譚 界 雄高 大 水楊 明 化胡 林

(1．國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 2．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 3. 重慶市開(kāi)州區(qū)水務(wù)局, 重慶 500234)

我國(guó)是水利大國(guó)，已建設(shè)水庫(kù)9.8萬(wàn)座，居世界第一[1]。但我國(guó)水庫(kù)存在先天不足、后天失調(diào)的問(wèn)題，為工程的安全運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)[2]。針對(duì)水庫(kù)存在點(diǎn)多面廣量大的突出特點(diǎn)，如何保障水庫(kù)安全運(yùn)行，發(fā)揮工程效益，一直是水利人探索的主要議題。近年來(lái)，極端天氣等因素時(shí)有發(fā)生，2018年出現(xiàn)了內(nèi)蒙古增隆昌水庫(kù)副壩決口、新疆射月溝水庫(kù)潰壩、湖北東方山水庫(kù)滲漏險(xiǎn)情等安全問(wèn)題，引起了廣泛的社會(huì)關(guān)注，水庫(kù)尤其是小型水庫(kù)的整體安全形勢(shì)仍不樂(lè)觀。

解決水庫(kù)管理面臨的難題，需要工程措施和非工程措施并舉，管理思路、管理模式以及管理手段均需突破傳統(tǒng)，加強(qiáng)創(chuàng)新。近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，為解決水庫(kù)的安全運(yùn)行提供了新的思路。目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者開(kāi)展了水利工程建設(shè)管理云平臺(tái)等相關(guān)研究，并取得了較好的效果[3-6]。本文提出一種基于云服務(wù)的安全管理設(shè)施建設(shè)+運(yùn)維技術(shù)服務(wù)的模式開(kāi)展水庫(kù)大壩安全管理信息化建設(shè)的整體技術(shù)方案，可解決目前信息化建設(shè)及運(yùn)維中存在的主要難題。

1 現(xiàn)狀及需求

1.1 水庫(kù)安全管理設(shè)施及信息化現(xiàn)狀

為掌握水庫(kù)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，水庫(kù)管理單位及主管部門根據(jù)職責(zé)和定位，分別建設(shè)了安全管理設(shè)施及信息化管理軟件[7-10]。根據(jù)調(diào)研分析，目前水庫(kù)信息化建設(shè)及運(yùn)行管理中普通存在以下問(wèn)題。

(1) 水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的信息化管理設(shè)施完好率較低，主要是因設(shè)備老化、運(yùn)維經(jīng)費(fèi)不到位等多種因素致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)[11]。

(2) 信息管理系統(tǒng)低水平重復(fù)建設(shè)問(wèn)題較廣泛。各個(gè)水庫(kù)分散建設(shè)，通用性、擴(kuò)展性差，而且每個(gè)水庫(kù)不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)均需配置多臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件，造成基礎(chǔ)資源投入大[12]。

(3) 數(shù)據(jù)可靠性較差，整合難度大。從事水庫(kù)信息化開(kāi)發(fā)的單位較多，水平參差不齊，數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性無(wú)法保障，且存在運(yùn)行維護(hù)服務(wù)跟不上等問(wèn)題。

(4) 水庫(kù)管理單位專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量有限、業(yè)務(wù)能力不足，尤其缺乏信息化等專業(yè)人員，往往不能開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)分析、預(yù)報(bào)調(diào)度方案制作等，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建成之后往往不能發(fā)揮預(yù)期作用。

(5) 小型水庫(kù)的監(jiān)測(cè)設(shè)施自動(dòng)化程度化低。一般僅建設(shè)了水位標(biāo)尺，汛期要依靠現(xiàn)場(chǎng)的巡查人員觀測(cè)后上報(bào)給主管部門，其時(shí)效性和準(zhǔn)確性均較差。

1.2 水庫(kù)安全管理信息化的主要需求

目前水庫(kù)管理單位及水行政主管部門急需基于現(xiàn)有水庫(kù)大壩安全管理設(shè)施及信息化系統(tǒng)，進(jìn)一步完善水庫(kù)大壩的安全管理和運(yùn)維體系。

1.2.1水庫(kù)管理單位

按照現(xiàn)行規(guī)范要求，開(kāi)展水庫(kù)各類監(jiān)測(cè)、監(jiān)視等安全管理設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容包括：變形、滲流、應(yīng)力、環(huán)境量、視頻/圖像、通訊網(wǎng)絡(luò)等，每個(gè)水庫(kù)的實(shí)際建設(shè)內(nèi)容可根據(jù)現(xiàn)狀而定。

為保障建成的安全管理設(shè)施能正常運(yùn)行，需要按時(shí)、按需開(kāi)展運(yùn)行維護(hù)工作，包括定期檢查監(jiān)測(cè)設(shè)備工作與運(yùn)行狀況，監(jiān)測(cè)儀器保養(yǎng)、率定，自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)人工比測(cè)等。

為掌握大壩的運(yùn)行性態(tài)，滿足科學(xué)調(diào)度需要，水庫(kù)管理單位開(kāi)展巡視檢查資料、儀器監(jiān)測(cè)資料整編與分析，編制/修編水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃，水庫(kù)應(yīng)急預(yù)案等。

