大壩安全監測資料整編分析報告自動生成系統

周啟 譚界雄 高全 張玉炳 阿旺次仁

摘要：監測資料整編分析是水庫大壩安全管理的重要內容，該業務涉及的數據多、范圍廣、專業性強，目前主要采用人工方法。但隨著大壩安全監測數據采集自動化的快速發展和大壩安全的重要性不斷提高，監測資料整編分析及成果的時效性、快速性、規范性要求越來越高，傳統的人工整編與分析已無法滿足水利現代化管理的需求。以大壩安全監測資料分析報告自動生成系統為研究對象，以系統方案、實現技術、功能要求等為研究內容，實現監測資料整編分析報告生成的自動化、規范化和專業化。通過工程應用驗證，該系統科學高效，滿足水庫大壩安全管理需要，可為同類報告生成系統開發提供一定參考。

關?鍵?詞：安全監測; 資料整編分析; 報告自動生成; 水利信息化; 水庫大壩

中圖法分類號： TP391?文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.039

1?研究背景

我國是世界上大壩數量最多的國家，各類大壩超過9.8萬座[1]。隨著我國經濟持續高速發展，水庫大壩安全在社會經濟和國家安全穩定中的位置越來越突出。作為判斷水庫大壩安全重要途徑之一的大壩安全監測日益受到重視。大壩安全監測資料整編與分析是大壩安全監測的主要內容，亦是相關管理單位的重要業務工作，需定期將整編分析成果以報告形式報送主管單位[2]。大壩監測資料整編分析的內容涵蓋面大，涉及到的數據量大、種類多，整編分析專業性強，而且成果質量要求高、時效性強，但目前仍主要靠人工完成，亟待實現自動化。近年，雖然信息技術取得長足發展，數據自動化采集技術日趨成熟，但水庫管理信息化中安全監測資料分析報告自動生成還沒取得突破。這既限制了水庫管理信息化的發展，也沒有解決水庫管理最迫切關心的問題[3]。報告自動生成技術已在健康檢查、電網運行、實驗科學等領域得到了較好的應用[4-6]，亟需引進到大壩安全管理領域。

為彌補水庫管理單位專業技術人員缺乏、運行管理資金有限等因素限制，真正實現水庫管理由傳統人工為主向水利現代化轉變，必須解決大壩安全監測資料分析報告自動生成的技術瓶頸[7]。本文總結監測資料整編分析報告特點和需求，從系統設計和功能實現等方面進行探索研究，并開展成果應用，系統可實現監測報告自動化編制，降低管理人員技術要求，減輕編制監測報告的工作量，規范報告編制內容，提供高端的專業技術服務。

2?監測資料整編分析報告特點及需求

監測資料整編分析對及時了解工程性態、指導工程運行和領導決策以及積累工程技術檔案具有重要意義。根據現行規范要求，水庫大壩管理單位應及時對監測資料進行整編和分析，編制成冊，為大壩安全管理提供依據。監測資料整編分析報告工作有以下特點。

（1） 監測資料復雜。一方面，監測資料來源復雜，包括實時監測、人工觀測、巡視檢查和監測施工及改造資料等。另一方面，大壩安全監測類別繁多，包括巡檢、變形、滲流、壓力（應力）、環境量等，且同一監測類別下監測項目也各不相同，如變形監測項目包括壩體表面變形、壩體（基）內部變形等，而同一監測項目因觀測方法或目的不同也存在不同。監測資料復雜導致資料整編分析工作量巨大，目前主要采用人工方法，必須依靠先進計算機技術來提高工作效率。

（2） 監測資料分析專業性強。大壩安全監測涉及的專業門類廣泛，除了水工結構專業基礎外，還包括傳感、測量、計算機、信息處理等專業，這對監測資料分析人員的專業素質提出了較高要求。監測信息由于受到外部環境、通訊條件等影響，可能存在粗差或異常值等情況，資料整編分析前必須采用專業手段進行可靠性分析，并采用繪制過程線、分布圖、相關圖及測值比較等一系列專業方法進行資料整編，再基于必要的數學模型和工程經驗進行專業分析。而水庫管理單位安全監測相關專業技術人員普遍欠缺，造成分析報告不專業、分析深度不夠、成果質量差，難以發現工程運行中存在的問題。

