基于云服務架構的水電站安全管理移動應用系統研發與實踐

李冠軍 張玉炳 柏海駿

摘要：隨著智能移動終端設備的普及和移動互聯網技術的發展，對如何進一步提升水電站數據采集轉換效率、促進信息融合與共享、降低運行成本、保證生產運行安全等方面提出了新的要求。提出了一套基于云服務架構的水電站安全管理移動應用系統，將多源異構的監測信息存儲在云端，能夠實現數據快速獲取、實時同步及高效利用。該系統在湖南省白云水電站得到了初步應用，實現了該水電站公共數據的全面整合與共享，為水電站工程管理、生產管理、日常管理和應急指揮等核心業務提供了智慧化的管理手段，具有較高的實用價值和推廣意義。

關鍵詞：水電站安全管理;移動終端;云服務架構;移動互聯網技術;白云水電站

中圖法分類號：TV737文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.015

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0074 - 06

水庫大壩安全運行是水電站發揮功能效益的最基礎保障[1]。在水電站運行的整個生命周期中，各類監測儀器采集的數據源源不斷地輸送至水電站數據中心，這些數據真實反映著水庫大壩和機組運行的狀態，能為其安全運行與管理決策提供輔助支持。隨著互聯網技術的快速發展及其在水利水電行業的廣泛應用，移動智能終端逐漸成為水電站管理工作中必不可少的工具。本文詳細設計了手機端移動應用系統，并描述了系統在湖南省城步縣白云水電站的應用情況。

1 水電站信息化管理存在的問題

水電站在運行管理中產生的數據繁雜，其來源不同、形式各異，存在信息無法融合、不能共享等問題，嚴重制約著水電站運行管理效率的提升。目前，水電站信息化管理中普遍存在以下問題。

（1）數據整合難度大。各類監測儀器采集數據頻次、存儲格式與下發的規律復雜多樣，給數據整合帶來了較大困擾與挑戰。數據主要涵蓋水雨情、安全監測、機組運行、防洪預報、發電調度及巡視檢查等方面。

（2）數據孤立化、碎片化。各類業務數據之間存在交互壁壘，缺乏統一的運行服務管理，數據分散在多個平臺，數據種類多，管理復雜。

（3）巡檢效率亟待提高。巡檢人員任務繁重、效率低下，巡檢流程和巡檢項有待規范，巡檢修改缺乏相應的提示與審計記錄。

（4）各類應用系統繁多且相互獨立。在水電站信息化管理中，各種類別的應用系統業務功能單一且獨立，缺乏一個一體化綜合管理系統。

（5）業務應用專業性低。無法將水庫來水預報、水庫管理、大壩安全管理和水電站生產進行有機結合，也不支持預警信息的發布與消息的推送，實用性較低。

2 系統設計

綜合白云水電站當前的信息化現狀和業務需求，根據項目特點，基于云服務“5個層級”，打造白云水電站智慧化、標準化移動應用系統平臺。該系統數據庫參考水利行業標準進行設計，按照“一個應用集群，一個統一的運行環境，一套統一的運行管理體系”進行應用系統部署，為白云水電站安全運行與科學調度提供智慧化管理手段。

2.1 架構設計

基于云服務計算的架構設計共5層，即IaaS（基礎設施即服務）、DaaS（數據即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）和Users （用戶服務），主要架構設計模式如圖1所示。

（1）IaaS（基礎設施即服務）。水電站提供支撐平臺運行的服務器或虛擬機、磁盤、計算機網絡和機房等基礎設施設備。

（2）DaaS（數據即服務）。水電站根據信息化建設的需求，通過對各類監測儀器采集的基礎數據進行分析、梳理，實現數據的快速獲取、快速利用，便于實時掌握水庫大壩的安全運行信息，為水電站的工程管理決策提供必要依據。

（3）PaaS（平臺即服務）。水電站為用戶提供操作系統、數據庫、消息中間件等軟件，為系統平穩、安全運行搭建良好平臺。

（4）SaaS（軟件即服務）。水電站主要通過搭建私有云，采用SaaS服務的模式，通過數據信息為用戶提供服務。

（5）Users （用戶服務）。水電站工作人員使用安裝好的智能化移動端系統，可以進行水庫的日常巡檢，掌握水庫基本信息、水雨情、安全監測、防洪調度等數據，以提高工作效率。

軟件應用通過內部云服務平臺進行部署。由于相關數據的保密性要求，為保證各類數據對外Internet網絡的訪問安全與可靠性，內部云平臺通常會映射相關對外端口，供用戶統一訪問。

2.2 數據庫設計

數據庫的主體使用《國家防汛指揮系統工程實時水雨情庫表結構》設計標準，采用的技術標準有SL 323-2011《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》、DL/T 1321-2014《電力大壩安全監測數據庫表結構與標識符》、SL 324-2005《基礎水文庫數據庫表結構與標識符》、SL 478-2010《水利信息數據庫表結構與標識符》等。依據數據庫設計3級范式，先繪制水電站安全管理移動應用系統的E-R圖，再使用Power Designer創建表結構。在數據庫表結構設計上保證其具有一定的冗余結構以便于將來擴展。