1.2.2水庫(kù)主管部門

水庫(kù)主管部門往往管轄多個(gè)水庫(kù)，包括不同規(guī)模、不同壩型的水庫(kù)，其管理工作十分復(fù)雜。為及時(shí)掌握各個(gè)水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，特別是在汛期及水庫(kù)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，需要將各個(gè)水庫(kù)的水位、雨量、流量等水情資料，滲流、變形等大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水庫(kù)巡視檢查資料，視頻或圖像等管理信息的統(tǒng)一聚合、共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)所管轄水庫(kù)的統(tǒng)一監(jiān)管。

2 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)水庫(kù)管理單位及其主管部門的安全管理信息化需求及現(xiàn)狀，在充分利用原有信息資源的基礎(chǔ)上，運(yùn)用云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提出覆蓋水庫(kù)管理單位及其主管部門的總體解決方案。所有水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)不需要單獨(dú)建設(shè)信息化機(jī)房及管理系統(tǒng)，大大降低總體投資，同時(shí)解決了由不同廠家建設(shè)導(dǎo)致的運(yùn)維困難，水庫(kù)缺乏專業(yè)人員等難題。

在水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)，基于現(xiàn)行規(guī)范要求，根據(jù)工程等級(jí)、壩型，在水庫(kù)現(xiàn)有可用的監(jiān)測(cè)設(shè)施的基礎(chǔ)上，開(kāi)展安全管理設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，完善水庫(kù)安全管理體系?；贕PRS/3G/4G/光纖等方式，將水庫(kù)運(yùn)行的重要指標(biāo)包括變形、滲流、環(huán)境量、視頻/圖像、巡檢資料等上報(bào)主管部門統(tǒng)一建設(shè)的云平臺(tái)。大中型水庫(kù)可以根據(jù)需要建設(shè)專業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，小型水庫(kù)不宜單獨(dú)建設(shè)。

基于采集的水庫(kù)大壩安全管理數(shù)據(jù)，結(jié)合主管部門、運(yùn)行管理單位的監(jiān)管、運(yùn)行管理業(yè)務(wù)，采用IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺(tái)即服務(wù))、SaaS(軟件即服務(wù))3層結(jié)構(gòu)搭建水庫(kù)大壩安全管理云服務(wù)平臺(tái)。其中，IaaS層由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、存儲(chǔ)資源池、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件組成；PaaS層由數(shù)據(jù)匯聚與交換服務(wù)、地圖服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、短信服務(wù)、日志服務(wù)等組成；SaaS層由大壩注冊(cè)登記、水文預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、安全監(jiān)測(cè)、預(yù)警、應(yīng)急處置等業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)組成。

基于云服務(wù)平臺(tái)，水庫(kù)管理單位及主管部門可通過(guò)PC端及智能移動(dòng)終端等方式訪問(wèn)SaaS層發(fā)布的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，其中水庫(kù)管理人員可以查看水庫(kù)的運(yùn)行情況，開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析、圖形報(bào)表制作、資料整編、報(bào)告生成、預(yù)報(bào)調(diào)度等具體業(yè)務(wù)；水庫(kù)主管人員可掌握所管轄水庫(kù)總體運(yùn)行動(dòng)態(tài)，查看各水庫(kù)重要運(yùn)行指標(biāo)，督促規(guī)范化管理等。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 整體技術(shù)架構(gòu)

基于云服務(wù)的水庫(kù)安全管理技術(shù)架構(gòu)包括多源數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、支撐技術(shù)、接口服務(wù)以及前端頁(yè)面等構(gòu)成。其中多源數(shù)據(jù)采集主要是基于水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)視設(shè)施的數(shù)據(jù)采集、傳輸，經(jīng)過(guò)清洗、轉(zhuǎn)化等步驟，將數(shù)據(jù)入庫(kù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包括分布式文件存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)兩部分，其中分布式文件存儲(chǔ)主要存儲(chǔ)視頻/圖像等資源文件，數(shù)據(jù)庫(kù)主要是用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等；技術(shù)支撐層主要是通過(guò)中間框架形成rest服務(wù)接口，對(duì)外提供rest服務(wù)；頁(yè)面展示層提供圖表展示、交互功能操作等(見(jiàn)圖1)。

3.2 平臺(tái)化開(kāi)發(fā)技術(shù)

為提高開(kāi)發(fā)效率，將水庫(kù)管理業(yè)務(wù)服務(wù)開(kāi)發(fā)的通用性技術(shù)，如地圖服務(wù)、圖表服務(wù)、報(bào)表服務(wù)以及流程服務(wù)等進(jìn)行整合，基于IaaS層的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，采用平臺(tái)化開(kāi)發(fā)模式形成具有高擴(kuò)展性的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境，作為服務(wù)提供給SaaS應(yīng)用開(kāi)發(fā)者使用，同時(shí)使應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要的不同狀況，進(jìn)行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)(見(jiàn)圖2)。

圖1 基于云架構(gòu)的總體方案Fig.1 The overall solution based on cloud platform

圖2 整體平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 The IT technical architecture

