基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

李天旸何 亮

(1.長江科學院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010； 2.長江科學院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 3.長江科學院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

根據(jù)2013年第一次全國水利普查成果，我國現(xiàn)有水庫9.8萬座、水電站4.7萬座[1]；數(shù)量眾多的水利水電工程在防洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運、生態(tài)等方面發(fā)揮了巨大的作用，為人類生活和經(jīng)濟發(fā)展作出了極大的貢獻。因此，保障水利水電工程安全至關(guān)重要，水利水電工程一旦失事將會帶來不可估量的損失，國內(nèi)外均經(jīng)歷了慘痛的教訓(xùn)；近年來，四川涪江流域13座水庫發(fā)生漫壩險情、美國奧洛維爾水庫溢洪道破壞[2]、老撾桑片—桑南內(nèi)水電站副壩潰壩[3]等一系列事件引起了全社會對水庫大壩安全的高度關(guān)注和深刻反思。2018年3月，為貫徹落實習近平總書記等中央領(lǐng)導(dǎo)同志關(guān)于水庫大壩安全管理的重要指示批示精神，水利部印發(fā)了《水利部進一步加強水庫大壩安全管理的意見》(水建管〔2018〕63號)，要求進一步強化水庫大壩安全管理，確保工程安全運行。

大壩安全監(jiān)測作為工程安全的耳目，主要通過儀器監(jiān)測和現(xiàn)場巡視檢查，全面捕捉水工建筑物的性態(tài)反應(yīng)，分析評判建筑物的安全性狀及其發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的處理措施，確保工程安全運用[4]。因此，在水庫大壩建設(shè)施工及運行過程中應(yīng)充分重視安全監(jiān)測工作。

近年來，大壩安全監(jiān)測工作已經(jīng)得到了各級主管部門及運行管理部門的重視，大中型水庫大壩基本布設(shè)了安全監(jiān)測設(shè)施，配備了安全監(jiān)測人員，部分實現(xiàn)了自動化監(jiān)測[5]；然而，我國水庫大壩安全監(jiān)測工作仍存在著較為明顯的信息化短板，主要表現(xiàn)在信息化程度較低、軟件功能較為單一、專業(yè)運維人員缺乏、重建輕管等多個方面；針對上述問題，有必要研發(fā)一套基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)，實現(xiàn)水庫大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能感知、云端管理、專業(yè)分析與監(jiān)控預(yù)警，為安全監(jiān)測工作提供簡單、易用、專業(yè)的信息化平臺，從而有效提升水庫大壩安全管理水平。

2 系統(tǒng)研發(fā)需求

研發(fā)基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)的核心需求是為用戶提供一套功能齊全、簡單易用、維護方便的安全監(jiān)測信息化系統(tǒng)，重點解決用戶在實際安全監(jiān)測工作中整編效率較低、分析深度不夠、監(jiān)控不及時、部署維護困難等問題；系統(tǒng)的具體研發(fā)需求體現(xiàn)在以下4個方面。

2.1 提高安全監(jiān)測資料整編分析水平

現(xiàn)階段，一般采用人工的方式進行安全監(jiān)測資料整編分析，其工作量大、效率低、時效性差，且受限于現(xiàn)場基層工作人員的專業(yè)技術(shù)水平，整編分析成果在規(guī)范性、分析深度等方面往往達不到要求，無法真正達到安全監(jiān)測反饋設(shè)計、指導(dǎo)施工及運行的目的。另外，由于水利水電工程建設(shè)周期較長，人工整編分析的資料及相關(guān)檔案難以長期規(guī)范保存，無法保證施工期與運行期監(jiān)測資料的無縫銜接。因此，迫切需要通過信息化手段提高安全監(jiān)測資料整編分析水平。

