基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析研究

文富勇

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實驗室， 湖南 長沙 410014；2.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410014)

大壩安全監(jiān)測是服務(wù)于大壩安全的，通過安全監(jiān)測可及時獲取第一手資料，分析大壩及基巖的運(yùn)行狀態(tài)，為掌握大壩的工作形態(tài)、評價大壩安全狀況、發(fā)現(xiàn)大壩異常跡象提供依據(jù)[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，監(jiān)測自動化和信息化水平不斷提高，新建大中型工程基本建立了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，不同程度的實現(xiàn)了自動化監(jiān)測。但目前很多工程均存在人工觀測用Excel處理數(shù)據(jù)、多套監(jiān)測自動化系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)象，以及實施單位施工期利用Excel處理數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，信息化程度低，監(jiān)測資料沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理，不利于及時分析和發(fā)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中重要信息[2]。

云服務(wù)簡單的說就是將監(jiān)測信息存放在云端，為了需要的用戶提供專業(yè)的服務(wù)，有利于實現(xiàn)監(jiān)測信息的標(biāo)準(zhǔn)化管理和提高工作效率，同時云服務(wù)模式能夠架起前方技術(shù)人員與后方專家間溝通的橋梁，及時反饋監(jiān)測信息[3]。本文試圖利用云服務(wù)解決目前大壩安全監(jiān)測信息管理與分析中存在的問題，實現(xiàn)大壩全監(jiān)測信息的標(biāo)準(zhǔn)化管理和分析，提高監(jiān)測資料分析效率。

1 存在的問題

監(jiān)測信息管理與分析主要為監(jiān)測基本信息管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、圖形管理、監(jiān)測分析等，目前在監(jiān)測信息管理與分析方面普遍存在以下問題：

(1) 信息化程度低。多數(shù)在建工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集均以人工觀測、現(xiàn)場紙質(zhì)記錄為主，然后錄入Excel文件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和圖形制作[4]；監(jiān)測儀器基本信息(設(shè)計編號、部位、埋設(shè)位置、樁號、計算參數(shù))的存儲也以Excel文件為主。Excel文件管理模式為傳統(tǒng)監(jiān)測信息管理模式，不屬于信息化管理手段，在數(shù)據(jù)整編和圖形繪制過程中存在工作重復(fù)高、效率低等問題。

(2) 數(shù)據(jù)形式多樣，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。很多工程存在部分變形監(jiān)測采用人工觀測，內(nèi)部滲流及應(yīng)力應(yīng)變等采用監(jiān)測自動化監(jiān)測，人工觀測數(shù)據(jù)通常采用Excel存儲，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)則存儲在自動化系統(tǒng)內(nèi)，甚至有些工程存在多套監(jiān)測自動化系統(tǒng)，這種數(shù)據(jù)格式多樣，管理無法統(tǒng)一，整編與分析工作效率低，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。

(3) 資料整編工作量大，不利于編寫高質(zhì)量的分析報告。由于監(jiān)測信息管理信息化程度低、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，使得監(jiān)測資料分析工作需要花大量的時間和精力進(jìn)行前期數(shù)據(jù)整編工作才能得到分析所需的圖形、報表。在有效的監(jiān)測資料分析工作時間內(nèi)，由于前期投入大量時間和精力去整編資料，一定程度上導(dǎo)致監(jiān)測資料分析工作時間被壓縮，不利于編寫高質(zhì)量的監(jiān)測分析報告。

(4) 不符合當(dāng)前信息化發(fā)展的需要。隨著當(dāng)前計算機(jī)、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，采用傳統(tǒng)Excel文件、以及其他人工投入多、自動化程度低、重復(fù)高、效率低的管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前監(jiān)測信息化發(fā)展的需要，不符合當(dāng)前流域中心或集控中心建設(shè)規(guī)劃的需要，不符合實時了解和掌握大壩結(jié)構(gòu)安全性狀的要求。

