新疆中小型水库安全监测云服务平台研发与应用

1 引言

根据数据显示，截止2019年新疆已建、在建和计划建设达578座，这些水库有力地保障了农业灌溉、城乡生活供水需求。而水利水电工程一旦失事带来的将是一场灾难，国内外均曾经历惨痛教训，如：青海省沟后水库失事造成直接经济损失约1.53亿[1]，意大利的瓦伊昂大坝（VajontDam）事故造成5座村庄被淹没，2000人死于洪水[2]。因此，保证水利工程安全运行至关重要。近年来，国家亦是高度重视水利信息化工作的推进，加大智慧水利的建设力度，为积极响应国家号召，新疆地区拟将境内中小型水库信息集中管理，分层分级地对各水库实施安全监管，保证各水库安全运行。

本研究采用调查法、功能分析法、经验总结法等多种研究方法，为新疆地区水库信息化工作推进提供一个适应当地部门实际业务需求的水库安全监测云服务平台，彻底解决新疆地区水库信息分散、安全监测工作难、消耗人力资源高等一系列问题。

2 现状及需求分析

2.1 新疆地区水库管理现状

新疆地区一部分水库现已有基础的信息化系统，配备有智能感知系统感知水库大坝各项关键指标数据，但仍然存在不足。

安全监测设施方面：许多中小水库监测设施不完善，尤其建设年代久远的水库，没有配备大坝位移、渗漏等安全监测设施以及水雨情测报监测设施，经过多年的运行，工程老化，失修失管现象严重，存在安全隐患，严重威胁下游人民的生命财产安全[3]。

监测数据管理分析方面：根据去现场实际调查的结果，现阶段新疆各地区水库所采用的安全监测设备并不是出自同一厂家，鉴于各厂家仪器的差异，各个水库的信息基本相互独立，每个水库必须使用与采集设备配套的数据管理客户端软件来监管和分析采集的数据。分隔式的信息管理方式数据在各地区部门之间不能互通有无，形成信息孤岛，不能全面掌握水库基本信息及实时运行情况，另外各软件的数据标准和分类不一致，导致已有的监测数据不能得到有效利用[5]。

水库监管人员日常工作上：水库监管人员只能定期去水库现场的监测站点查看和处理监测数据，然而新疆地域广阔，每个水库相距较远，导致安全监测数据处理和分析严重滞后，耗费人力资源的同时得到的确是较低的安全监管效率。

2.2 新疆中小型水库安全监测云服务平台需求分析

根据新疆地区地域特征及当地中小水库管理现状，新疆中小型水库安全监测云服务平台需实现如下特性：

1) 兼容并包性。即能兼容已有智能感知设备采集的数据，又能将各个水库之间的壁垒打通，方便整合各水库采集的数据，降低水库管理难度，提高水库管理效率以及安全监管水平。

2) 相对独立性。大型的水库可以根据需求建设业务系统，但中小型水库考虑财力消耗与实际价值，往往不建议建设[4]。因此统一的云服务平台上则需要虚拟隔离，保证各地区相对独立，实现水库分地区，人员分层分级，上级人员可为下级人员指派不同的地区或水库，分工明确，出现问题可快速追溯到地区乃至责任人。

3) 数据完整性和安全性。采集数据可长期存储不丢失，自动采集设备遇到故障时可通过补读机制保证数据完成。

4) 实时性与及时性。即采集数据实时存储，发现异常状况需及时预警。

3 设计与实现

3.1 系统整体架构

新疆中小型水库安全监测云服务平台整体系统架构如图1所示，将系统划分为云服务平台基础架构层、监测感知层、数据资源层、系统服务支撑层、业务应用层和服务终端层。

基础架构层：是一种集成了虚拟计算资源和存储设备的信息基础架构，为整个平台系统提供运行所依赖的基础设施，如网络设备、存储设备、服务器等。在本层通过虚拟化技术将资源池化，以实现资源的按需分配和快速部署。

监测感知层：主要由各种智能传感器、摄像机、水雨情监测站等数据感知设备构成，用于感知采集监测结构物的相关物理量或环境量，采集的数据以一定的传输方式，一般为无线传输方式（4G/NB-IoT/WiFi等）传输至平台的数据资源层。

数据资源层：采用分布式数据存储策略，存储与平台相关的一切数据，如监测感知层采集的数据、手动录入的数据（用户信息，工程信息等）以及平台内置的系统模型数据等。

系统服务支撑层：是连接数据资源层与业务应用层之间的纽带，系统服务支撑层服务层只知道一系列可行的相互作用的协议，它通过事务、资源管理、协调、数据消息等处理细节将数据资源抽象转化为业务应用层所需的类型。

业务应用层：是实现系统业务功能的核心逻辑层，根据不同的业务场景设计编写不同的处理逻辑精细处理加工数据，并将处理后的数据通过一系列接口交由服务终端层展示呈现。系统服务支撑层和业务应用层对数据的处理不会影响数据资源层存储的数据。

服务终端层：是与用户交互的人机交互层，根据用户的输入呈现相关业务数据，在本层使用时序数据可视化技术、并行可视化技术、数据对比分析技术、数据组合分析技术等多种数据可视化技术来展现数据。

图1 整体系统架构

3.2 业务功能

根据当地相关部门实际的业务需求，新疆中小型水库安全监测云服务平台主要包括平台管理和具体水库数据管理两部分，其中平台管理包括水库基础信息维护、水库人员及权限管理、外部数据源模块、系统基本设置与监控模块；具体水库数据管理包括数据管理与分析模块、监测测点管理模块、文件模块、工程巡检模块、实时预警模块、自动化监测设备管理模块。新疆中小型水库安全监测云服务平台功能结构如图2所示。