2.2 彌補安全監(jiān)測專業(yè)技術(shù)人員不足

安全監(jiān)測工作涉及水工結(jié)構(gòu)、巖土工程、工程測量、工程地質(zhì)、通訊工程、自動化控制、軟件工程等多個學科專業(yè)。因此，培養(yǎng)能夠完全勝任安全監(jiān)測工作的專業(yè)技術(shù)人員并非一日之功。即使有能夠勝任安全監(jiān)測工作的專業(yè)技術(shù)人員，但由于現(xiàn)場工作環(huán)境較差、工作強度較高、職業(yè)晉升空間有限等原因，難以長期服務(wù)于基層工程運行管理單位，這導(dǎo)致安全監(jiān)測專業(yè)技術(shù)人員長期缺乏。因此，有必要開發(fā)一套簡單易用、專業(yè)分析功能齊全的安全監(jiān)測信息化系統(tǒng)，使得普通技術(shù)人員能夠運用信息化系統(tǒng)來替代安全監(jiān)測專業(yè)技術(shù)人員完成安全監(jiān)測專業(yè)分析工作。

2.3 提升安全監(jiān)測信息化程度

目前，大多數(shù)水利水電工程中使用的安全監(jiān)測信息化系統(tǒng)主要是安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)配套的采集軟件，其功能較為單一，技術(shù)較為陳舊，一般采用單機版模式，主要實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集，具備一定的數(shù)據(jù)查詢及管理功能，缺少專業(yè)數(shù)據(jù)分析功能。因此，需要緊密結(jié)合安全監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，運用新一代信息技術(shù)，融合安全監(jiān)測理論與方法，有效提升安全監(jiān)測工作的信息化程度。

2.4 便于用戶部署及運行維護

除安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)配套采集軟件外，由于安全監(jiān)測系統(tǒng)專業(yè)性強、水工建筑物類型多樣等原因，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)一般采用定制開發(fā)的模式，投資較大，且需要單獨購置服務(wù)器進行部署，后期運維及升級也較為困難。另外，安全監(jiān)測信息化系統(tǒng)重建輕管的現(xiàn)象普遍存在，系統(tǒng)維護人員缺失，導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸荒廢，無法正常發(fā)揮作用，造成了投資及軟硬件資源的浪費。因此，亟需提供一套便于用戶部署且易于維護升級的信息化系統(tǒng)解決方案。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.1 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，將系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、應(yīng)用層和用戶層；另外，系統(tǒng)遵循標準規(guī)范體系、保障環(huán)境及安全體系。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of the system

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層：為整個系統(tǒng)運行所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施，包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等；根據(jù)實際工作需要，基礎(chǔ)設(shè)施既可以采用阿里云、亞馬遜AWS等公有云，也可以采用私有云，甚至可以簡化為獨立的服務(wù)器。

(2)平臺層：包括數(shù)據(jù)平臺和應(yīng)用支撐平臺。數(shù)據(jù)平臺主要是利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)來存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、文檔以及多媒體資料；支撐平臺主要為系統(tǒng)所用到的支撐軟件平臺，包括Java平臺、Hadoop平臺、ArcGIS平臺以及定制開發(fā)的REST數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。

(3)應(yīng)用層：為具體的系統(tǒng)功能應(yīng)用，涵蓋安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析以及安全監(jiān)控等全方位業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(4)用戶層：包括業(yè)主單位、設(shè)計單位、施工單位、主管單位以及擁有權(quán)限的其他用戶，支持用戶角色類型與權(quán)限的自定義。

(5)標準規(guī)范體系、保障環(huán)境及安全體系：標準體系是貫穿于整個系統(tǒng)的標準定義和規(guī)范定義，既包括水利、電力行業(yè)安全監(jiān)測相關(guān)的標準規(guī)范，也包括計算機軟件領(lǐng)域相關(guān)的標準規(guī)范；保障環(huán)境包括軟件保障環(huán)境及硬件保障環(huán)境；安全體系包括系統(tǒng)安全、操作系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫安全、服務(wù)安全以及業(yè)務(wù)應(yīng)用安全等方面。

3.2 功能架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)安全監(jiān)測實際業(yè)務(wù)需求，基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、儀器管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)整編、資料分析、報表報告、巡視檢查、監(jiān)控預(yù)警、工程管理以及系統(tǒng)等功能應(yīng)用，能夠為各類水利水電工程提供從施工期到運行期全方位的安全監(jiān)測服務(wù)，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of the system

