常 興, 劉 剛, 劉 亞

(1.天水市水利工程建設(shè)質(zhì)量服務(wù)中心, 甘肅 天水 741000; 2.西北農(nóng)林科技大學,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的地區(qū)之一，也是黃河泥沙的主要來源地[1-2]。為控制該區(qū)的水土流失，諸多學者開展了大規(guī)模的實地考察和科學研究工作，取得了舉世矚目的成就。長期實踐證明，淤地壩是黃土高原地區(qū)控制溝道侵蝕最有效的工程措施之一，它不僅可以攔截入黃泥沙、保持水土，還能淤地造田、增產(chǎn)糧食，在生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)民增產(chǎn)增收等方面發(fā)揮著重要的作用[3-6]。然而，一方面受資金和技術(shù)的限制，早期建設(shè)的淤地壩配套設(shè)施不完善，許多建成淤地壩未達到工程設(shè)計標準[7-8]；另一方面隨著近年來全球氣候變暖和日益頻繁的人類活動影響，黃河流域區(qū)域極端降雨發(fā)生頻繁導致潰壩幾率加大[9-10]。這些存在安全隱患的淤地壩一旦失事，將嚴重危害下游群眾的生命財產(chǎn)安全。因此，加強淤地壩監(jiān)管顯得尤為重要。

黃土高原淤地壩數(shù)量多、分布廣，截至2019年11月統(tǒng)計，黃土高原地區(qū)現(xiàn)有淤地壩58 776座，涉及7省(區(qū))200余縣，且多集中建設(shè)在社會經(jīng)濟比較落后的地區(qū)，僅依靠單純的人力對這些淤地壩進行監(jiān)管效率低下[11]。其次，由于信息不暢通，問題反饋不及時，處置方案不科學，安全隱患最終變成安全事故，不利于淤地壩效益長久發(fā)揮。此外由于部分管護人員缺乏淤地壩管護知識，致使管護工作流于形式，對工程安全運行帶來不利影響。王敏[12]指出強化水土保持監(jiān)管需要創(chuàng)新監(jiān)管手段，要采取有效的措施不斷提高水土保持監(jiān)管的信息化水平。通過大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)對淤地壩進行智慧監(jiān)管可以大幅提升監(jiān)管效率，提升淤地壩安全運用管理水平。李想[13]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及GPRS數(shù)據(jù)終端研發(fā)了一種淤地壩安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對淤地壩汛情的及時了解及遠距離監(jiān)控。王彥武等[14]利用低空無人機遙感技術(shù)自動、高效獲取壩控區(qū)域影像數(shù)據(jù)，為淤地壩的安全管理和汛期預(yù)警提供支持。內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市于2015年開始建設(shè)淤地壩監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括野外監(jiān)控攝像頭和雷達水位計及信息管理平臺，可以自動上傳淤地壩實時圖像，既可實現(xiàn)對淤地壩的實時監(jiān)測也便于后臺人員高效管理[15]。但以上這些系統(tǒng)的建設(shè)需要耗費大量的人力及物力，難以進行推廣應(yīng)用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和IT業(yè)的高速發(fā)展，移動辦公已經(jīng)成為繼電腦無紙化辦公、互聯(lián)網(wǎng)遠程化辦公之后的新一代辦公模式，可以擺脫空間和時間的束縛，高效迅捷地開展工作[16-17]。此外，智能手機的普及也使得推行基于移動應(yīng)用的信息化管理成為可能。因此，為了給淤地壩各級監(jiān)管單位和工作人員提供便捷、智能、直觀的業(yè)務(wù)支撐工具，引入移動通信、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，以移動終端為載體，開發(fā)黃土高原淤地壩安全巡查智慧移動終端應(yīng)用，實現(xiàn)淤地壩“3個責任人”實時反饋巡查情況，便于各級監(jiān)管人員隨時掌握轄區(qū)范圍淤地壩防汛安全情況，便捷、高效地開展淤地壩專項管理、隱患問題處置與相關(guān)信息統(tǒng)計。