2 云服務(wù)對大壩安全監(jiān)測管理與分析的意義

將云服務(wù)引入大壩安全監(jiān)測信息管理與分析工作中去，主要有以下幾方面的意義和優(yōu)越性。

(1) 提高監(jiān)測信息管理信息化、標(biāo)準(zhǔn)化程度。利用云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口將人工觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺，同時可通過自動化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化插件將自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)定時導(dǎo)入平臺，所有數(shù)據(jù)集中到云服務(wù)平臺上，可實現(xiàn)圖形、報表和報告等標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高監(jiān)測信息管理的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化程度。

(2) 提高安全監(jiān)測資料分析工作效率。云服務(wù)平臺具有圖形、報表等制作功能，能夠自動生成監(jiān)測資料分析報告和附圖，節(jié)省前期監(jiān)測數(shù)據(jù)整編的時間和精力，提高監(jiān)測資料分析工作的效率，特別針對多項目可利用云服務(wù)平臺的集中管控模式減少重復(fù)工作量，顯著提高了工作效率。

(3) 推動流域中心或集控中心的建設(shè)。運(yùn)行期安全監(jiān)測重點(diǎn)是通過對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，實時分析和評估大壩安全性狀。隨著信息化和云技術(shù)的發(fā)展，利用云服務(wù)平臺構(gòu)建流域中心或集控中心將公司管轄的所有電站監(jiān)測信息集中管理將是未來發(fā)展的必然趨勢，改變現(xiàn)有各電廠分散管理的模式，實現(xiàn)了集中管理，提高了管理的標(biāo)準(zhǔn)化程度和工作效率，同時也能提供更為專業(yè)的技術(shù)支持。

(4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控、實時掌握大壩安全性狀。 云服務(wù)管理模式可實時獲取安全監(jiān)測信息，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控數(shù)據(jù)動態(tài)變化，及時提供專家的技術(shù)支撐，實時分析和評價大壩安全性狀，改變原來只有在電廠的工控機(jī)上才能獲取監(jiān)測信息的模式，在某種程度上也提高了監(jiān)測信息的價值。

3 云服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 云服務(wù)模式

基于云服務(wù)的方式開發(fā)大壩安全監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng)，用戶以獲取服務(wù)的方式使用軟件，而不再為軟件使用支付費(fèi)用。

目前，監(jiān)測系統(tǒng)有C/S(客戶端/服務(wù)器)和B/S(瀏覽器/服務(wù)器)2種模式。C/S模式屬于胖客戶端結(jié)構(gòu)，客戶端實現(xiàn)絕大多數(shù)的業(yè)務(wù)邏輯處理和界面展示，需承受很大的壓力，對客戶機(jī)要求較高，優(yōu)點(diǎn)是效率較高，對服務(wù)器要求較低；B/S模式屬于瘦客戶端結(jié)構(gòu)，是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，用戶工作界面通過瀏覽器來實現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實現(xiàn)，大大簡化了客戶端載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本[5]。大壩安全監(jiān)測云服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)采用B/S模式。

3.2 云服務(wù)部署形式

云服務(wù)平臺分為公有云、私有云和混合云。公有云是第三方提供商為用戶提供的云服務(wù)，用戶可直接通過Internet使用，服務(wù)成本低廉甚至免費(fèi)，是一種共享資源服務(wù)；私有云是面向單獨(dú)客戶提供服務(wù)的一種云服務(wù)，與公有云相比，私有云能夠在較大程度上提供數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，服務(wù)水平有一定程度的提升；混合云具有公有云和私有云的特點(diǎn)，能夠滿足云計算資源量的需求和數(shù)據(jù)安全的需求，也可控制成本[6]。由于水利水電工程根據(jù)大壩等級的不同其保密程度也不同，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)保密程度很高的工程，一般數(shù)據(jù)不能放在公網(wǎng)上，基本通過在企業(yè)內(nèi)部架設(shè)云服務(wù)平臺實現(xiàn)，對于保密程度不高的工程，可選擇購買混合云平臺，根據(jù)不同安全級別劃分資源分別存放在公有云和私有云上。

