英德市小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

高月明 陳希謠 李梓嵐 廣東華南水電高新技術(shù)開發(fā)有限公司

英德市地處廣東省清遠(yuǎn)市，位于北緯23°50′31″～ 24°33′11″，東經(jīng)112°45′15″～ 113°55′38″，水資源豐富，全市多年平均降水量1900毫米，現(xiàn)有小型水庫123宗。英德市小型水庫雨水情測報(bào)的建設(shè)工作尚未完善，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)仍處于起步階段，無法為小型水庫的運(yùn)行管理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)作為英德市防洪體系中的薄弱環(huán)節(jié)，亟需補(bǔ)齊短板。

1.建設(shè)現(xiàn)狀

（1）雨水情測報(bào)設(shè)施。水雨情圖像監(jiān)測方面，英德市目前有110宗小型水庫完成建設(shè)，其中部分水庫的水雨情圖像監(jiān)測站由于管理不當(dāng)不能正常運(yùn)行；視頻圖像監(jiān)視設(shè)施方面，目前建設(shè)現(xiàn)狀無法滿足廣東省的建設(shè)要求，總體情況較為落后。

（2）大壩安全監(jiān)測設(shè)施。目前英德市僅有10宗小型水庫完成滲流量監(jiān)測站，小型水庫滲流壓力、表面位移等大壩安全監(jiān)測方面仍未開展建設(shè)工作，僅依靠傳統(tǒng)的人工觀測方式進(jìn)行管理，安全隱患難以發(fā)現(xiàn)。

（3）水庫動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)。英德市現(xiàn)有水庫動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)軟件目前僅實(shí)現(xiàn)了對水庫水位、降雨量、實(shí)時(shí)現(xiàn)場圖像等信息的管理、查詢、顯示及預(yù)警等功能，而對于大壩安全監(jiān)測信息則無相關(guān)智能應(yīng)用，無法對擬建設(shè)大壩安全監(jiān)測設(shè)施水庫的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)現(xiàn)大壩安全隱患預(yù)警。

2.建設(shè)目標(biāo)

2.1 建設(shè)原則

①需求牽引、統(tǒng)籌考慮。圍繞小型水庫安全運(yùn)行管理對信息感知處理需求，合理選擇監(jiān)測要素、通信方式和預(yù)警方式，兼顧小型水庫信息管理、調(diào)度決策、運(yùn)行管理等功能要求，整體設(shè)計(jì)，提出支撐小型水庫全生命周期管理的綜合解決方案。

②因地制宜、整合共享。因地制宜提出小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)方案，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫等水利信息化資源和水文水資源監(jiān)測設(shè)施，實(shí)現(xiàn)與相關(guān)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，推進(jìn)建立小型水庫監(jiān)測預(yù)警信息共享機(jī)制。

③銜接配套、實(shí)用安全。小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)解決方案應(yīng)與小型水庫安全管理模式相適應(yīng)，與水庫應(yīng)急預(yù)案、防洪調(diào)度監(jiān)測銜接，與水庫日常管理要求相配套，具備必要的網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)功能。

2.2 建設(shè)目標(biāo)

緊緊圍繞水庫管理現(xiàn)代化的需求，在英德市現(xiàn)有小型水庫監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，充分利用智能傳感設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)新手段，逐步完善英德市123宗小型水庫水雨情監(jiān)測和大壩安全監(jiān)測設(shè)施，推動(dòng)小型水庫監(jiān)測預(yù)警能力提升，逐步建立雨水情、工情的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、定期分析、自動(dòng)預(yù)警相結(jié)合的現(xiàn)代化監(jiān)測預(yù)警體系，為水庫安全鑒定、除險(xiǎn)加固方案制定和防汛指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為水庫安全管理發(fā)揮實(shí)效。

2.3 建設(shè)內(nèi)容

英德市小型水庫監(jiān)測設(shè)施建設(shè)主要分為小型水庫雨水情、大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)施建設(shè)兩部分。小型水庫雨水情監(jiān)測建設(shè)主要包括水雨情視頻監(jiān)控站、壩背視頻監(jiān)控站、溢洪道視頻監(jiān)控站、溢洪道視頻監(jiān)控站等的新建工作，已建 “三要素”監(jiān)測站的升級(jí)改造工作及溢洪道泄流能力分析等輔助項(xiàng)目工作；大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測建設(shè)包括、滲流壓力監(jiān)測設(shè)施、表面變形監(jiān)測設(shè)施等建設(shè)工作及水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)軟件、信息匯集與共享服務(wù)平臺(tái)軟件開發(fā)等輔助項(xiàng)目工作。