（3） 報告時效性要求高。監測資料分析主要是為了了解工程性態和指導工程運行，尤其是在監測數據異常和汛期防洪形勢緊急時，對分析大壩安全狀態、指導防汛決策具有重要意義。1962年安徽梅山連拱壩右岸13號壩跺連續3 d觀測向左岸傾斜了57.2 mm，通過及時進行資料分析，發現右岸基巖發生錯動，通過采取措施避免了潰壩事件[8]。此外，各水庫管理單位根據管理要求，需定期整編分析，并將分析成果以報告形式報送主管單位。由于水庫現場管理條件有限，報告成果難以滿足時效性要求。

（4） 相關規范要求明確。《土石壩安全監測資料整編規程》《土石壩安全監測技術規范》和《水庫大壩安全管理條例》等相關技術要求和規程規范，對監測資料整編方式方法和資料分析報內容、范圍和深度都提出了明確要求。2017年最新發布的《水庫大壩安全評價導則》也將“安全監測資料分析”單列成章，明確將安全監測資料分析作為大壩安全評價的重要內容[9]。相關規范對報告提出了規范性和質量等方面的更高要求。

綜上所述，目前監測資料整編分析主要采用人工方法，且監測相關專業技術力量普遍欠缺，造成監測資料分析存在分析不及時、報告不專業、成果質量低，難以滿足水庫管理單位的安全管理需要，也不符合國家相關規程規范的要求。隨著水利信息化的快速發展和相關管理日益規范，在安全監測數據自動采集和信息系統運行環境不斷改善的基礎上，實現監測資料自動整編分析已成為必然要求和必然趨勢。

3?系統設計

3.1?系統結構設計

報告生成自動系統涉及到數據來源、整編要求、報告編制、文本生成等方面，系統結構主要由數據庫、模板庫、數據整編、資料分析、報告生成以及成果展示子系統等組成。大壩安全監測資料分析報告生成系統建立在大壩安全監測自動化系統基礎上，以安全監測自動化系統實時監測數據、水雨情數據、大壩監測歷年數據、人工觀測數據、巡視檢查記錄以及工程相關背景資料等建立數據庫，實現報告自動生成。報告生成系統結構與流程見圖1。

首先根據相關規范要求定制可配置的模板庫，并將相關監測數據納入到數據庫中，為報告自動生成提供基礎。根據數據成果設計數據整編模塊，實現數據查詢、數據管理、數據檢驗等功能，為監測資料分析提供基礎。根據整編數據和模板格式及內容要求，進行圖表制作、模型建立以及在線分析，必要時提供專業離線分析，實現監測資料專業分析。最后根據分析結果和模板要求，自動進行監測資料分析報告配置和生成。用戶可以在Web端進行模板報告樣式設計，在服務器端實現數據整編、專業分析和報告生成工作。

3.2?系統功能設計

報告自動生成系統要求實現數據自動整編分析和報告自動生成，實現監測資料整編分析自動化、專業化、智能化。子系統功能設計如下。

3.2.1?數據整編

監測數據整編是監測資料分析的基礎，采用系統分析工具，利用專業知識對原始監測數據進行整理，對測值進行檢驗，剔除不合理數據和偶然誤差，并進行合理修正后所得到的數據才具有可用性，可為監測資料分析提供可靠數據成果。同時，系統保存原始數據以保證數據的真實性，避免因整編人員受水平限制而對數據進行不合理的修改，確保數據安全。