1 理論與方法

1.1 功能需求與設(shè)計目標

1.1.1 管理人員多層級、跨區(qū)域、多角色 淤地壩管理人員涉及水利部及黃河水利委員會、黃河上中游管理局等部委管理部門，各相關(guān)省、市、縣水行政主管部門，工程所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊的淤地壩工程管理責任主體，管理人員從上至下落實淤地壩監(jiān)管責任。黃土高原淤地壩工程涉及青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南等7個省(區(qū))，幾乎遍布整個黃土高原水土流失嚴重地區(qū)，分布范圍廣泛。管理人員根據(jù)責任不同，區(qū)分了多種角色，“3個責任人”制度是淤地壩的基層監(jiān)管人員，擔負著淤地壩防汛安全的第一道責任，是淤地壩監(jiān)管體系中的重要角色?？h級水行政主管部門是絕大部分淤地壩工程的建設(shè)單位，也是工程信息管理部門，掌握著全縣轄區(qū)內(nèi)淤地壩工程的全部信息，負責協(xié)調(diào)各方力量共同落實轄區(qū)內(nèi)的淤地壩安全運用責任。而上級管理人員主要是負責督促落實淤地壩管護責任，掌握全流域淤地壩工程運行情況。因此，系統(tǒng)應(yīng)覆蓋各級、各地、各部門淤地壩管理人員，依據(jù)管理角色和管理級別分配相應(yīng)任務(wù)。

1.1.2 問題反饋需要及時、準確、智能 淤地壩安全運用巡查的主要職責是發(fā)現(xiàn)安全隱患、消除隱患，確保工程安全運行?！把膊樨熑稳恕笔怯俚貕伪O(jiān)管的最前沿哨兵，是發(fā)現(xiàn)問題、反饋問題的關(guān)鍵人，是“技術(shù)責任人”提出問題解決方案的前提。當前淤地壩水毀往往是因為隱患發(fā)現(xiàn)不及時，積小成大造成。因此需要“巡查責任人”反饋問題及時，對問題描述準確并加以現(xiàn)場圖片輔證，反饋問題的方式還要簡單易操作，達到智能化或半智能化，降低巡查責任人操作難度?！凹夹g(shù)責任人”是處理隱患的關(guān)鍵和核心，需要準確認定發(fā)生的隱患，科學制定處置方案，及時反饋到管理系統(tǒng)，有利于各級監(jiān)管部門做出決策。

1.1.3 數(shù)據(jù)信息規(guī)范、多樣、全面 為便于統(tǒng)計分析，所填報的數(shù)據(jù)信息要有統(tǒng)一規(guī)則和統(tǒng)一格式，問題描述要規(guī)范。為了提高問題識別度，每一個隱患描述要附圖片印證，通過大量圖片庫，借助機器深度學習，實現(xiàn)圖像自動判別工程隱患。淤地壩一般由兩大件或三大件組成，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，安全隱患風險點相對固定，巡查部位明確，為方便巡查責任人對照檢查，應(yīng)把全部風險點列舉出來。

1.1.4 系統(tǒng)架構(gòu)穩(wěn)定、開放、安全 系統(tǒng)架構(gòu)要穩(wěn)定，應(yīng)保證多用戶同時訪問不卡頓，數(shù)據(jù)查看流暢；系統(tǒng)功能還要具備升級空間，功能模塊可以拓展淤地壩信息化管理、智能化監(jiān)測、防汛預(yù)警等功能模塊；系統(tǒng)平臺需要保證數(shù)據(jù)存儲安全，除硬件安全外，還要保證不因為意外操作而丟失數(shù)據(jù)，對用戶權(quán)限進行嚴格按需分配。