基于云服務架構的水電站安全管理移動端應用，用戶可以瀏覽基本信息、水雨情、安全監測、預報調度等主要功能以及上傳、查看移動巡檢記錄等，主要數據庫E-R圖見圖2。

2.3 技術路線選擇

移動端采用UNI-APP模式開發，UNI-APP支持通過不同的編譯模式打包生成不同終端的應用程序（Android/IOS/H5/各類小程序），抹平了各種模式下的差異性，縮短了應用的開發周期且節約了開發成本，極大保證了用戶跨端體驗的一致性[2]。

云端服務體系采用JAVA+MySQL+MyBatis- Plus +SpringBoot+SpringCloud架構系統開發，數據最終存儲主要采用MySQL，訪問層主要通過MyBatis- Plus，服務提供主要采用SpringBoot框架進行開發，云端架構采用SpringCloud集成[3]。

基于云服務的水電站技術架構設計，采用云服務模式，并充分考慮了系統的可伸縮性、擴展性。總體架構設計如圖3所示，主要包括資源層、服務層、接口層、負載均衡（NGINX）、WEB層以及用戶訪問層等。

（1）資源層。主要提供云存儲的數據來源，主要包括關系型數據庫（如MySQL）、非關系型數據庫、圖形數據庫以及媒體文件數據庫等。

（2）服務層。建立與移動端相關數據交互的服務，是用戶提供服務的核心。主要包括基礎服務和業務服務2個模塊。基礎服務模塊包含公共的基礎業務服務模塊，主要包括權限管理、用戶管理、文件管理及任務調度等相關基礎服務。業務服務模塊處理與實際業務功能相關的數據。用戶在消費服務層提供的數據時，主要為RESTFUL風格的API。服務管理主要為對服務的治理與配置，包括服務注冊、發現、相互間調用以及相關熔斷處理。通過服務管理搭建各數據、各服務之間的橋梁。

（3）接口層。負責所有對內訪問API的統一網關。所有業務的請求服務首先經過網關驗證后才進行相關路由。

（4）負載均衡。通過NGINX解決服務跨域請求，分擔大量請求帶來的壓力和高并發產生的問題。通過接口層與負載均衡NGINX相互結合，分別處理所有對內部訪問與對外部訪問的負載均衡。

（5）WEB層。通過利用服務層提供的數據，建立各移動端APP的軟件應用。

（6）訪問層。用戶通過硬件設備訪問相應的應用。

2.4 功能設計

2.4.1 一級功能

移動端功能主要包括用戶管理、核心功能、三方應用集成和常用管理辦公等功能模塊，具體如圖4所示。

（1）用戶管理。該模塊為移動端識別用戶身份信息以及授權的關鍵。用戶可通過賬戶或手機指紋登錄進入的移動端應用。

（2）主要功能。覆蓋水庫基本信息、水雨情、安全監測、防洪調度、視頻監控、移動巡檢等水庫安全管理功能，為水庫安全管理提供支撐。

（3）三方應用集成。通過集成或建立其他應用的導航目錄，解決水庫各應用繁多、查找入口困難等問題，從而提升水庫管理人員工作效率。

（4）常用管理辦公。該模塊通過信息化手段結合移動端特性提供日常管理信息化功能，包括水庫日常管理、通訊錄、值班管理等功能。

2.4.2 二級功能

二級功能點主要包括登錄、個人信息、基本信息、水雨情、安全監測、移動巡檢、防洪調度、視頻監控、預報預警、企業要聞、消息推送、在線天氣、氣象監測、通訊錄等[4]，具體如圖4所示。

3 系統實現

3.1數據庫實現

數據庫的實現參考相關行業標準，通過建立規范統一的數據模型，更利于各類數據的交互與融合。主要數據庫表實現如表1所示。

3.2 移動端功能實現

依據用戶需求分析與移動端功能設計，各功能模塊成果主要通過友好的圖形報表與簡潔的風格對外展示，可劃分為主體功能與核心功能兩個模塊，主體功能可為應用提供入口性功能展示，核心功能是可為移動端實現安全管理的核心模塊，兩者相輔相成，共同完成水電站安全管理移動端應用[5]。

主體功能主要包括以下5個分析模塊，如圖5所示。

（1）登錄。打開移動端應用程序后可直接進入主頁面，每點擊一個模塊需進行權限驗證。權限驗證包括指紋登錄與賬號密碼登錄兩種方式。當用戶登錄驗證成功后會獲得各模塊權限。

（2）首頁功能。首頁主要包括主TAB頁、天氣信息、企業要聞、預報調度信息、預警信息。其中，主TAB頁功能包括基本信息、水雨情信息、安全監測信息、移動巡檢、防洪調度、視頻監控等，也是大壩安全運行管理的核心功能。

（3）通訊錄。通訊錄是落實水庫責任人及提升應急管理效率的重要手段之一，包括各工作人員的聯系方式、短信、郵件及添加聯系人等;支持拼音、電話、漢字搜索，查看個人通訊錄，點擊后可直接進行通話、短信、郵件、添加聯系人等相應操作。