3.建設(shè)方案

3.1 總體架構(gòu)

本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的應(yīng)用，從水庫管理的實(shí)際需求出發(fā)，建設(shè)了涵蓋雨水情測報(bào)、大壩安全監(jiān)測設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集和匯集應(yīng)用的水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了英德市小型水庫實(shí)時(shí)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、共享、分析及預(yù)警等，為指揮決策提供科學(xué)依據(jù)和現(xiàn)代化手段，提高水庫防汛搶險(xiǎn)的效率和效能。

英德市小型水庫監(jiān)測設(shè)施建設(shè)采用三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中信息采集作為系統(tǒng)的基本組成部分，通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，提供其系統(tǒng)信息傳輸通道，也是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)；其用戶層主要是為不同對象服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的目的和核心。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.1.1 采集層

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集水庫的庫水位、降雨量、視頻圖像、大壩安全等信息，物聯(lián)網(wǎng)終端存儲(chǔ)、加密后實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)送到管理部門的服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)終端必須同時(shí)兼容多種信道傳輸，如4G網(wǎng)絡(luò)等。

3.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)接收入庫服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，必須能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地處理、解析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且在大量終端（3000數(shù)量級(jí)以上）并發(fā)傳輸時(shí)依然能夠保證期性能不出現(xiàn)明顯下降。數(shù)據(jù)共享服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)的信息共享。

3.1.3 應(yīng)用體系

1）支撐層：主要包括應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行所必須的支撐服務(wù)。主要有Web應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、AI模型等。

2）應(yīng)用層：包括水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)的Web應(yīng)用、Web服務(wù)以及移動(dòng)端應(yīng)用。在此系統(tǒng)中可以監(jiān)測、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)水庫大壩的運(yùn)行狀況等信息。Web服務(wù)主要是對外提供數(shù)據(jù)接口，供其它應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，以無縫接入到其它系統(tǒng)中去。保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性。

3）用戶層：用戶主要有兩類。一是管理人員，包括水庫管理所、各級(jí)水利部門相關(guān)管理人員，具有管理權(quán)限；二是其它應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過Web服務(wù)調(diào)用、抽取水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4）應(yīng)用終端：用戶可通過應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備、PC、大屏、打印機(jī)等終端訪問系統(tǒng)。

3.2 信息采集傳輸系統(tǒng)

信息采集傳輸系統(tǒng)由水位計(jì)、雨量計(jì)、視頻攝像頭、量水堰計(jì)、滲壓計(jì)、GNSS接收機(jī)等部件組成。采集系統(tǒng)采集水庫現(xiàn)場的水位、雨量、視頻、滲流量、滲流壓力、表面位移等信息，經(jīng)過加密后通過無線傳輸模塊（4G）將實(shí)時(shí)信息傳送到服務(wù)器。

3.2.1 監(jiān)測站網(wǎng)選定

本項(xiàng)目監(jiān)測項(xiàng)目類型及監(jiān)測站點(diǎn)選址嚴(yán)格按照《廣東省小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行技術(shù)指南（試行）》的要求進(jìn)行建設(shè)。

3.2.2 水雨情視頻監(jiān)控站

水雨情視頻監(jiān)控站的建設(shè)要點(diǎn)是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的庫水位、降水量、視頻等數(shù)據(jù)的采集與處理，按照設(shè)定的工作方式、時(shí)間間隔、增量范圍將數(shù)據(jù)傳送服務(wù)器端。

水雨情視頻監(jiān)控站可通過現(xiàn)場設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)傳輸和召測應(yīng)答傳輸。監(jiān)控站具備視頻實(shí)時(shí)查看和圖片定時(shí)推送的功能，可通過設(shè)置預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)抓拍。視頻監(jiān)視設(shè)備具備自動(dòng)連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)功能，且存儲(chǔ)時(shí)間不少于15天。