3.3 面向多租戶的服務(wù)化開(kāi)發(fā)模式

因水庫(kù)具有任務(wù)、規(guī)模、大壩壩型等差異明顯的特征，而且管理人員縱向分為運(yùn)行管理、監(jiān)督管理兩個(gè)層級(jí)，橫向分為安全監(jiān)測(cè)、水文等業(yè)務(wù)科室，需要將水庫(kù)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行梳理整合，以服務(wù)化的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)、部署和管理，以多租戶的模式提供給水庫(kù)管理單位。各個(gè)水庫(kù)管理單位可以根據(jù)業(yè)務(wù)按需選擇相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)，如水文預(yù)報(bào)、滲流分析、結(jié)構(gòu)安全分析等，僅只需對(duì)所使用的服務(wù)付費(fèi)；不同層級(jí)的主管部門，可以按需對(duì)其所監(jiān)管的水庫(kù)進(jìn)行監(jiān)管，選擇相應(yīng)的查詢、報(bào)表、預(yù)警等服務(wù)。服務(wù)提供商可專注針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)、升級(jí)和維護(hù)好各類業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的定制開(kāi)發(fā)模式轉(zhuǎn)向服務(wù)供需模式轉(zhuǎn)變。

3.4 多級(jí)熱點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)交互方案

為滿足水庫(kù)管理人員并發(fā)訪問(wèn)需要，保障系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，在系統(tǒng)架構(gòu)的不同層級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，降低對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的壓力，提升訪問(wèn)效率。通過(guò)對(duì)水庫(kù)管理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析，篩選出需要頻繁訪問(wèn)的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層部署一級(jí)緩存，由中間件實(shí)現(xiàn)二級(jí)緩存。同級(jí)緩存采取分布式緩存架構(gòu)，通過(guò)訂閱發(fā)布模式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，避免當(dāng)前緩存不存在需要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，而進(jìn)一步向下級(jí)緩存或數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)起請(qǐng)求，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)壓力很大的問(wèn)題。

4 工程應(yīng)用

目前，本文提出的基于云服務(wù)的水庫(kù)安全管理信息化解決方案已在我國(guó)湖北、安徽等地開(kāi)展試點(diǎn)運(yùn)用，得到項(xiàng)目業(yè)主的一致認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，應(yīng)用前景十分廣闊。

通過(guò)試點(diǎn)單位對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻/圖像等的規(guī)范化采集、上報(bào)和統(tǒng)一管理，并以市級(jí)水庫(kù)主管部門為主體開(kāi)展云服務(wù)的管理平臺(tái)統(tǒng)一建設(shè)，面向主管部門、大中小型水庫(kù)管理提供不同的業(yè)務(wù)功能，各個(gè)水庫(kù)管理單位按需選擇業(yè)務(wù)服務(wù)即可使用，并可根據(jù)管理需要靈活進(jìn)行服務(wù)擴(kuò)展或刪減。

大壩安全管理云平臺(tái)的主要業(yè)務(wù)功能包括：水庫(kù)注冊(cè)登記管理、大壩安全鑒定管理、水文預(yù)報(bào)(包括新安江模型、水箱模型、API模型等集總式水文模型、分布式水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型等)、水庫(kù)調(diào)度(包括發(fā)電、防洪、供水等多目標(biāo)、多庫(kù)聯(lián)合調(diào)度)、大壩安全監(jiān)測(cè)(包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、圖表制作、報(bào)告編制等)、安全診斷與預(yù)警等。

通過(guò)該平臺(tái)，不同層級(jí)的水行政主管部門可掌握水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)水庫(kù)的安全管理，大大提高了對(duì)所轄水庫(kù)的監(jiān)管能力；各個(gè)水庫(kù)管理單位可以完善水庫(kù)的安全管理體系，根據(jù)業(yè)務(wù)需要開(kāi)展安全監(jiān)管、預(yù)報(bào)調(diào)度以及日常管理等具體業(yè)務(wù)，促進(jìn)其運(yùn)行管理規(guī)范化。

5 結(jié) 語(yǔ)

水利信息化十三五規(guī)劃明確提出要運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開(kāi)發(fā)和廣泛利用水利信息資源，實(shí)現(xiàn)水利信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、管理和服務(wù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化，全面提升水利工作的效率和效能。隨著國(guó)家對(duì)提高自然災(zāi)害防治能力的日益重視，以及我國(guó)治水的工作重點(diǎn)不斷向水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管模式轉(zhuǎn)變，水庫(kù)大壩的安全管理信息化建設(shè)將成為主要趨勢(shì)。本文提出的基于建設(shè)+運(yùn)維IaaS、PaaS和SaaS三層結(jié)構(gòu)的新模式開(kāi)展水庫(kù)大壩安全信息化管理建設(shè)將是區(qū)域性水庫(kù)大壩信息化建設(shè)的主要趨勢(shì)，可有效解決目前利用信息化手段開(kāi)展水庫(kù)安全監(jiān)管、運(yùn)行管理和運(yùn)維等工作中存在的主要問(wèn)題，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值，可為水庫(kù)大壩信息化建設(shè)提供借鑒。