3.3 系統(tǒng)功能

基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析主要目的在于改變現(xiàn)有監(jiān)測信息化管理程度低、數(shù)據(jù)分散管理、多項目個性化管理等現(xiàn)象[7]，通過云服務(wù)實現(xiàn)集中化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理水平?；诖四康?，云服務(wù)系統(tǒng)主要有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和報告制作等功能，主要功能框架詳見圖1。

圖1 基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析功能框架挑重?fù)?dān)

(1) 系統(tǒng)管理。對項目的基本信息(工程概況、背景圖、工程等級)進(jìn)行管理與維護(hù)，會員權(quán)限管理，系統(tǒng)管理日志管理[8]。

(2) 巡檢日志。根據(jù)巡檢情況及時填寫巡檢日志，包括影像資料和文字資料，以及標(biāo)識管理過程中各種異?，F(xiàn)象，如標(biāo)記數(shù)據(jù)異常測點(diǎn)及原因、標(biāo)識故障測點(diǎn)及故障原因。

(3) 數(shù)據(jù)采集。 主要包括數(shù)據(jù)采集、采集設(shè)備管理、采集模式設(shè)置等功能，考慮到現(xiàn)場自動化采集設(shè)備的多樣化、以及通訊協(xié)議不公開，因此，可視情況設(shè)置此功能，而不是必備的[9]。

(4) 儀器信息。 主要包括監(jiān)測儀器的基本信息、單位、圖形設(shè)置、測點(diǎn)對應(yīng)數(shù)據(jù)庫等信息管理，其中基本信息可視情況進(jìn)行調(diào)整，如果系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)采集與控制功能，則基本信息就只需要設(shè)計編號、埋設(shè)部位等重要信息即可。

(5) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。以大壩安全監(jiān)測信息管理與分析為主的云服務(wù)平臺管理核心是數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)導(dǎo)入是云服務(wù)平臺成敗的關(guān)鍵指標(biāo)之一，云服務(wù)平臺包括人工數(shù)據(jù)導(dǎo)入、各種自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，其中人工導(dǎo)入接口可做成標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，而各種自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入則可外置數(shù)據(jù)導(dǎo)入插件針對具體項目調(diào)整，數(shù)據(jù)導(dǎo)入不受廠家自動化系統(tǒng)通訊協(xié)議不公開的影響，可直接分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫從數(shù)據(jù)庫中直接導(dǎo)數(shù)據(jù)[10]。

(6) 數(shù)據(jù)管理。 數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)修改、刪除、添加、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等基本功能，應(yīng)設(shè)置批處理功能區(qū)，主要應(yīng)包括批量剔粗差或異常值(如設(shè)條件刪除)、批量導(dǎo)入、批量刪除等批處理功能，可極大提高數(shù)據(jù)管理效率。

(7) 圖形管理。 圖形管理主要包括過程線、分布圖、相關(guān)圖等通用圖形繪制，還應(yīng)包括針對不同工程特點(diǎn)需要繪制的特性分布圖形。

(8) 統(tǒng)計模型管理。 統(tǒng)計模型主要包括統(tǒng)計建模和模型分析，統(tǒng)計建模包括選擇不同的時效因子、溫度因子、降雨量因子、水位因子構(gòu)建統(tǒng)計模型的功能，模型分析包括回歸結(jié)果統(tǒng)計(復(fù)相關(guān)系數(shù)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差、各建模因子權(quán)重、擬合公式)、圖形分析(擬合曲線、誤差曲線、各溫度、水位、降雨、時效分量曲線)等。

(9) 報表管理。主要包括各種類型周報、月報、年報等報表制作、特征值統(tǒng)計、特征值分布圖形制作等功能。

(10) 自動生成報告。自動生成報告主要為根據(jù)不同模板自動生成不同深度要求的周報、月報、年報、監(jiān)測資料分析專題報告、以及附圖集等，主要應(yīng)包括測點(diǎn)基本信息統(tǒng)計(比如標(biāo)識出總測點(diǎn)數(shù)、故障點(diǎn)、停測點(diǎn)等信息)、特征值統(tǒng)計信息、典型過程線、以及異常預(yù)警提示信息等內(nèi)容。