(1)數(shù)據(jù)采集：調(diào)用安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口進行自動化采集，并支持在線采集、定時采集、巡回采集以及強震、強降雨等特殊工況下的觸發(fā)采集，實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能感知。

(2)儀器管理：實現(xiàn)振弦、差阻、電流、電壓、光柵光纖等多種原理的安全監(jiān)測儀器考證信息的管理，并支持儀器類型的自定義。

(3)數(shù)據(jù)管理：實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境量監(jiān)測數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等管理操作，支持數(shù)據(jù)導(dǎo)入及導(dǎo)出功能，并提供過程線、分布圖等多種數(shù)據(jù)成果展現(xiàn)方式。

(4)數(shù)據(jù)整編：實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差處理、特征值統(tǒng)計、數(shù)據(jù)整編成冊等功能。

(5)資料分析：包括相關(guān)性分析、滲流分析、應(yīng)力應(yīng)變分析以及模型分析等功能。

(6)報表報告：實現(xiàn)報表報告模板定制，并根據(jù)模板生成周報、月報、年報等安全監(jiān)測報表報告。

(7)巡視檢查：實現(xiàn)巡檢項目管理、巡檢路線管理、巡檢結(jié)果上傳及展示等功能。

(8)監(jiān)控預(yù)警：提供安全監(jiān)控指標擬定方法，支持監(jiān)控指標的自定義，并實現(xiàn)實時監(jiān)控預(yù)警。

(9)工程管理：實現(xiàn)水利水電工程信息、安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)信息等工程相關(guān)信息的管理。

(10)系統(tǒng)管理：實現(xiàn)用戶管理、角色管理、權(quán)限管理及日志管理。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于SaaS云計算模式

美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)將云計算定義為：“一種利用互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地、便捷、按需地從可配置計算資源池中獲取所需資源的計算模式”，云計算按照服務(wù)類型可以分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)3類[6]。目前云計算已廣泛應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)辦公系統(tǒng)、視頻會商等領(lǐng)域，在水利行業(yè)中的應(yīng)用也在逐漸增多[7]。

大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)是基于SaaS云計算模式的云平臺，以按需購買、按量付費的模式提供給用戶。經(jīng)授權(quán)的用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可訪問系統(tǒng)服務(wù)，自助管理屬于自己的安全監(jiān)測工程項目，使用安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、管理、整編、分析及監(jiān)控預(yù)警等系統(tǒng)功能，避免系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)與部署，節(jié)約了軟硬件資源投入，為用戶提供了低成本軟件解決方案，并且降低了系統(tǒng)運維和升級的難度與成本。

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)采用Spring Boot結(jié)合Dubbo的微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)進行開發(fā)，適合大規(guī)模應(yīng)用場景，伸縮性強，能夠根據(jù)接入安全監(jiān)測工程的數(shù)量及規(guī)模，動態(tài)調(diào)整硬件及網(wǎng)絡(luò)資源，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

4.2 安全監(jiān)測全業(yè)務(wù)功能

依據(jù)安全監(jiān)測相關(guān)規(guī)范規(guī)程，基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)據(jù)采集、管理、整編、分析、監(jiān)控、預(yù)警等安全監(jiān)測全業(yè)務(wù)功能，并在資料分析與模型分析方面進行了針對性的深度開發(fā)。

(1)系統(tǒng)針對重力壩、拱壩、土石壩、地下洞室等水工建筑物類型，按照變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測項目分類，定制開發(fā)了資料分析模塊，從而滿足各類水利水電工程安全監(jiān)測資料分析的需要。

(2)系統(tǒng)針對安全監(jiān)測關(guān)鍵物理量建立了多種分析模型，支持逐步回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種算法，支持模型因子及形式的自定義，能夠為工程安全監(jiān)控提供專業(yè)的模型分析服務(wù)。

