袁明道 ，徐云乾 ，史永勝 ，張旭輝 ，潘展釗 ，楊文濱 ，夏 甜

（1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣東 廣州 510635；3. 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635）

0 引言

目前，在公路、國土、電力、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等行業(yè)中巡查系統(tǒng)的應(yīng)用較為成熟普遍[1-9]，我國已經(jīng)有部分地區(qū)研發(fā)了一些水利行業(yè)巡查系統(tǒng)，多用在防洪減災(zāi)、水政執(zhí)法方面。在美國，大壩安全巡查制度在聯(lián)邦一級機(jī)構(gòu)田納西河流域管理局（TVA）所管轄的大壩中應(yīng)用已經(jīng)較為普遍。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1954—2006 年間，全國各類水庫垮壩失事 3 496 座，其中小型水庫 3 370 座，占垮壩失事總數(shù)的 96.4% 以上[10]；通過巡視檢查發(fā)現(xiàn)，大壩重大安全隱患約占出險(xiǎn)水庫總數(shù)的 70%[11]。近年來“6.27”從化區(qū)魚洞水庫險(xiǎn)情[12]等工程險(xiǎn)情的發(fā)生，進(jìn)一步說明了規(guī)范和強(qiáng)化水利工程巡查工作的迫切性。但目前針對小型水庫大壩巡查管理的巡查系統(tǒng)還較少，且存在多平臺化、數(shù)據(jù)離散化，缺乏巡查統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，易用性不高等缺陷[13-14]。

廣東省目前登記注冊的小型水庫數(shù)量為 7 676 座，占廣東省水庫數(shù)量的 95.54%，占全國水庫數(shù)量的9.64%。這些水庫多數(shù)為 20 世紀(jì)六七十年代修建，分布在全省 21 個(gè)地級市、118 個(gè)縣（市、區(qū)）、約1 100 個(gè)鎮(zhèn)，這些水庫分散，管理難度大，且普遍具有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低下，現(xiàn)場安全管理水平低，基礎(chǔ)資料少等缺點(diǎn)，與現(xiàn)代水利工程規(guī)范化、精細(xì)化的管理要求尚有差距。

更重要的是，處于亞熱帶且有著漫長海岸線的廣東省的每一座小型水庫都要經(jīng)過每年的汛期臺風(fēng)、洪水的考驗(yàn)，以及生物危害，筑壩材料自然老化等，如何盡快實(shí)現(xiàn)小型水庫安全現(xiàn)狀全面感知及診斷始終是廣東省防災(zāi)減災(zāi)的中心工作。

在目前工程管理模式下，廣東省水庫大壩巡查存在巡查到位率低，巡查人員專業(yè)知識匱乏，發(fā)現(xiàn)問題不及時(shí)等特點(diǎn)，小型水庫大壩巡查系統(tǒng)（以下簡稱巡查系統(tǒng)）的建設(shè)是廣東省水利工程管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、制度化建設(shè)的迫切需求。為此以廣東省小型水庫為例，討論基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的巡查系統(tǒng)的建設(shè)，以期達(dá)到明確巡壩查險(xiǎn)的工作責(zé)任、內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)等，有效解決巡視檢查的到位率、規(guī)范化、及時(shí)性等問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程安全隱患，采取有效措施，降低出險(xiǎn)造成的損失和危害。

1 巡查系統(tǒng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程

1.1 巡查系統(tǒng)架構(gòu)

小型水庫巡查管理系統(tǒng)涉及信息采集、傳輸、存儲、標(biāo)準(zhǔn)與管理、應(yīng)用和服務(wù)等，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)水庫巡查各種數(shù)據(jù)的整合、各種分析方法的融合，以及資料信息的共享、展示、推送服務(wù)。

巡查系統(tǒng)采用“一個(gè)登錄門戶，分級權(quán)限管理”的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)，其中水庫大壩巡查管理平臺采用 Java EE 進(jìn)行開發(fā)，移動(dòng)巡查終端基于Android/iOS 操作系統(tǒng)開發(fā)。

小型水庫巡查管理系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)包括信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、資源共享服務(wù)平臺、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺 4 個(gè)層次，總體架構(gòu)如圖 1 所示，分別對應(yīng)新時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng) + 水利”透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、智慧應(yīng)用 4 個(gè)需求，分述如下：