3.2.3 原有“三要素”監(jiān)測站升級(jí)改造

將水庫已建水雨情圖像站（“三要素”監(jiān)測站）升級(jí)改造為水雨情全天候視頻監(jiān)控站。改造升級(jí)工作主要為加裝視頻攝像頭模塊、升級(jí)4G網(wǎng)絡(luò)通信，由各類傳感器采集到的水庫實(shí)時(shí)雨水情、現(xiàn)場視頻圖像數(shù)據(jù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，再由互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)叫畔C(jī)房的服務(wù)器進(jìn)行查看或存儲(chǔ)管理。升級(jí)改造后的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入新建平臺(tái)。

3.2.4 壩背召測式視頻監(jiān)控

壩背召測式視頻監(jiān)控站的主要功能是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的視頻圖像采集傳輸，對水庫背水坡等現(xiàn)場情況進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)視。

壩背召測式視頻監(jiān)控站具備現(xiàn)場設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能，遠(yuǎn)程監(jiān)視具備視頻實(shí)時(shí)查看和圖片定時(shí)推送功能；視頻攝像頭拍攝錄像功能通過應(yīng)答模式實(shí)現(xiàn)，在相關(guān)人員需要查看現(xiàn)場情況時(shí)才開啟視頻攝像頭網(wǎng)絡(luò)連接。

3.2.5 溢洪道全天候視頻監(jiān)控站

溢洪道全天候視頻監(jiān)控站的主要功能是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的視頻圖像采集傳輸，對水庫溢洪道進(jìn)水渠及控制段等部位現(xiàn)場情況進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)視。

溢洪道全天候視頻監(jiān)控通過現(xiàn)場設(shè)置及遠(yuǎn)程控制，可定時(shí)或?qū)崟r(shí)查看定點(diǎn)監(jiān)控情況，視頻監(jiān)視設(shè)備具備自動(dòng)連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)功能。設(shè)備供電采用太陽能電池板向蓄電池浮充的供電方式，能保證連續(xù)15天以上陰雨天氣正常工作。

3.2.6 滲流量監(jiān)測

在水庫大壩背水坡集滲渠末端量水堰上游位置安裝滲流量監(jiān)測設(shè)備，采用量水堰計(jì)監(jiān)測滲流水位，利用水位法，即量水堰與水位監(jiān)測結(jié)合的方式監(jiān)測滲流水流量，測量數(shù)據(jù)通過低功耗無線數(shù)據(jù)采集儀傳到水雨情視頻監(jiān)控站的物聯(lián)網(wǎng)終端，再由物聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一打包上傳到服務(wù)器。

通過現(xiàn)場設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能，由自動(dòng)傳輸和召測應(yīng)答相結(jié)合的測量頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸；遇特殊情況時(shí)，可提供滲流量數(shù)據(jù)監(jiān)測密度智能調(diào)整功能。

3.2.7 滲流壓力監(jiān)測

在水庫大壩背水坡安裝滲壓觀測，采用滲壓計(jì)監(jiān)測滲壓浸潤線，測量數(shù)據(jù)通過低功耗無線數(shù)傳模塊傳到壩前水雨情視頻監(jiān)控站的物聯(lián)網(wǎng)終端，再由物聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一打包上傳到服務(wù)器。

通過現(xiàn)場設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能，由自動(dòng)傳輸和召測應(yīng)答相結(jié)合的測量頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，同時(shí)可提供滲流壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測密度智能調(diào)整功能。

3.2.8 表面變形監(jiān)測

大壩變形監(jiān)測采用當(dāng)前技術(shù)成熟的GNSS設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，包括水平位移和垂直位移。每套完整的監(jiān)測由監(jiān)測站和基準(zhǔn)站組成。GNSS由GNSS主機(jī)+天線組成，設(shè)備通過捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收北斗/GPS信號(hào)并將它變換、放大和處理，測量信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)以計(jì)算坐標(biāo)、時(shí)間。統(tǒng)一將數(shù)據(jù)接收入庫，通過解算軟件將數(shù)據(jù)解析后，可在平臺(tái)上直觀的展示。

3.2.9 水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置及高程坐標(biāo)復(fù)核

由于英德市123宗小型水庫站點(diǎn)大部分由于年代久遠(yuǎn)，缺乏準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)，導(dǎo)致站點(diǎn)監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)高程參考不一，使水位數(shù)據(jù)失去了可比性，因此本次項(xiàng)目對此次建設(shè)的所有站點(diǎn)進(jìn)行高程測量。同時(shí)，以新設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)為基點(diǎn)，在控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，設(shè)置好全站儀儀器高度，對水準(zhǔn)點(diǎn)高程與水庫工程特性值進(jìn)行引測復(fù)核。