4.3 通用化系統(tǒng)設(shè)計

為滿足各類水利水電工程安全監(jiān)測工作需要，大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)基于通用化系統(tǒng)設(shè)計，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)通用化、工程信息通用化和整編分析通用化3個方面。

(1)數(shù)據(jù)通用化：充分考慮安全監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，并結(jié)合定制開發(fā)的數(shù)據(jù)交換程序，能夠在數(shù)據(jù)層兼容各類安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)或業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的通用化。

(2)工程信息通用化：支持工程名稱、系統(tǒng)名稱、安全監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)、安全監(jiān)測儀器類型等信息的自定義，實現(xiàn)了工程信息的通用化。

(3)整編分析通用化：能夠定制安全監(jiān)測分析報表及報告模板，支持模型分析及監(jiān)控指標的自定義，從而實現(xiàn)了安全監(jiān)測整編分析的通用化。

4.4 多級權(quán)限控制體系

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)設(shè)計了單位、工程、用戶三級權(quán)限控制體系，每個安全監(jiān)測實施單位可以擁有多項安全監(jiān)測工程，每項安全監(jiān)測工程可以授權(quán)給多名系統(tǒng)用戶。系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理員、安全監(jiān)測負責人、數(shù)據(jù)錄入人員、資料分析人員、巡視檢查人員等多種角色，并支持系統(tǒng)用戶角色的自定義；另外，通過Apache Shiro框架實現(xiàn)系統(tǒng)可配置化權(quán)限控制，并以系統(tǒng)日志的形式記錄用戶操作過程，實現(xiàn)對系統(tǒng)事件的監(jiān)視及事后追蹤。

4.5 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)面向用戶開放使用，隨著在線運行的工程數(shù)量的增加，會逐漸積累形成海量的多源異構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)及資料，傳統(tǒng)存儲及計算方法已無法滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求，因此，在數(shù)據(jù)存儲、并行計算以及數(shù)據(jù)挖掘等方面應(yīng)用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可用性及性能。

(1)數(shù)據(jù)存儲：采用HDFS分布式文件系統(tǒng)存儲安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)及相關(guān)安全監(jiān)測資料，并實現(xiàn)快速全文檢索功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的高可用性。

(2)并行計算：采用MapReduce并行計算框架，針對大批量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校核、安全監(jiān)控、模型分析等計算任務(wù)，以并行計算的模式有效提高了程序的執(zhí)行效率。

(3)數(shù)據(jù)挖掘：基于隨機森林、GBDT、決策樹等大數(shù)據(jù)算法，構(gòu)建了安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)了安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)挖掘。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)已獲得計算機軟件著作權(quán)(登記號：2017SR008513)，并入選《2018年度水利先進實用技術(shù)重點推廣指導(dǎo)目錄》(編號：TZ2018106)。

系統(tǒng)既適用于單個安全監(jiān)測工程的獨立應(yīng)用，也適用于多個安全監(jiān)測工程的集中管理。目前該系統(tǒng)已在大藤峽水利樞紐工程、溪洛渡水電站、烏東德水電站地下工程、湖南澧水流域等數(shù)十個國家重點水利水電工程中獲得了成功應(yīng)用，能夠有效提高大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析水平，為保障工程安全發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)典型界面如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用列表界面Fig.3 Interface of system application list

圖4 數(shù)據(jù)管理界面Fig.4 Data management interface

6 結(jié) 語

(1)本文詳細論述了基于云平臺的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)的研發(fā)需求，闡述了系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、功能架構(gòu)以及系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了系統(tǒng)的應(yīng)用情況。大量工程應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)技術(shù)先進、功能齊全、易于使用與維護，能夠有效提升安全監(jiān)測工作效率與專業(yè)水平，具有很好的應(yīng)用推廣前景。

(2)在下一步的研發(fā)工作中，本系統(tǒng)將結(jié)合“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”中的具體業(yè)務(wù)需求，開展水庫大壩安全監(jiān)督管理方面的研發(fā)工作，從而更好地服務(wù)于大壩安全管理工作。