大壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳述平，楊成群

(1.新華水力發(fā)電有限公司,北京 100070；2.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院,長沙 410025)

大壩安全事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定，而安全監(jiān)測(cè)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(shè)了自動(dòng)化系統(tǒng)，56.98%的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主、人工為輔的方式[1]。各種C/S和B/S架構(gòu)的大壩運(yùn)行安全管理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)[2]，為水庫大壩管理做出了積極的貢獻(xiàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)內(nèi)涵的深入認(rèn)識(shí)，智能化傳感設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多樣化[3- 4]。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從一維發(fā)展到二維和三維，而且數(shù)據(jù)量極大。數(shù)據(jù)種類更為復(fù)雜，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、大量半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[5- 6]。另有研究提出，水利工程建設(shè)初期就應(yīng)規(guī)劃好與信息技術(shù)的融合，使工程數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)揮價(jià)值[7]。這對(duì)數(shù)據(jù)的查找、統(tǒng)計(jì)、分析和運(yùn)用提出了新的要求，而傳統(tǒng)信息平臺(tái)架構(gòu)的工作方式老舊，應(yīng)急響應(yīng)和預(yù)警時(shí)效性差，資源復(fù)用性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)運(yùn)用不深入，不能適應(yīng)新時(shí)代的要求。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的新型大壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)將分散的、異構(gòu)的信息系統(tǒng)集成；應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集和處理通過物聯(lián)網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)；利用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)建立安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉庫，從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。

1 基于云架構(gòu)的大壩系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 數(shù)據(jù)處理更快

傳統(tǒng)架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)逐條讀取、修改、查詢和錄入，當(dāng)數(shù)據(jù)量不大時(shí)，處理時(shí)間可以接受。但是當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)海量級(jí)別后，任務(wù)處理時(shí)間漫長，甚至出現(xiàn)服務(wù)器程序崩潰或者死機(jī)的現(xiàn)象。基于云架構(gòu)技術(shù)的信息平臺(tái)，具有分布式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用并發(fā)機(jī)制，使TB級(jí)別的數(shù)據(jù)分析可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成。同時(shí)，系統(tǒng)還可整合分布在云端的大量閑置硬件資源，以更少的時(shí)間完成任務(wù)[8- 9]。這些優(yōu)勢(shì)在對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘時(shí)更為明顯。

1.2 數(shù)據(jù)運(yùn)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?；谠萍軜?gòu)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)更有效，自動(dòng)化系統(tǒng)更可靠[10]。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，并自動(dòng)生成各類監(jiān)測(cè)月報(bào)、年報(bào)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表、測(cè)量成果表等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多壩綜合監(jiān)控的一站式管理平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后臺(tái)實(shí)時(shí)評(píng)估和報(bào)警，保障大壩安全信息的及時(shí)處理和傳遞，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，為大壩運(yùn)行決策提供了有力支持[11]。

1.3 資源節(jié)約更經(jīng)濟(jì)

第一次水利普查數(shù)據(jù)說明，我國目前已有各種規(guī)模的水庫超過9.8萬座，病險(xiǎn)水庫數(shù)據(jù)約4萬座[12]，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)需求很迫切，所需費(fèi)用很高。在企業(yè)提質(zhì)增效和擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益的背景下，尋求資源節(jié)約型的建設(shè)方法具有重要意義。

圖1 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程

一些研究從管理方法上提出新思路，例如，針對(duì)性的監(jiān)測(cè)，只對(duì)關(guān)鍵項(xiàng)目、關(guān)鍵時(shí)間和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者使用更為經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)設(shè)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(jīng)濟(jì)效益提高之間的關(guān)系。基于云計(jì)算的信息化平臺(tái)，具有虛擬化、安全性、高擴(kuò)展性和高可用性，將應(yīng)用部署在云端，用戶不必關(guān)注軟、硬件問題，可通過托管方式和混合管理等模式節(jié)約建設(shè)費(fèi)用，按需付費(fèi)，更加經(jīng)濟(jì)；也可通過價(jià)值鏈上的多方分工協(xié)作，使數(shù)據(jù)在生態(tài)圈中流動(dòng)，依靠創(chuàng)新應(yīng)用和新價(jià)值為企業(yè)賦能。

2 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全、工情、視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，經(jīng)過后臺(tái)配置業(yè)務(wù)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否越限；對(duì)于越限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)安全告警，并通知責(zé)任人，由其核實(shí)并處理。現(xiàn)場管理人員將巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的問題上報(bào)至上級(jí)管理部門，及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。對(duì)于突發(fā)事件以及巡檢發(fā)現(xiàn)的重大險(xiǎn)情等問題，通過事態(tài)分析，確認(rèn)應(yīng)急響應(yīng)的級(jí)別，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，基于態(tài)勢(shì)一張圖，進(jìn)行應(yīng)急處置。其總體業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 云架構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩運(yùn)行安全管理監(jiān)測(cè)信息綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.1.1云數(shù)據(jù)交換

通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)對(duì)接不同種類的設(shè)備采集數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出工具提供第三方數(shù)據(jù)入庫，通過ETL工具完成不同數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換，從大壩、水庫等系統(tǒng)或傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1.2云存儲(chǔ)

