大壩運行安全監測管理信息系統設計與實現

陳述平，楊成群

(1.新華水力發電有限公司,北京 100070；2.湖南涉外經濟學院信息與機電工程學院,長沙 410025)

大壩安全事關人民生命財產安全和社會穩定，而安全監測是水庫大壩安全管理的重要工作。目前，66.64%的大型水庫建設了自動化系統，56.98%的大壩監測系統采用自動化監測為主、人工為輔的方式[1]。各種C/S和B/S架構的大壩運行安全管理信息系統的出現[2]，為水庫大壩管理做出了積極的貢獻。

隨著技術的發展以及人們對大壩安全監測內涵的深入認識，智能化傳感設備和虛擬現實技術的應用進一步使監測數據多樣化[3- 4]。監測數據從一維發展到二維和三維，而且數據量極大。數據種類更為復雜，包括結構化數據、大量半結構化和非結構化數據[5- 6]。另有研究提出，水利工程建設初期就應規劃好與信息技術的融合，使工程數據持續發揮價值[7]。這對數據的查找、統計、分析和運用提出了新的要求，而傳統信息平臺架構的工作方式老舊，應急響應和預警時效性差，資源復用性不強，數據運用不深入，不能適應新時代的要求。

本文設計和實現的新型大壩運行安全監測應用云計算技術將分散的、異構的信息系統集成；應用大數據技術收集和處理通過物聯網獲得的數據；利用GIS技術、數據挖掘等技術建立安全監測數據倉庫，從中發現新的規律。

1 基于云架構的大壩系統應用優勢

1.1 數據處理更快

傳統架構對數據逐條讀取、修改、查詢和錄入，當數據量不大時，處理時間可以接受。但是當數據到達海量級別后，任務處理時間漫長，甚至出現服務器程序崩潰或者死機的現象。基于云架構技術的信息平臺，具有分布式結構，運用并發機制，使TB級別的數據分析可在數小時內完成。同時，系統還可整合分布在云端的大量閑置硬件資源，以更少的時間完成任務[8- 9]。這些優勢在對歷史監測數據挖掘時更為明顯。

1.2 數據運用更全面

由于信息采集和管理軟件功能更為完備、可操作性和正確性更高。基于云架構的大壩監測系統的運行維護更有效，自動化系統更可靠[10]。系統將監測數據統一管理，并自動生成各類監測月報、年報、數據統計表、測量成果表等。系統實現多壩綜合監控的一站式管理平臺，利用網絡傳輸技術，實現遠程動態監測、對監測數據的后臺實時評估和報警，保障大壩安全信息的及時處理和傳遞，實現快速反應，為大壩運行決策提供了有力支持[11]。

1.3 資源節約更經濟

第一次水利普查數據說明，我國目前已有各種規模的水庫超過9.8萬座，病險水庫數據約4萬座[12]，大壩安全監測系統的建設需求很迫切，所需費用很高。在企業提質增效和擴大經濟效益的背景下，尋求資源節約型的建設方法具有重要意義。

圖1 系統總體業務流程

一些研究從管理方法上提出新思路，例如，針對性的監測，只對關鍵項目、關鍵時間和關鍵結構進行監測，或者使用更為經濟的監測設施[13- 15]。這些舉措能緩解問題，但不能從根本上平衡信息化投入和經濟效益提高之間的關系。基于云計算的信息化平臺，具有虛擬化、安全性、高擴展性和高可用性，將應用部署在云端，用戶不必關注軟、硬件問題，可通過托管方式和混合管理等模式節約建設費用，按需付費，更加經濟；也可通過價值鏈上的多方分工協作，使數據在生態圈中流動，依靠創新應用和新價值為企業賦能。

2 系統總體業務流程

系統實現對大壩安全、工情、視頻等實時監測監控，經過后臺配置業務規則判斷數據是否越限；對于越限的監測數據，系統自動啟動安全告警，并通知責任人，由其核實并處理。現場管理人員將巡視檢查中發現的問題上報至上級管理部門，及時進行維修養護。對于突發事件以及巡檢發現的重大險情等問題，通過事態分析，確認應急響應的級別，啟動相應的應急預案，基于態勢一張圖，進行應急處置。其總體業務流程如圖1所示。

