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)濟學(xué)院信息與機電工程學(xué)院,長沙 410025)

大壩安全事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定，而安全監(jiān)測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)了自動化系統(tǒng)，56.98%的大壩監(jiān)測系統(tǒng)采用自動化監(jiān)測為主、人工為輔的方式[1]。各種C/S和B/S架構(gòu)的大壩運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。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對大壩安全監(jiān)測內(nèi)涵的深入認識，智能化傳感設(shè)備和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用進一步使監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣化[3- 4]。監(jiān)測數(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)揮價值[7]。這對數(shù)據(jù)的查找、統(tǒng)計、分析和運用提出了新的要求，而傳統(tǒng)信息平臺架構(gòu)的工作方式老舊，應(yīng)急響應(yīng)和預(yù)警時效性差，資源復(fù)用性不強，數(shù)據(jù)運用不深入，不能適應(yīng)新時代的要求。

本文設(shè)計和實現(xiàn)的新型大壩運行安全監(jiān)測應(yīng)用云計算技術(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

1.1 數(shù)據(jù)處理更快

傳統(tǒng)架構(gòu)對數(shù)據(jù)逐條讀取、修改、查詢和錄入，當(dāng)數(shù)據(jù)量不大時，處理時間可以接受。但是當(dāng)數(shù)據(jù)到達海量級別后，任務(wù)處理時間漫長，甚至出現(xiàn)服務(wù)器程序崩潰或者死機的現(xiàn)象?；谠萍軜?gòu)技術(shù)的信息平臺，具有分布式結(jié)構(gòu)，運用并發(fā)機制，使TB級別的數(shù)據(jù)分析可在數(shù)小時內(nèi)完成。同時，系統(tǒng)還可整合分布在云端的大量閑置硬件資源，以更少的時間完成任務(wù)[8- 9]。這些優(yōu)勢在對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘時更為明顯。

1.2 數(shù)據(jù)運用更全面

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)測系統(tǒng)的運行維護更有效，自動化系統(tǒng)更可靠[10]。系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，并自動生成各類監(jiān)測月報、年報、數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、測量成果表等。系統(tǒng)實現(xiàn)多壩綜合監(jiān)控的一站式管理平臺，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)遠程動態(tài)監(jiān)測、對監(jiān)測數(shù)據(jù)的后臺實時評估和報警，保障大壩安全信息的及時處理和傳遞，實現(xiàn)快速反應(yīng)，為大壩運行決策提供了有力支持[11]。

1.3 資源節(jié)約更經(jīng)濟

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，病險水庫數(shù)據(jù)約4萬座[12]，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)需求很迫切，所需費用很高。在企業(yè)提質(zhì)增效和擴大經(jīng)濟效益的背景下，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，針對性的監(jiān)測，只對關(guān)鍵項目、關(guān)鍵時間和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，或者使用更為經(jīng)濟的監(jiān)測設(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)濟效益提高之間的關(guān)系。基于云計算的信息化平臺，具有虛擬化、安全性、高擴展性和高可用性，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)費用，按需付費，更加經(jīng)濟；也可通過價值鏈上的多方分工協(xié)作，使數(shù)據(jù)在生態(tài)圈中流動，依靠創(chuàng)新應(yīng)用和新價值為企業(yè)賦能。

2 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)實現(xiàn)對大壩安全、工情、視頻等實時監(jiān)測監(jiān)控，經(jīng)過后臺配置業(yè)務(wù)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否越限；對于越限的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動啟動安全告警，并通知責(zé)任人，由其核實并處理?，F(xiàn)場管理人員將巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的問題上報至上級管理部門，及時進行維修養(yǎng)護。對于突發(fā)事件以及巡檢發(fā)現(xiàn)的重大險情等問題，通過事態(tài)分析，確認應(yīng)急響應(yīng)的級別，啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，基于態(tài)勢一張圖，進行應(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

3.1 云架構(gòu)設(shè)計

大壩運行安全管理監(jiān)測信息綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計如圖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

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

3.1.3云計算

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

3.1.4云平臺服務(wù)

為上層提供基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)能力、平臺級別的身份認證、訪問控制和業(yè)務(wù)隔離功能。

3.1.5云服務(wù)

通過Restful API方式對外提供統(tǒng)一查詢接口，支持接入基于平臺規(guī)范的第三方微服務(wù)來對平臺進行插件式業(yè)務(wù)擴展。提供綜合查詢、監(jiān)測監(jiān)控、分析評估、運行管理以及應(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

3.1.6云平臺管理

集成了平臺基礎(chǔ)運維功能、平臺信息安全管控、平臺資源管理、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)和審計功能，提供細粒度的數(shù)據(jù)訪問控制，提供加密存儲功能，對敏感數(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)流的源點主要包括兩部分：一是庫壩監(jiān)測設(shè)施采集的水雨情、大壩安全監(jiān)測、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。以上各部分數(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)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)基于Restful實現(xiàn)微服務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)上的隔離，可以做到獨立部署和運行。目前，系統(tǒng)主要實現(xiàn)了綜合查詢、監(jiān)測監(jiān)控、分析評估、運行管理以及應(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)，可實現(xiàn)縮放、移動、圖層篩選等可視化查詢。

4.2 監(jiān)測監(jiān)控

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

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

4.3 分析評估

應(yīng)用閾值法、異常數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析等算法，對監(jiān)測監(jiān)視采集的數(shù)據(jù)進行整編分析，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)險管理方法識別風(fēng)險，依據(jù)規(guī)范庫壩進行安全評價，并可按照預(yù)定義規(guī)則對以上過程中的異常狀態(tài)進行預(yù)警和警報。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程圖

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控

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

4.4 運行管理

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

巡視檢查實現(xiàn)對計劃、人員、記錄統(tǒng)計的管理功能。維修養(yǎng)護實現(xiàn)計劃編制、上報、審批和記錄功能。調(diào)度實現(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劃分、上報、安全處理、狀態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)計分析功能。

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)急資源的對接功能?；贕IS技術(shù)，態(tài)勢一張圖能實時展示事件狀況和運行狀態(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)的大壩運行安全監(jiān)測信息系統(tǒng)實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析評價、遠程操控等統(tǒng)一管理，實現(xiàn)全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享利用、數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析評價，較好地解決了大壩地域范圍廣、測點繁雜，系統(tǒng)難以集中管理，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不到位、預(yù)警不及時等問題，實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測工作規(guī)范化、標(biāo)準化，為大壩安全管理提供輔助決策支持，為實現(xiàn)減員增效提供技術(shù)支撐。