1.2 設(shè)計思路與總體框架

1.2.1 設(shè)計思路 系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足多用戶、多角色管理及跨平臺使用，還要建立3個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括淤地壩工程概況數(shù)據(jù)庫、淤地壩工程監(jiān)管機構(gòu)及監(jiān)管人員數(shù)據(jù)庫、淤地壩常見安全隱患數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)定點打卡、巡查反饋、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析3個功能。系統(tǒng)要依據(jù)淤地壩安全應(yīng)用、“3個責任人”相關(guān)制度和規(guī)范標準設(shè)置巡查規(guī)則，滿足通訊安全、信息安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一，保證整體安全及后期的升級迭代。

1.2.2 總體框架 根據(jù)功能需求及設(shè)計思路，黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統(tǒng)由一個系統(tǒng)搭建、3個數(shù)據(jù)庫平臺建設(shè)，3個功能模塊擴展及5個依據(jù)標準參考4個部分組成。這4部分互相關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統(tǒng)的主體框架，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統(tǒng)總體框架

1.3 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法

1.3.1 移動終端+PC端多平臺設(shè)計 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能手機普及率越來越高，已經(jīng)成為工作生活常用工具。

近年來微信小程序的頻繁使用，為移動終端功能開發(fā)與推廣奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)于2021年12月開發(fā)完成，硬件服務(wù)器支持php，mysql，web服務(wù)(支持IE8-IE10版本、谷歌、火狐等瀏覽器)。系統(tǒng)包括一款界面簡潔、功能明確、實用易用的微信小程序，輔助淤地壩工程安全運用巡查管理，實現(xiàn)巡查打卡、問題反饋、拍照上傳、信息查詢等主要功能。配合PC端數(shù)據(jù)管理，完成淤地壩工程信息數(shù)據(jù)庫、各級淤地壩監(jiān)管體系人員數(shù)據(jù)庫及淤地壩常見安全隱患數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)工程信息錄入、查詢、導出，管理人員賬戶創(chuàng)建、修改、刪除等功能。微信小程序界面及PC端操作界面如圖2—3所示。

圖2 淤地壩巡查管理系統(tǒng)微信小程序操作界面

圖3 淤地壩巡查管理系統(tǒng)PC端操作界面

1.3.2 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 ①建立淤地壩工程數(shù)據(jù)庫：主要包括工程名稱、地理位置、所屬河流、經(jīng)緯度、工程規(guī)模指標及運行狀況評價等主要指標，滿足淤地壩安全運用巡查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。②建立各級管理人員數(shù)據(jù)庫：涵蓋全部和淤地壩管理相關(guān)的人員姓名、性別、職務(wù)(職稱)、單位、聯(lián)系電話、角色分類?？梢噪S時查詢各級責任人，方便即時聯(lián)系。③建立淤地壩常見安全隱患數(shù)據(jù)庫：把淤地壩3個重要樞紐組成常見安全隱患情況列舉出來，并形成問題描述清單。一方面提示巡查責任人照單查看，另一方面統(tǒng)一問題描述，方便匯總分析問題類型。

1.3.3 智能精準匹配信息 利用手機終端自帶定位功能，智能匹配工程坐標，實現(xiàn)巡查責任人定位打卡，督促巡查責任人定期完成巡查任務(wù)。各級監(jiān)管人員檢查工程時，通過移動終端定位當前位置，準確查詢工程名稱和相關(guān)信息。對于個別無手機信號覆蓋的工程，可以在后臺設(shè)置離線打卡，或擴大打卡半徑。

1.3.4 統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與規(guī)則 為實現(xiàn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與云計算，提高淤地壩風險評估水平，對系統(tǒng)收錄的工程信息和反饋的隱患問題，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與填報規(guī)則。使數(shù)據(jù)信息既符合工程運行管理要求，又符合信息化管理交互規(guī)則，提高數(shù)據(jù)分析成果精準度和大數(shù)據(jù)挖掘潛力。