3 系統設計

3.1 云架構設計

大壩運行安全管理監測信息綜合應用了物聯網、云計算、大數據等技術，系統總體技術架構設計如圖2所示。

3.1.1云數據交換

通過數據網關對接不同種類的設備采集數據，提供數據導入/導出工具提供第三方數據入庫，通過ETL工具完成不同數據的導入和轉換，從大壩、水庫等系統或傳感器采集相關數據。

3.1.2云存儲

提供數據存儲隔離、可用性管理、配額管理，元數據管理、數據分類審計等數據治理功能，系統能水平擴展。

3.1.3云計算

按用戶、作業種類進行資源分配、資源調度，提供用戶和計算作業隔離，可視化作業執行狀況。

3.1.4云平臺服務

為上層提供基礎的業務能力、平臺級別的身份認證、訪問控制和業務隔離功能。

3.1.5云服務

通過Restful API方式對外提供統一查詢接口，支持接入基于平臺規范的第三方微服務來對平臺進行插件式業務擴展。提供綜合查詢、監測監控、分析評估、運行管理以及應急響應等業務功能。

圖2 系統的云架構設計

3.1.6云平臺管理

集成了平臺基礎運維功能、平臺信息安全管控、平臺資源管理、策略控制。

3.1.7云安全

通過安全管理框架，解決數據訪問授權和審計功能，提供細粒度的數據訪問控制，提供加密存儲功能，對敏感數據提供脫敏訪問。

3.2 業務數據流程

系統數據流的源點主要包括兩部分：一是庫壩監測設施采集的水雨情、大壩安全監測、視頻圖像以及人工巡檢記錄等數據；二是從氣象部門獲取的氣象信息。以上各部分數據統一匯聚到系統數據庫中。系統業務數據流程如圖3所示。

4 系統的功能設計及實現

系統基于Restful實現微服務，實現業務上的隔離，可以做到獨立部署和運行。目前，系統主要實現了綜合查詢、監測監控、分析評估、運行管理以及應急響應功能。

4.1 綜合查詢

通過GIS地圖、列表等方式，系統的各級用戶可以根據相應的權限，自定義模糊查詢所管理范圍內庫壩的基本信息。庫壩一張圖基于地理信息服務，可實現縮放、移動、圖層篩選等可視化查詢。

4.2 監測監控

庫壩監測監控的內容主要包括水情監測、大壩安全監測、閘門監測、視頻監控以等，監測方式包括人工監測、自動化監測，如圖4所示。

系統在防汛統一業務平臺提供的GIS支撐服務基礎上，通過地圖標注、圖表等直觀方式對水雨情、閘門、視頻、大壩變形、滲流壓力、滲流量等的實時和歷史監測信息進行查詢、統計、預警等，使各級單位可在自己權限范圍內全面了解庫壩運行狀態。

4.3 分析評估

應用閾值法、異常數據處理、相關分析等算法，對監測監視采集的數據進行整編分析，通過結構分析、滲流分析以及綜合分析判斷大壩安全狀況；結合水利工程風險管理方法識別風險，依據規范庫壩進行安全評價，并可按照預定義規則對以上過程中的異常狀態進行預警和警報。

圖3 系統業務數據流程圖

圖4 監測數據的實時監控

監測資料分析包括數據檢驗、異常數據處理、時序分析和相關分析等。安全分析包括變形分析、滲流分析。

4.4 運行管理

運行管理涵蓋水利工程日常運行維護業務，分為巡檢、維修養護、調度管理、單元化管理等功能模塊。

巡視檢查實現對計劃、人員、記錄統計的管理功能。維修養護實現計劃編制、上報、審批和記錄功能。調度實現方案的輸入、查詢并能跟蹤方案執行情況。單元化管理提供安全單元劃分、上報、安全處理、狀態監控和統計分析功能。

4.5 應急響應

應急響應的基礎是庫壩管理單位編制的應急預案，系統提供應急預案的查詢功能、與應急資源的對接功能。基于GIS技術，態勢一張圖能實時展示事件狀況和運行狀態等，系統還提供應急信息的接收和發布、事件管理和指揮調度功能。

5 結語

基于云架構技術的大壩運行安全監測信息系統實現安全監測數據采集、分析評價、遠程操控等統一管理，實現全環節的數據共享利用、數據統一分析評價，較好地解決了大壩地域范圍廣、測點繁雜，系統難以集中管理，監測數據分析不到位、預警不及時等問題，實現了大壩安全監測工作規范化、標準化，為大壩安全管理提供輔助決策支持，為實現減員增效提供技術支撐。