3.2.10 溢洪道泄流能力分析

項(xiàng)目通過對英德市123宗小型水庫泄流能力分析，按照溢洪道和溢洪洞的泄流能力公式和庫容曲線的計(jì)算，得出小型水庫的蓄泄曲線。水庫管理單位可通過水頭變化，按照蓄泄曲線判斷水庫調(diào)洪調(diào)度水量，為小型水庫安全運(yùn)行、調(diào)洪調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.3 信息匯集與共享服務(wù)平臺(tái)

信息匯集與共享服務(wù)平臺(tái)由感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)組成，其中，感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)采用多線程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收處理，可同時(shí)接收多臺(tái)信息采集終端（即多個(gè)水庫）傳來的數(shù)據(jù)，保證前端測站采集到的數(shù)據(jù)接收及時(shí)，形成完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，并自動(dòng)存入后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)授權(quán)，實(shí)時(shí)地將信息轉(zhuǎn)發(fā)至其他服務(wù)器，以供多級(jí)部門分別共享實(shí)時(shí)信息。

3.3.1 感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)

感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在總體上可以分為初始化（配置讀?。┠K、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、線程管理調(diào)度模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等（見圖2）。

圖2 感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

初始化（配置讀取）模塊負(fù)責(zé)讀取配置，初始化全局變量，創(chuàng)建Socket并打開端口等。

數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存放到緩存中，調(diào)用線程管理模塊來分配這些數(shù)據(jù)的處理工作。

線程管理調(diào)度模塊負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)分配給合適的數(shù)據(jù)處理線程去處理，并跟蹤處理的結(jié)果，對數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行管理。

數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理接收到的數(shù)據(jù)包，并將處理結(jié)果返回給線程管理調(diào)度模塊。

3.3.2 數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)

考慮到與省級(jí)監(jiān)測平臺(tái)及其他水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接共享的需求，數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)可提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)對接其他信息化工程。

1）數(shù)據(jù)層共享。可以將設(shè)備發(fā)送回來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其它信息化工程前置機(jī)中，并解析保存到中間庫供其它信息化工程使用。

2）應(yīng)用層共享。提供數(shù)據(jù)共享WebService服務(wù)，其它信息化工程合法通過驗(yàn)證后可根據(jù)自己需要獲取其數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)提供接口的主要作用是將水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)的實(shí)時(shí)水雨情、大壩安全等數(shù)據(jù)提供給其他系統(tǒng)接入。為了避免接口萬一出現(xiàn)問題而影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也避免其他系統(tǒng)修改本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的低耦合性，數(shù)據(jù)提供接口采用中間庫的方式。中間庫的實(shí)時(shí)水雨情、大壩安全等數(shù)據(jù)表字段采用水利部標(biāo)準(zhǔn)庫的字段。其他系統(tǒng)從中間庫獲取數(shù)據(jù)接入到自身的系統(tǒng)中去（見圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)共享流程示意圖

3.4 水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)軟件

水庫大壩安全監(jiān)測平臺(tái)包括八個(gè)模塊，分別是綜合分析、地圖監(jiān)視、實(shí)施監(jiān)視、查詢統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測預(yù)警、智能分析、報(bào)表庫、系統(tǒng)管理等，這些模塊共同完成相應(yīng)的監(jiān)視和信息展示、分析的功能，系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

用戶能通過瀏覽器查看本地區(qū)所有水庫的運(yùn)行情況，也可以查看單個(gè)水庫的各類信息，如水位、雨量、視頻、大壩安全等；同時(shí)，在基于B/S的三維地圖上可以清楚的看到各水庫的地理位置及周圍地理環(huán)境；水庫一旦出現(xiàn)問題，達(dá)到預(yù)警條件（如水位超過防汛限制水位或低于死水位）系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，并會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。

4.結(jié)語

英德市小型水庫眾多，為強(qiáng)化英德市小型水庫運(yùn)行管理，進(jìn)一步解決水庫安全突出問題，迫切需要開展小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)工作。通過小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)，能夠有力推進(jìn)英德市小型水庫規(guī)范設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理，提升信息化管理水平，為落實(shí)水庫預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案措施提供技術(shù)支撐，保障英德市小型水庫系統(tǒng)安全長效運(yùn)行。