提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隔離、可用性管理、配額管理，元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分類審計(jì)等數(shù)據(jù)治理功能，系統(tǒng)能水平擴(kuò)展。

3.1.3云計(jì)算

按用戶、作業(yè)種類進(jìn)行資源分配、資源調(diào)度，提供用戶和計(jì)算作業(yè)隔離，可視化作業(yè)執(zhí)行狀況。

3.1.4云平臺(tái)服務(wù)

為上層提供基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)能力、平臺(tái)級(jí)別的身份認(rèn)證、訪問控制和業(yè)務(wù)隔離功能。

3.1.5云服務(wù)

通過Restful API方式對(duì)外提供統(tǒng)一查詢接口，支持接入基于平臺(tái)規(guī)范的第三方微服務(wù)來對(duì)平臺(tái)進(jìn)行插件式業(yè)務(wù)擴(kuò)展。提供綜合查詢、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、分析評(píng)估、運(yùn)行管理以及應(yīng)急響應(yīng)等業(yè)務(wù)功能。

圖2 系統(tǒng)的云架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.6云平臺(tái)管理

集成了平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)維功能、平臺(tái)信息安全管控、平臺(tái)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(shù)據(jù)訪問授權(quán)和審計(jì)功能，提供細(xì)粒度的數(shù)據(jù)訪問控制，提供加密存儲(chǔ)功能，對(duì)敏感數(shù)據(jù)提供脫敏訪問。

3.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的源點(diǎn)主要包括兩部分：一是庫壩監(jiān)測(cè)設(shè)施采集的水雨情、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻圖像以及人工巡檢記錄等數(shù)據(jù)；二是從氣象部門獲取的氣象信息。以上各部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于Restful實(shí)現(xiàn)微服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上的隔離，可以做到獨(dú)立部署和運(yùn)行。目前，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了綜合查詢、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、分析評(píng)估、運(yùn)行管理以及應(yīng)急響應(yīng)功能。

4.1 綜合查詢

通過GIS地圖、列表等方式，系統(tǒng)的各級(jí)用戶可以根據(jù)相應(yīng)的權(quán)限，自定義模糊查詢所管理范圍內(nèi)庫壩的基本信息。庫壩一張圖基于地理信息服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)縮放、移動(dòng)、圖層篩選等可視化查詢。

4.2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

庫壩監(jiān)測(cè)監(jiān)控的內(nèi)容主要包括水情監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、閘門監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控以等，監(jiān)測(cè)方式包括人工監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

系統(tǒng)在防汛統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺(tái)提供的GIS支撐服務(wù)基礎(chǔ)上，通過地圖標(biāo)注、圖表等直觀方式對(duì)水雨情、閘門、視頻、大壩變形、滲流壓力、滲流量等的實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警等，使各級(jí)單位可在自己權(quán)限范圍內(nèi)全面了解庫壩運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 分析評(píng)估

應(yīng)用閾值法、異常數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析等算法，對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)視采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整編分析，通過結(jié)構(gòu)分析、滲流分析以及綜合分析判斷大壩安全狀況；結(jié)合水利工程風(fēng)險(xiǎn)管理方法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)規(guī)范庫壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并可按照預(yù)定義規(guī)則對(duì)以上過程中的異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警和警報(bào)。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程圖

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

監(jiān)測(cè)資料分析包括數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、異常數(shù)據(jù)處理、時(shí)序分析和相關(guān)分析等。安全分析包括變形分析、滲流分析。

4.4 運(yùn)行管理

運(yùn)行管理涵蓋水利工程日常運(yùn)行維護(hù)業(yè)務(wù)，分為巡檢、維修養(yǎng)護(hù)、調(diào)度管理、單元化管理等功能模塊。

巡視檢查實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)劃、人員、記錄統(tǒng)計(jì)的管理功能。維修養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃編制、上報(bào)、審批和記錄功能。調(diào)度實(shí)現(xiàn)方案的輸入、查詢并能跟蹤方案執(zhí)行情況。單元化管理提供安全單元?jiǎng)澐?、上?bào)、安全處理、狀態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)分析功能。

4.5 應(yīng)急響應(yīng)

應(yīng)急響應(yīng)的基礎(chǔ)是庫壩管理單位編制的應(yīng)急預(yù)案，系統(tǒng)提供應(yīng)急預(yù)案的查詢功能、與應(yīng)急資源的對(duì)接功能?；贕IS技術(shù)，態(tài)勢(shì)一張圖能實(shí)時(shí)展示事件狀況和運(yùn)行狀態(tài)等，系統(tǒng)還提供應(yīng)急信息的接收和發(fā)布、事件管理和指揮調(diào)度功能。

5 結(jié)語

基于云架構(gòu)技術(shù)的大壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析評(píng)價(jià)、遠(yuǎn)程操控等統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享利用、數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析評(píng)價(jià)，較好地解決了大壩地域范圍廣、測(cè)點(diǎn)繁雜，系統(tǒng)難以集中管理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析不到位、預(yù)警不及時(shí)等問題，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)工作規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，為大壩安全管理提供輔助決策支持，為實(shí)現(xiàn)減員增效提供技術(shù)支撐。