3.2.2?資料分析

根據監測資料整編成果，采用比較法、作圖法、特征值統計法及數學模型法等，進行數據分析，并在此基礎上采用各種方法進行定性、定量以及綜合分析，并對工作狀態作出評價。過程線主要用于檢查、判斷和分析監測物理量隨時間而變化的規律、變化趨勢是否存在異常。分布圖用于分析監測物理量隨空間而變化的情況，測值主要比較同一部位不同時間，或同一部位不同監測量，以分析各自變化量的大小、規律是否一致。定量分析主要用于建立效應量（如位移、滲流壓力等）與原因量（如上游水位、降雨量、氣溫等）之間的關系和相關程度，通過相關分析、多元回歸分析、逐步回歸分析等定量分析方法，計算出相關系數、回歸方程，并繪制相關圖，可以滿足資料計算分析要求。通過定性和定量分析效益量的時空分布特點及測值異常原因，預報效應量的發展趨勢[10]，并判斷工程的安全性態。

3.2.3?報告生成

整編報告生成功能根據工程具體特點，通過配置不同整編報告模版，如安全監測整編報告（年、季、月報）、運行管理報告、綜合分析報告等，進行報告匯編。報告內容要求滿足規范要求，如監測資料整編分析報告包含封面、目錄、整編說明、基本資料、監測項目匯總表、監測資料初步分析成果、監測資料整編圖表和封底等完整內容。水庫管理人員只要選取需要的報告模板，并輸入相應的時間，即可預覽報告內容，并保存和下載，該功能可大大提高工作效率，減輕勞動強度，提高報告質量。

4?系統功能實現

4.1?功能實現方法

監測資料整編分析報告在形式和內容上均存在不同類型，需要從兩個角度同時考慮功能的實現。從報告的表現形式角度看，資料分析報告由文字、圖形、表格等形式組成;從報告內容角度看，一般報告包含封面、目錄、分析成果、監測資料整編圖表和封底等。

自動生成報告首先根據表現形式，將報告分解為文字、表格、圖形等，再根據報告內容，以模板目錄為基礎，進行結構內容配置。其中項目背景、工程概況等整編說明、基本資料內容屬于靜態部分內容，而監測項目匯總表、監測資料初步分析成果、監測資料整編圖表等內容屬于動態部分，需要系統自動統計和深層分析。動態內容可通過數據庫自動統計，包括監測項目匯總表（監測項目、類型、布置、考證表等）和監測資料整編圖表（包括特征值、過程線、滲透系數、相關性等）。而測值發展趨勢、模型分析、異常原因分析、測值耦合作用分析以及結論與建議等分析內容有待根據數據結果和工程經驗進行深度分析，甚至有待人為進一步干預，需預留相關配置窗口和算法。報告生成關鍵部分程序流程見圖2。

4.2?系統實現技術

整編報告生成功能根據水庫的具體特點，通過配置不同整編報告模版，水庫管理人員只要選取需要的報告模板，即可預覽報告內容，并下載和打印，為管理人員決策支持提供依據。報告自動生成系統總體框架如圖3所示。系統實現技術包括基礎技術和關鍵技術等方面。

4.2.1?基礎技術

目前大壩安全監測資料分析報告主要以Word文檔格式為主，Microsoft office提供的編程接口技術能夠利用編程工具進行靈活控制。C#是Microsoft推出的一種專門以.NET設計為面向對象的程序語言，而.NET是微軟用來實現可擴展標記語言、模塊化組件、面向服務架構的技術[11-12]。利用C#與.NET Framework結合，實現對Word編程靈活控制，實現自動化生成報告的圖表文管理。在報告生成系統的圖形報表功能中，過程線、相關性以及回歸分析采用Hightchart插件基于html5 canvas繪圖功能實現，特征值表等表格基于MS SQL Server 關系數據庫的數據管理功能;專業分析中，浸潤線圖結合滲流場理論基于.NET Framework 圖形繪制功能來實現;報告文檔生成利用NPOI組件操作Word辦公系統實現，并獲取存在服務器上的圖表信息。