(11) 預(yù)警輔助系統(tǒng)。目前，安全監(jiān)測預(yù)警基本停留在理論層面，對實際工程的指導(dǎo)性質(zhì)不強(qiáng)，盡管預(yù)警理論應(yīng)用存在一定的問題，但仍可利用一些簡單的預(yù)警方法組合起來形成預(yù)警輔助系統(tǒng)，旨在眾多測點(diǎn)中找出偏于異常的測點(diǎn)，然后分級歸類，為預(yù)警決策者提供輔助技術(shù)支持，同時將預(yù)警輔助結(jié)果反映到自動生成的報告中，提示報告編寫者關(guān)注。預(yù)警輔助系統(tǒng)主要包括基于限制控制、最值控制、基于數(shù)據(jù)趨勢等判斷依據(jù)組成的綜合預(yù)警算法。

4 云服務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵和核心

基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析的關(guān)鍵和核心在于實現(xiàn)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，最終目的在于提高工作效率。為了提高工作效率，云服務(wù)平臺設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注通用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)管理、圖形管理、實時預(yù)警輔助、自動生成報告等功能的設(shè)計，主要功能見圖2。

(1) 通用數(shù)據(jù)庫。大壩安全監(jiān)測有引張線式水平位移計、水管式沉降儀、測縫計、滲壓計、多點(diǎn)位移計、測斜管、量水堰、錨索測力計、三向測縫計、幾何水準(zhǔn)、正倒垂線、引張線、控制網(wǎng)等不同類型監(jiān)測儀器設(shè)施[11]，這些監(jiān)測儀器設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)格式各不相同，同時可能出現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)格式也因各個項目的差異而有所不同。通用數(shù)據(jù)庫設(shè)計旨在通過分析不同類型工程各種可能出現(xiàn)的不同類型監(jiān)測儀器設(shè)施，然后對應(yīng)數(shù)據(jù)格式構(gòu)建通用數(shù)據(jù)庫，使得任何工程在不修改云服務(wù)平臺的情況下即可快速接入平臺，同時通用數(shù)據(jù)庫能夠快速擴(kuò)展，對于特殊的儀器設(shè)施能夠在僅修改數(shù)據(jù)庫不改動平臺的情況下順利接入。

圖2 基于云服務(wù)平臺的主要功能

(2) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。 通常情況下，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在Excel文件、以及不同的監(jiān)測自動化系統(tǒng)中，怎么快速、高效的將數(shù)據(jù)導(dǎo)入云平臺是關(guān)鍵。如果數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口適應(yīng)差，使得導(dǎo)入者需進(jìn)行大量的初始化調(diào)整才能導(dǎo)入，這種云服務(wù)平臺明顯是不成功的。數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能設(shè)計應(yīng)做到人工參與少，自動化程度高、通用強(qiáng)、能夠適應(yīng)各種數(shù)據(jù)的格式導(dǎo)入[12]，其中對于不同監(jiān)測自動化系統(tǒng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)以直接分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、專門編寫插件的方式導(dǎo)入。

(3) 數(shù)據(jù)管理。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在粗差、異常值、錯誤值等無效數(shù)據(jù)，因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫后關(guān)鍵是整理出有效監(jiān)測數(shù)據(jù)供后續(xù)分析用。數(shù)據(jù)管理設(shè)計應(yīng)具有能夠顯著提高數(shù)據(jù)整編效率的批處理功能，快速剔除粗差、異常值、錯誤值。

(4) 圖形管理。 圖形管理是形象、生動呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，因此，設(shè)計時應(yīng)具備監(jiān)測資料分析所需過程線、分布圖、相關(guān)圖等基本圖形制作功能[13]，同時云平臺功能操作設(shè)計應(yīng)簡單，所見即所得。