1）信息采集層。信息采集系統(tǒng)是整個(gè)巡查系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，巡查責(zé)任人通過移動(dòng)巡查終端（移動(dòng)App 及微信公眾號）采集水文數(shù)據(jù)、水工建筑物圖片/視頻信息、隱患問題實(shí)時(shí)描述等，第一時(shí)間獲取工程運(yùn)行信息，強(qiáng)化工程運(yùn)行管理，為逐步提高工程巡查管理水平創(chuàng)造條件。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。充分依托水利專網(wǎng)或政務(wù)內(nèi)外網(wǎng)等現(xiàn)有資源，建設(shè)滿足小型水庫大壩巡查管理平臺需求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將巡查和預(yù)警等信息實(shí)時(shí)、安全地在水利云/政務(wù)云及各級責(zé)任人終端之間雙向同步傳輸。

3）資源共享層。資源共享服務(wù)平臺是巡查系統(tǒng)建設(shè)的核心內(nèi)容，包括軟硬件基礎(chǔ)平臺、地理信息系統(tǒng)和水庫大壩管理綜合數(shù)據(jù)庫 3 個(gè)部分，為采集到的各類巡查數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)計(jì)分析及展示等。

4）綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用層。綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，以專業(yè)應(yīng)用為主體，完成對水庫大壩巡查業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測、決策、執(zhí)行和反饋，形成巡查業(yè)務(wù)閉環(huán)。同時(shí)建立巡查知識庫，包含隱患-措施、案例-措施等數(shù)據(jù)庫及專家實(shí)時(shí)連線診斷等。

1.2 業(yè)務(wù)流程

小型水庫大壩巡查系統(tǒng)基于統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)，所有業(yè)務(wù)功能均在空間地理信息系統(tǒng)上進(jìn)行展示和整合；采用統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)庫，所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均自動(dòng)上傳到云端進(jìn)行存儲、共享、服務(wù)、管理和應(yīng)用決策；根據(jù)業(yè)務(wù)流程分為省、地市、縣三級平臺，并根據(jù)三級平臺賦予行政、技術(shù)、巡查等責(zé)任人不同的登錄管理，以及消息推送和信息展示權(quán)限，巡查系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖 2 所示。小型水庫大壩巡查系統(tǒng)包括巡查計(jì)劃、線路、執(zhí)行的管理，巡查、問題的記錄，巡查分析，問題整改復(fù)查等全流程的檢查管理環(huán)節(jié)，主要有以下 2 個(gè)部分：

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及流程

1）巡查終端（App 或微信公眾號）。通過 3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi，將巡查過程中的數(shù)據(jù)、文本、圖片或視頻發(fā)送到巡查管理平臺。在部分沒有移動(dòng)通訊信號的山區(qū)水庫，可以通過終端 App 暫存到本地，待接收到數(shù)據(jù)信號后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。

2）巡查管理平臺。巡查管理平臺軟件位于政務(wù)云信息中心的具有互聯(lián)網(wǎng)固定 IP 的服務(wù)器上，功能是接收巡查終端發(fā)送的各類信息，整編，入庫，展示，并根據(jù)需要發(fā)送信息到各巡查終端。

圖 2 巡查系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2 巡查系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 巡查管理平臺功能實(shí)現(xiàn)

巡查管理平臺的核心功能是實(shí)現(xiàn)水庫大壩基礎(chǔ)工程資料，以及巡查人員、任務(wù)、路線的維護(hù)和管理，主要功能及模塊如圖 3 所示。主要功能描述如下：

1）水庫大壩管理。實(shí)現(xiàn)水庫大壩的行政區(qū)域、名稱、規(guī)模、坐標(biāo)、地理位置、工程圖紙、庫區(qū)建筑物等的維護(hù)和管理。

2）水庫大壩責(zé)任人管理。實(shí)現(xiàn)水庫大壩行政、技術(shù)、巡查等責(zé)任人的管理。

圖 3 管理平臺端架構(gòu)