（4）應用。鏈接相關工程運行人員的常用功能，整合其他手機端或APP端應用入口，如企業要聞、日歷及羅盤等。

（5）個人中心。主要對個人相關信息的展示、退出登錄操作以及相關發票管理填寫與備忘等。

移動端核心功能主要包括基本信息、水雨情信息、安全監測信息、移動巡檢、防洪調度、視頻監控等[6]。

（1）基本信息。對水庫基本信息的展示。

（2）水雨情信息。包括水庫各雨量站與水位站點的實時數據與歷史數據。雨量站點數據包括各時間段內小時雨量、日雨量、月雨量數據以及時間段內雨量變化過程線等;水位站點的數據包括各時間段內的水位數據及變化過程線。

（3）安全監測模塊。包括變形、滲流及環境量等實時與歷史數據監測。依據各建筑物、各監測斷面布置的觀測點，反映各儀器數據變化。變形監測主要包括水平位移、垂直位移、接裂縫等監測;滲流監測包括滲流量與滲流壓力等監測;環境量監測包括水位、降雨量、出入庫流量等監測。

（4）移動巡檢。移動端高效便捷快速的巡檢，是保證大壩安全、穩定運行的重要手段之一。用戶可在巡檢模塊查看歷史巡檢記錄以及實時上報巡檢記錄;在巡檢中支持多人同時巡檢，多人通過一致口令形成一次有效的巡檢任務。巡檢內容發生修改時會提醒相關人員是否修改記錄，采用Diff算法檢測沖突內容，具體流程如圖6所示。

（5）防洪調度。主要包括實時天氣與水位信息或預警信息的滾動播放;逐小時自動預報未來24 h面雨量、出庫流量以及發電流量、電站出力等信息，并展示整個預報與調度過程變化以及峰現時間與峰值。

（6）視頻監控。集成其他應用功能，通過調用Schema喚起視頻監控軟件，當用戶沒有安裝時自動默認軟件下載安裝視頻軟件。

依據安全監測技術規范將每次巡視任務類型劃分為日常檢查、年度檢查、定期檢查、應急檢查4個類別[7]。巡檢點可劃分為壩體、壩基與壩區、輸泄水洞（管）、泄洪道以及近壩岸坡5個大類。在巡檢點的子項中，水庫管理單位可依據自身實際情況適當配置增加額外的巡檢內容或刪除與水庫實際條件不符的巡檢子項。對巡檢子項的巡檢內容可劃分為正常與異常兩種互斥狀態，當巡檢人員發現巡檢子項異常時必需填寫異常信息并拍照上傳異常點，具體移動端實現界面如圖7所示。在整個巡檢過程中會定期實時自動上報用戶的定位信息，供管理人員實時分析巡檢狀態等。

4系統部署方案

基于云服務架構的移動端手機應用，需充分考慮兼容各移動端手機分辨率，確保不同終端展示的一致性，采用云服務架構與部署更利于各類數據信息的融合與交互[8]，如圖8所示。

白云電站系統部署的軟硬件環境如表2 所示。

5 結 語

系統在湖南省白云水電站取得初步應用，并根據使用反饋結果進行了多次優化升級。通過整合數據解決了數據融合困難、交互復雜等問題。建立了規范的、可擴展的巡檢體系;集成了常用三方應用的入口索引;整合部分日常管理功能。系統安全管理信息化程度更高、管理更精細化。運行情況表明，系統提高了水電站安全管理運行效率，確保了水電站安全運行。

基于云服務架構的水電站安全管理移動端具有高度集成與可擴展性，通過融合水庫安全運行管理核心功能，形成了一個初具規模的體系應用。在突破時間與空間限制下，操作更方便、更加實用、信息量更加豐富，對探索水電站現代化安全管理模式具有借鑒意義，值得推廣。

參考文獻：

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[8] 陸曉明. 軟件全生命周期質量管理探討[J]. 電子世界，2013（22）：177- 178.

（編輯：李 慧）

Research and development of mobile application system for hydropower station safety management based on cloud service architecture and its practice

LI Guanjun1， ZHANG Yubing2， BAI Haijun1

（1. Guodian Hunan Wushui Hydropower Development Co.， Ltd.， Shaoyang? 4225000， China;? ?2. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research，Wuhan 430074， China）

Abstract： With the popularization of intelligent mobile terminal equipment and the development of mobile Internet technology， new requirements on how to further improve the efficiency of data acquisition and conversion， promote information fusion and sharing， reduce operating costs， and ensure the safety of production and operation of hydropower stations was put forward. A mobile application system for hydropower station safety management based on cloud service architecture was proposed. The multi-source heterogeneous monitoring information was stored in the cloud， which realized the rapid acquisition， real-time synchronization and efficient utilization of data. The system was applied in Baiyun Hydropower Station in Hunan Province， which realized the comprehensive integration and sharing of public data， and provided intelligent management means for the engineering management， production management， daily management， emergency command and other core business.

Key words： safety management of hydropower stations; mobile terminal; cloud service architecture; mobile Internet technology; Baiyun Hydropower Station