種:混合云，私有云和公有云［9］，如表2所列。

表2 云技術分析

3.3 利用物聯網與云技術的大壩安全管理優勢分析

與其他行業的安全管理相類似，大壩的安全管理也應“防”、“治”并重［5］。大壩的日常巡檢等工作就是對“防”思想最好的詮釋;大壩的定期修檢等工作則是對“治”思想最好的詮釋。作為信息化時代的產物，物聯網技術和云技術可以全面體現大壩安全管理中的“防”與“治”的思想，有效加強大壩安全管理，在大壩安全管理上具有常規管理方法不可比擬的優勢，如表3所列。

表3 基于物聯網與云技術的大壩安全管理優勢分析

續表

4 利用物聯網技術與云技術的大壩安全管理平臺設計

4.1 設計的原則

安全管理平臺的設計必須以事實為依據，以各種規范為準則，以確保大壩安全為首要目標。鑒于大壩安全管理平臺的復雜性與重要性，在進行設計時，應遵循以下原則:

a.安全可靠原則。這是平臺設計的首要原則，即應保證整個系統的安全性，同時亦應確保數據的準確性。

b.及時有效原則。即應保證平臺搜集數據，處理數據的及時性。

c.便于操作原則。即提升該管理平臺的可視性，有利于大壩安全管理工作的開展。

4.2 架構設計

采用物聯網技術，一方面可以實現全方位、全天候的安全管理，另一方面也必須面對海量數據處理的問題。而云技術的出現，恰到好處地彌補了這一缺陷，大大提高了安全管理能力。為此，本文設計出利用物聯網技術與云技術的大壩安全管理平臺架構，見圖1。

a.物聯網感知層。安全管理平臺的基礎層，負責信息的收集、監控，并對信息及時進行反饋。其主要由各類傳感器組成，如:位移傳感器、濕度傳感器、振動傳感器等。在感知層實體建設上，應以監控/管理對象為基礎，分別開展。

b.傳輸層。安全管理平臺的重要環節，負責將信息傳遞給混合云應用層，以及將管理機構的操作反饋給物聯網感知層，起到紐帶的作用。鑒于此，傳輸層應設

計為雙向。在實現方式上，可以分為:?感知層與網關之間的傳輸;?虛擬專網(VPN)傳輸;?其他傳輸。

圖1 安全管理平臺架構

c.混合云應用層。混合云應用層直接面對管理者，是安全管理平臺的關鍵環節。其具有強大的數據處理能力，主要負責對信息的分析、處理。基于此，可分為混合云應用層，傳輸層，物聯網感知層設計大壩安全管理平臺架構，如圖2所示。

圖2 大壩安全管理平臺架構

4.3 設計中應注意的問題

大壩安全管理平臺設計過程中，有以下幾點問題需要特別注意:

a.標準化問題。?數據信息的標準化。考慮到大壩安全管理平臺所管理的對象并不僅僅局限于某一個大壩，同時，平臺的使用機構也并不是某一個大壩管理機構，故而，在平臺建設過程中，需注意數據信息的標準化;?除了需考慮數據信息的標準化問題外，技術上的標準化亦需得到關注，如數據接口標準化、傳輸系統標準化等。

b.安全問題。由于大壩安全管理關系到社會的穩定以及公共安全，有必要加強對大壩管理平臺設計中安全問題的研究，杜絕任何安全盲點的出現。具體可分別從物聯網感知層、傳輸層、混合云應用層展開討論。

5 結論

大壩安全關系到社會的穩定和公共安全，一旦發生大壩安全事故，將會造成巨大的經濟損失和大量人員傷亡。當前，雖然我國已建成各類水庫近9萬余座，但在大壩安全管理上仍存在大量問題。本文突破了傳統大壩安全管理的思路，針對我國大壩安全管理的現狀及特點，充分考慮物聯網技術與云技術在大壩安全管理上的優勢，在安全可靠、及時有效、便于操作原則的指導下，構建基于物聯網技術與云技術的大壩安全管理平臺，并指出了平臺建設工程中需注意的兩個關鍵問題，具有一定的現實意義。

［1］四川省電力工業局，四川省電力教育協會．水電站大壩安全管理與監測技術［M］．北京:中國電力出版社，2000．

［2］王正旭．美國的大壩安全管理［J］．水利水電科技進展，2003，23(3):65-68．

［3］衛宏春．震驚中外的板橋水庫垮壩真相揭秘［J］．文史精華，2012(9):37-41．

［4］洪云．大壩安全管理關鍵技術研究［D］．南京:河海大學，2005．

［5］杜德進．大壩安全管理預警系統和應急處理計劃［J］．大壩與安全，2003(1):6-9．

［6］劉穎．電子技術在大壩安全管理中的作用［J］．電子制作，2013(10):205．

［7］付丹華，劉愛蓮．現代電子技術在大壩安全管理中的作用［J］．電子測試，2013(6):238-239．

［8］鈕新強，大壩安全與安全管理若干重大問題及其對策［J］．人民長江，2011，42(12):1-5．

［9］趙華偉，萬海山，聶秀山．基于物聯網和混合云的公共安全管理平臺研究［J］．計算機應用與軟件，2013，30(8): 47-50．

［10］蘇州九光信息科技有限公司:CN103152425A:基于云技術的移動設備的安全管理系統［P］．2013-06-12．

［11］鈕新強，楊啟貴，譚界雄，等．水庫大壩安全評價［M］．北京:中國水利水電出版社，2007．

［12］王健．淺談湖南省中型水庫大壩安全管理存在的問題和建議［J］．湖南水利水電，2009(3):67-68．

Dam safety management based on technology of Internet of Things and cloud technology

AN Jian1，LI Huimin2
(1．Sinohydro Engineering Bureau 4 Co.，Ltd.，Xining 810007，China; 2．North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，China)

Dam safety is related to social stability and public security．Once the dam safety accident occurs，great economic loss and a large number of casualties can be caused．At present，China has built nearly more than 90000 various reservoirs．However，there are still many problems in dam safety management．In the paper，present situation and characteristics of dam safety management in our country are analyzed．On the basis，advantages of technology of Internet of Things and cloud technology on dam safety management are fully considered．Dam safety management platform based on technology of Internet of Things and cloud technology is designed and constructed with certain practical significance．

dam safety management;Internet of Things;cloud technology

TV698

A

1005-4774(2015)06-0057-04