3）巡查線路管理。設(shè)置并維護(hù)各個(gè)水庫各類水工建筑物的巡查線路。

4）巡查任務(wù)管理。對日常巡查、定期檢查、特別檢查 3 類巡查任務(wù)進(jìn)行管理和派發(fā)。

5）巡查結(jié)果查詢。按照水工建筑物排列方式，以表格形式統(tǒng)計(jì)每次巡查的現(xiàn)場情況。

6）巡查軌跡查詢。根據(jù)巡查線路 GPS 坐標(biāo)，將每次巡查任務(wù)的軌跡在地圖上連接成線路并顯示。

7）隱患查詢。根據(jù)不同的管理權(quán)限，進(jìn)行隱患的忽略、合并、對比、上報(bào)、整改、復(fù)查回放、關(guān)閉等操作，險(xiǎn)情信息可自動(dòng)通過微信和短信推送至相關(guān)負(fù)責(zé)人。

8）知識庫管理。包含方法隱患-措施庫、案例庫等管理模塊，對存在問題提供技術(shù)指引。

9）系統(tǒng)管理。賦予不同級別管理權(quán)限，全面實(shí)現(xiàn)分級管理功能，其中平臺最高權(quán)限具有制定規(guī)范管理標(biāo)準(zhǔn)，分配各級用戶角色使用權(quán)限，派發(fā)及監(jiān)督巡查任務(wù)，創(chuàng)建及維護(hù)平臺知識庫，提供技術(shù)指引與解決措施建議等功能。

2.2 巡查終端功能實(shí)現(xiàn)

巡查終端功能分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫同步、任務(wù)下載、開始巡查、任務(wù)上傳、隱患跟蹤等，巡查終端界面示例如圖 4 所示。巡查員可以通過終端 App 或微信公眾號進(jìn)行登錄巡查，App 基于 Android/iOS 移動(dòng)操作系統(tǒng)開發(fā)，微信端基于公眾號鏈接，微信端增加了系統(tǒng)的易用性和推廣性。主要功能描述如下：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)同步?；?GPS 定位，自動(dòng)定位巡查人員和水庫的位置、線路。

2）任務(wù)下載。根據(jù)《廣東省水利工程巡查細(xì)則》[15]規(guī)定的巡查頻次、部位等，提供并優(yōu)化巡查路線，給予巡查人員最為專業(yè)和便捷的現(xiàn)場指導(dǎo)。

3）開始巡查。每個(gè)巡查建筑物的檢查項(xiàng)結(jié)果分為正常、各部位問題、其它險(xiǎn)情 3 種情況，可以以文字、圖片、短視頻的方式上傳到管理平臺，同時(shí)現(xiàn)場會(huì)自動(dòng)根據(jù)云端的專家知識庫提供排除隱患的指導(dǎo)。

4）任務(wù)上傳。發(fā)現(xiàn)明顯異常險(xiǎn)情時(shí)，可拍攝現(xiàn)場圖片上傳，將報(bào)警信息直接上報(bào)到管理平臺，并自動(dòng)通知相關(guān)責(zé)任人員。在通信信號較差的地區(qū)，可將巡查數(shù)據(jù)暫存，待通信信號恢復(fù)后自行上傳。

5）隱患跟蹤。在隱患整改過程中，或整改完成后，可進(jìn)行隱患復(fù)查并上報(bào)銷號。

圖 4 巡查終端界面示例

3 結(jié)語

水庫大壩人工巡查在當(dāng)前是不可替代的，特別是沒有加固，不能正常蓄水的病險(xiǎn)水庫，利用水庫大壩巡查管理系統(tǒng)能夠明確水庫大壩的巡查部位、頻次和路線，規(guī)范巡查行為，及時(shí)了解跟進(jìn)和排除安全隱患，進(jìn)一步落實(shí)水利工程巡查責(zé)任制，全面細(xì)化工程巡查管理制度，進(jìn)一步提升管理標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化水平。

在使用過程中也發(fā)現(xiàn)一些亟待解決的問題，如不同品牌和配置的智能終端的 GPS 芯片位置解算和CPU 計(jì)算能力、大壩現(xiàn)場通信信號等都制約著巡查系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣使用。統(tǒng)一配發(fā)定制終端能夠解決當(dāng)前問題，但并非一勞永逸，與目前基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的水庫大壩人工巡查相比，基于智能圖像識別技術(shù)的多源機(jī)器視覺的無人機(jī)水庫大壩巡查技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r(jià)值。