1.3.5 借助穩(wěn)定云存儲平臺 由于本系統(tǒng)涉及的部門多、用戶多、數(shù)據(jù)多、用戶范圍廣、地點分散，設(shè)計采用云端部署模式，降低運維管理難度，并為對接云計算、大數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。為了確保平臺安全穩(wěn)定運行，賬戶采用分配制，由管理員創(chuàng)建，訪問權(quán)限嚴格控制，只對轄區(qū)內(nèi)工程數(shù)據(jù)可見，各用戶數(shù)據(jù)在云端有存儲，全面進行數(shù)據(jù)備份，確保數(shù)據(jù)資料安全。

2 系統(tǒng)功能

2.1 淤地壩工程信息錄入(PC端)

淤地壩工程信息在本系統(tǒng)中需要錄入基本概況，主要包括以下指標：工程名稱、工程編號(自動編號)、地理位置、所屬河流、經(jīng)緯度、工程規(guī)模指標及運行狀況等。該部分信息由縣級管理員根據(jù)淤地壩防汛要求填寫，或用標準格式整理數(shù)據(jù)批量導入(表1)。

表1 淤地壩工程信息錄入操作示范

2.2 用戶賬號獲取與人員信息錄入(PC端)

(1) 賬號創(chuàng)建。分為各級管理賬號、監(jiān)管人員賬號、行政責任人、巡查責任人、技術(shù)責任人共五大類。賬號采用分配制創(chuàng)建，上級管理員創(chuàng)建相鄰下級管理員賬號，不能越級創(chuàng)建；各級管理員創(chuàng)建同級監(jiān)管人員賬號；縣級管理員創(chuàng)建3個責任人賬號。賬號默認為用戶手機號，密碼默認為身份證號末6位，密碼可以修改。

(2) 角色權(quán)限分類。角色分類包括1至4級管理員，對應(yīng)流域機構(gòu)、省(區(qū))級、市級、縣級四級管理員和同級水行政主管部門淤地壩監(jiān)管人員及淤地壩工程“3個責任人”，即行政責任人、巡查責任人、技術(shù)責任人，系統(tǒng)賬戶共有11個角色權(quán)限分類。各級管理員為相應(yīng)層級的最高權(quán)限，可以登錄PC端進行數(shù)據(jù)操作。其余人員只能使用移動終端完成巡查反饋信息，查詢淤地壩工程基本信息、安全狀況、巡查次數(shù)、隱患問題及處置結(jié)果等信息。

(3) 賬號層級。根據(jù)管理權(quán)限按行政層級劃分賬號層級，管理員層級分為流域機構(gòu)、省區(qū)級、市級、縣級共4個層級，其中流域機構(gòu)監(jiān)管人員包含水利部、黃河水利委員會、黃河上中游管理局等主要淤地壩管理機構(gòu)的相關(guān)工作人員，縣級監(jiān)管人員包括縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村三級淤地壩管理人員和3個責任人。

(4) 人員信息采集。各級人員信息包括：姓名、性別、職務(wù)、單位、聯(lián)系電話、角色分類。其中職務(wù)為所在單位職務(wù)，技術(shù)負責人需要填職稱。

2.3 巡查責任人信息填報(移動端)

根據(jù)淤地壩巡查要求，巡查責任人在汛期每周至少巡查一次工程，巡查重點部位包括壩體、放水工程、泄洪建筑物、周邊環(huán)境及附屬設(shè)施情況，填報內(nèi)容針對每一個巡查對象常見隱患對照填寫，問題描述從標準內(nèi)容單選，同一部位超過一個隱患問題分次反饋，每個問題要配相應(yīng)照片說明(詳情見表2)。

2.4 技術(shù)責任人信息填報(移動端)

(1) 技術(shù)責任人可以從巡查記錄列表中打開對應(yīng)的“待處置”工程，也可以從工程地圖展示界面中，點擊閃動的浮標打開對應(yīng)的工程(若巡查責任人對某工程有問題反饋，相應(yīng)的工程浮標在地圖展示界面會閃動提醒)，添加處置方案。