4.2.2?關鍵技術

報表自動生成是報告自動生成系統的核心部分，采用B/S模式和C/S模式結合的形式進行系統設計。用戶交互界面按照B/S模式設計實現，提供報告模板選擇、任務下發、報告展示和在線編輯等功能，便于適應不同工程個性化需求。報告生成模塊按照C/S模式實現，用WinForms技術進行開發應用程序，實時獲取用戶提交的報告生成任務，采用多線程技術進行開發，獲取用戶選擇的報表類型;利用COM組件實現報表模板的加載;后臺異步調用word實例對象，對word中的元素如Application、Document、Range、Section、Fields、Font、Color等實現實例調用、范圍控制、文字寫入、表格操作、圖片插入、字體控制、顏色更改等功能，并將運行結果保存在內存中，實現報告中文字、表格、數據、圖片內容的寫入，最終形成用戶需要的Word報告文檔并保存在文件服務器。在用戶交互界面端，用戶可以在線查看、標注、人工編輯已生成的報告，形成最終的文本供下載、打印和利用。

5?系統成果應用

水庫大壩安全監測資料整編分析報告自動生成系統已依托于水庫大壩管理一體化信息系統，成功應用于陸水水利樞紐工程[13]。該工程位于湖北省赤壁市城區南端，是長江三峽工程的試驗壩。工程以防洪為主，兼有灌溉、發電、城市供水、航運、養殖、旅游和水利科學試驗任務，工程規模為大（2）型。水庫管理單位利用大壩安全監測資料分析報告自動生成系統，實現了監測資料自動整編和報告自動生成。

陸水水庫安全監測資料整編分析報告自動生成系統包括數據入庫、數據查詢、巡視檢查、圖形報表、報告生成等功能菜單。基于報告自動生成系統，可對變形、滲流等監測數據進行初步整理、專業分析，其中包括對各主、副壩典型斷面實時浸潤線圖、各測壓管水位和滲流量變化過程線圖、測壓管水位與庫水位相關線圖、大壩變形等值線圖等進行繪制，以及基于環境量和效應量的統計模型建立，并進行系統專業分析，形成專業資料整編分析報告，實現報告自動生成，見圖4。

報告自動生成系統預設了周、月、季、年及任意時間段的資料分析和汛期檢查等報告模板，水庫管理人員只要選取需要的報告模板，并輸入相應的時間，即可預覽報告內容，并保存和下載。報告自動生成系統極大地方便了監測數據的實時整理和異常測值反饋，極大地提高了監測資料與分析報告的規范性和專業性，適應了陸水水庫工程管理規范化、精細化和現代化的要求，提高了陸水水庫大壩管理效率，為陸水水庫發揮綜合效益提供了有力支撐[14]。

6?結 語

大壩安全監測資料分析報告自動生成技術突破人工編寫水庫運行管理報告的傳統模式，解決了水庫管理單位專業人員缺乏的問題，提高了資料整編分析的規范性和專業性，為工程安全運行提供了更專業的支撐依據和更快速的分析成果，提高了水庫管理單位的工作效率和管理水平。該報告自動生成系統適應現行水庫管理單位的業務需求和水利信息化的發展需要，具有推廣應用價值，也可為同類報告生成系統開發提供參考。

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引用本文：周?啟，譚界雄，高?全，張玉炳，阿旺次仁.大壩安全監測資料整編分析報告自動生成系統[J].人民長江，2019，50（1）：215-219.

Study on automatically-generate report system for datacompilation and presentation of dam safety monitoring

ZHOU Qi??TAN Jiexiong??GAO Quan??ZHANG Yubing??A′wang Ciren3

（1. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010， China; 3. The Management of Manla Water Conservancy Bureau， Shigatse 857000， China）

Abstract：As a vital part of dam safety management， monitoring data compilation covers a large volume of data from multi-fields. It is a professional task and is mainly done artificially at present. However， due to the rapid development of automatic data collection for dam safety monitoring and the increasing importance of dam safety， higher requirements have been raised for the timeliness， rapidity and standardization of the data compilation and presentation. Traditional methods fail to meet the demand for modern water resources management. By focusing on automatically-generate report system for data compilation and presentation of dam safety monitoring， we study the system scheme， realization technology， functions and requirements， aiming to achieve a standard and professional automatically-generate report system. The practical application proves that the system is efficient， scientific， and suitable for modern dam safety management.

Key words：?safety monitoring; compilation and presentation; automatically-generate report; water conservancy informatization; reservoir dam