(5) 實時預(yù)警輔助。一般工程都有上千支儀器，大型工程有幾千甚至上萬支儀器，且每天每支儀器都會采集新的數(shù)據(jù)[14]，特別針對多項目的集中管控，每天面對海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，管理人員很難從海量數(shù)據(jù)中找出異常信息并預(yù)警。由于限制控制、最值控制為依據(jù)的預(yù)警理論效果差，應(yīng)用率低，因此，實時預(yù)警輔助設(shè)計時應(yīng)在限制控制、最值控制基礎(chǔ)上開發(fā)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的自適應(yīng)預(yù)警輔助算法，通過定時計算分級預(yù)警提示。

(6) 自動生成報告。盡管具備上述5大功能后能夠在監(jiān)測信息管理與分析過程中提高工作效率，但是如果不能自動生成監(jiān)測資料分析報告將是云服務(wù)平臺的最大缺陷。自動化生成報告應(yīng)是云服務(wù)平臺必備的，設(shè)計時應(yīng)能生成不同深度的監(jiān)測資料分析報告[15]，以及提供基本預(yù)警提示信息。

具備以上功能即可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取-數(shù)據(jù)管理-結(jié)果輸入全過程信息化管理，提高監(jiān)測信息管理與分析的工作效率。

5 應(yīng)用實例

某勘測設(shè)計單位承接運(yùn)行期監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)和管理，現(xiàn)有10多個項目，項目分布詳見圖3，項目涉及水利水電工程、抽水蓄能、風(fēng)電等工程，主要工作內(nèi)容為將業(yè)主所有監(jiān)測數(shù)據(jù)(人工數(shù)據(jù)+自動化數(shù)據(jù))接入云平臺實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理，實時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)變化并及時預(yù)警，同時每月定期提供監(jiān)測資料分析報告。

圖3 接入云服務(wù)平臺的項目分布

為了提高項目維護(hù)和管理的工作效率，減少人工投入，以及實時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)變化并及時預(yù)警，采用B/S模式開發(fā)基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)部署在公有云上，主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)管理、圖形管理、預(yù)警輔助和自動化生成報告等功能。

由于各個項目均有監(jiān)測自動化系統(tǒng)，同時也有一套Excel存儲的人工數(shù)據(jù)，針對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式主要采用針對不同自動化系統(tǒng)編制數(shù)據(jù)導(dǎo)入插件，部署在各個項目工控機(jī)上定時將數(shù)據(jù)導(dǎo)入云服務(wù)平臺，針對人工監(jiān)測數(shù)據(jù)則采用數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能人工定時導(dǎo)入監(jiān)測數(shù)據(jù)。接入云服務(wù)平臺即可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、圖形制作、預(yù)警輔助和自動化生成報告等標(biāo)準(zhǔn)化操作，顯著減少了各項目在監(jiān)測數(shù)據(jù)整編與分析方面的人工投入，提高了管理工作效率。

圖4為自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入插件，圖5為圖形功能界面，報告中包含必要基本信息、特征值統(tǒng)計、典型圖形、以及預(yù)警提示信息。

基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)信息管理與分析系統(tǒng)可實現(xiàn)多項目的大壩安全監(jiān)測信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理和分析水平，通過高效的批量數(shù)據(jù)管理、圖形管理、報表制作、自動生成報告及附圖等功能的應(yīng)用，提高了數(shù)據(jù)管理和分析的效率，提高了編寫資料分析報告的效率。

6 結(jié) 語

應(yīng)用實例表明基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多項目的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理，能夠顯著減少各項目在監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析方面的人工投入，提高了管理和分析效率。未來隨著信息化技術(shù)發(fā)展，云服務(wù)在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用將會越來越廣，具有廣闊的應(yīng)用前景，本文對基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息管理與分析研究還不夠深入，旨在拋磚引玉，以便更多的監(jiān)測人員應(yīng)用云服務(wù)平臺，使其更好地應(yīng)用和服務(wù)于大壩安全監(jiān)測。

圖4 自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入插件

圖5 圖形繪制