(2) 根據(jù)巡查責任人反饋的問題描述和照片，提出針對性的處理意見。若無法看清，可到現(xiàn)場進行詳查，并做出處置方案，重大問題請相關(guān)機構(gòu)進行技術(shù)論證后確定處置方案。

(3) 市、縣兩級管理員有權(quán)審核技術(shù)負責人提交的處置方案，并決定是否要退回、審核通過。

(4) 處置方案被退回來后，需要按審核意見重新填報處置方案。

2.5 行政責任人處理(移動端)

(1) 進入途徑同技術(shù)責任人，在技術(shù)責任人提出處置方案后，可以按技術(shù)方案組織實施。對于小問題，可以直接組織村民實施，把處置結(jié)果上報。

(2) 對于暫時處理不了的問題，可以填寫具體困難和需求。

(3) 對于巡查責任人反饋的隱患，必須按規(guī)定，限期組織處置，并反饋結(jié)果。

表2 巡查責任人巡查部位及隱患描述

2.6 工程信息查詢功能(PC端+移動端)

工程信息查詢與篩選功能分為列表查詢與地圖查詢，既滿足單個工程技術(shù)指標查詢，也可以進行分類統(tǒng)計，可極大地提高淤地壩工程管理效率。

(1) 列表查詢可以按行政區(qū)域、工程規(guī)模、樞紐組成、運行狀況等分類指標進行篩選與統(tǒng)計分析，隨著淤地壩工程信息數(shù)據(jù)庫逐步完善，各工程所在的河流水系、工程水沙調(diào)蓄能力、攔泥淤地效益等信息都可以方便地統(tǒng)計出來，滿足科研分析需求，為下一步工程規(guī)劃布局及除險加固等政府決策提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 地圖查詢可以按圖標顏色、形狀查看工程規(guī)模，還能以指定地點為中心設(shè)置半徑，查詢相應(yīng)范圍內(nèi)的工程分布情況，結(jié)合氣象部門雨情預(yù)報，提供可視化的防汛預(yù)警分布圖。

(3) 每一個工程有一個信息詳表，點擊列表或浮標，都可進入詳情頁面。

(4) 篩選后的工程信息，可以在PC端批量導出為Excel格式文件。

2.7 巡查工作監(jiān)管

(1) 巡查責任人巡查記錄。歷次巡查時間與反饋的問題向上級管理部門用戶公開。

(2) 技術(shù)責任人處理方案。對巡查出來的問題要有明確的、科學的、經(jīng)濟的處置方案，并對處置方案的技術(shù)可行性負責。

(3) 行政責任人處置結(jié)果。對巡查問題要有處置結(jié)果，一是組織村民消除問題與隱患，二是對重大安全問題通過報告形式，向當?shù)厮姓鞴懿块T或淤地壩監(jiān)管部門提出除險加固申請。

(4) 所有工作流程的時限設(shè)置。根據(jù)淤地壩安全運用相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，系統(tǒng)可以幫助各級有權(quán)限的管理人監(jiān)督 “三個責任人”按要求完成工作。

3 系統(tǒng)應(yīng)用評估

本系統(tǒng)開發(fā)完成后，選擇甘肅省天水市武山縣防汛重點淤地壩工程進行試運行，錄入7個淤地壩監(jiān)管機構(gòu)、5級系統(tǒng)管理員、15個系統(tǒng)用戶及13座重點淤地壩工程，其中大(2)型淤地壩6座，中型淤地壩7座。試運行期間，系統(tǒng)運行流暢，信息反饋及時，上傳圖片能夠滿足安全隱患識別與判斷。各級監(jiān)管機構(gòu)和工作人員，可以對3個責任人工作狀態(tài)實時查看，對轄區(qū)內(nèi)所有工程運行狀況進行查詢，按行政區(qū)、規(guī)模、運行狀況等條件進行篩選導出，全面實現(xiàn)了預(yù)期目標。該系統(tǒng)全面推廣后可極大提高黃土高原淤地壩工程安全運用管理能力。

3.1 監(jiān)管人員全覆蓋，巡查信息全公開，壓實淤地壩工程防汛責任

本系統(tǒng)涵蓋了黃土高原淤地壩工程有關(guān)的所有管理機構(gòu)和工作人員，縱向從部委到省(自治區(qū))市縣鄉(xiāng)(村)5個層級，橫向包括全部工程所在7省區(qū)。系統(tǒng)為每級淤地壩監(jiān)管人員分配一個賬戶，每個用戶能夠看到轄區(qū)內(nèi)的工程信息和人員工作動態(tài)，可以隨時查詢轄區(qū)內(nèi)防汛責任落實情況，及時做出安排部署，調(diào)整工作方案，布置防汛工作任務(wù)。安全隱患反饋時間可以實現(xiàn)即時反饋，全系統(tǒng)人員各級監(jiān)管人員均可看到，大大提高工作效率和監(jiān)管效果。

3.2 限時定位打卡，簡化數(shù)據(jù)填報，協(xié)助3個責任人履職盡責

本系統(tǒng)開啟巡查人員定點打卡功能，根據(jù)淤地壩3個責任人巡查管理相關(guān)要求，可以動態(tài)設(shè)置巡查頻次，提醒巡查責任人完成巡查任務(wù)，技術(shù)責任人制定除險方案，行政責任人及時處置，全程接受各級監(jiān)管人員監(jiān)督和指導，保證工作科學高效，切實做到對淤地壩安全隱患“及時發(fā)現(xiàn)，及時反饋，及時處置”。系統(tǒng)運行后，可以提高淤地壩工程隱患及時清除速度，避免小隱患拖成大問題，每年可以節(jié)省或減少除險加固投資超千萬元。

3.3 規(guī)范信息統(tǒng)計，借助大數(shù)據(jù)云計算，推進淤地壩管理智慧化

本系統(tǒng)可規(guī)范巡查要求，實現(xiàn)巡查常態(tài)化。統(tǒng)一問題反饋方式，自動記錄工作時間、存儲文字、照片等資料，實現(xiàn)巡查時間記錄、事件上報等功能，支撐淤地壩巡查工作日常管理。借助大數(shù)據(jù)云計算，實現(xiàn)問題分類統(tǒng)計，數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，提出淤地壩管理對策，為淤地壩管理智慧化奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文提出了基于信息化技術(shù)和微信小程序平臺的“淤地壩工程安全運用巡查管理系統(tǒng)”的設(shè)計與開發(fā)，從總體架構(gòu)、功能需求、界面設(shè)計及操作方法等方面詳細介紹了該系統(tǒng)的總體解決方案與應(yīng)用效果評價。該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以確切落實淤地壩“3個責任人”管護責任，大幅縮短巡查責任人安全問題上報和主管部門處置反應(yīng)時間，提升淤地壩工程安全管理信息化水平，對于解決當前淤地壩管理存在的問題具有重大的現(xiàn)實意義。同時，該系統(tǒng)還可嵌入智慧水利體系，完善水利工程監(jiān)管的信息化水平，為淤地壩工程實現(xiàn)“四預(yù)”奠定基礎(chǔ)，提供重要的借鑒和應(yīng)用價值。

通過本系統(tǒng)推廣應(yīng)用，可以快速準確統(tǒng)計淤地壩安全隱患，形成黃土高原淤地壩運行管理大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合新一代人工智能技術(shù)和持續(xù)累積的學習樣本數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化擴充隱患圖片庫，進行淤地壩相關(guān)大數(shù)據(jù)的深度挖掘，提升圖像智能判別安全隱患的準確性，全面實現(xiàn)黃土高原淤地壩安全巡查管理智能化、便捷化、高效化，促進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。