图2 平台功能架构图

用户管理模块：实现用户账号管理，采用多种加密和保护机制保证账号安全。

权限管理模块：实现用户权限按职责实际分配，可给不同的用户分配不同的水库及系统权限。

水库信息维护：管理水库基本信息及地理位置信息实现，支持按区域划分水库。

数据源配置模块：针对外部数据源做相关配置，保证平台对老的采集设备采集到的数据的兼容。

系统管理模块：实现系统默认公式库等系统默认信息配置与管理。

系统监控模块：实现对系统使用人员的使用记录、各项功能操作日志管理与分析、系统内部多项服务模块监控等功能。

数据管理模块：实现对采集数据的整编与管理，提供数据校验、重新计算、手动数据录入等功能。

数据分析模块：通过组合、对比、特征值等多种手段对数据进行可视化的分析处理。

监测测点管理模块：实现对具体水库的监测测点基本信息、安装位置、监测项目、计算公式等内容配置管理。

自动化监测模块：实现自动化设备添加、配置和组网，设置自动采集与上报频次，监测自动化设备的电压、温湿度、上线情况等多项功能。

实时预警模块：实现多报警级别的实时监控预警模式，报警区间可根据实际需求自定义。

远程设备调试模块：实现远程在线对监测设备调试、故障诊断等功能。

工程巡检模块：实现巡检表单自定义、巡检内容上传、巡检结果跟踪评定等功能。

文件模块：实现对系统产生的系统文件以及用户上传到平台的相关文档、报告管理进行管理。

3.3 关键技术与平台优势

平台采用基于SaaS的云计算架构、时序数据库、关系型和非关系型数据库等关键开发技术；数据传输使用4G、NB-IoT、WiFi等无线传输技术；部署方式采用私有云部署方式；总体来说新疆中小型水库安全监测云服务平台具有以下优势：

1)低成本、免运维、易使用。基于SaaS架构的云服务平台低成本免运维，云计算使得云平台可动态提供可伸缩的计算、存储、网络等虚拟化资源，并以服务的方式提供 给用户。用户不需要关注底层的硬件资源，从而可让用户把重点放在数据整合、软件功能上，大大提高用户体验和软件的可用性。

2)数据实时性。平台运用以传感器和自动化采集系统为主体的在线采集系统，可实现全天候不间断的从云端对大坝进行实时监控，发生报警时可主动推送预警信息。

3)支持大数据场景。采用时序数据库、关系型和非关系型数据库结合的方式，适合大数据量、高并发、高吞吐量的数据场景，可完美支撑大坝安全监测的不同场景。

4)安全可靠性。该平台采用私有云部署方式，可确保数据信息牢牢掌控在用户手中，杜绝外界干扰，同时避免在接入公有云时偶遇不兼容的尴尬情形。

5)灵活权限控制体系。新疆中小型水库安全监测云服务平台的权限可按照操作界面、不同地区、不同水库进行灵活划分，既适用于高权限级别的省级和地区管理人员，也适用于某水库管理人员乃至某水库里的专职人员使用。

4 平台应用

新疆中小型水库安全监测云服务平台自正式上线以来，已应用于新疆各地区20多座中小水库中，在现阶段安全监测工作取得显著成效。

平台借助地理信息系统（GIS）将新疆各地区水库分县、分区，以形象化可视化的方式展示水库地理位置（如图3）。在左上角可按地区搜索目标水库，点击水库可查看到具体水库相关主要信息和统计数据。

图3 平台“一张图”总览页面

针对具体水库，平台集中整合其主要数据信息，做成可视化数据展板，分水库信息、实时数据、过程线、数据统计信息、监测点分布图、报警信息几个板块内容展示（如图4）。测点分布板块可点击图纸上的点查看最新一条数据，也可点击历史数据查看其过程线；实时数据板块分监测项目展示测点最新一条，也可与过程线联动查看。水库首页内容丰富且操作方便，基本展示了该水库监测工作中最重要的最核心的内容。

图4  具体工程数据展板

5 结语

本文详细论述了新疆中小型水库安全监测云服务平台的研发背景与需求，阐述了平台架构与关键技术，介绍了平台功能与实际应用情况。实际水库应用结果表明本平台结合当地实际管理流程，对新疆地区中小水库数据整合，解决了新疆地区中小水库安全监管难题，极大程度上提高了水库安全监管效率，具有较高的使用价值和推广前景。推进水利信息化是一个逐步完善的过程，在未来，本系统将坚持“水利工程补短板、水利行业强监管”的总基调，并结合具体业务需求，继续提升和完善平台功能，从而更好的为大坝安全监测工作服务。

参考文献：

[1] 郭诚谦. 沟后水库溃坝原因分析[J]. 水力发电,1998(11):40-45.

[2] 毕方. 起始即悲剧-意大利瓦伊昂大坝[J]. 中国减灾,2020(6):36-41.

[3] 张龙. 新疆小型水库运行管理现状及对策建议[J]. 水利技术监督,2020(4):75-78.

[4] 何向阳,谭界雄,高大水,等. 基于云平台的水库安全管理信息化方案研究[J]. 人民长江,2019,50(11):233-236.

[5] 张玉炳,高大水,杨明化,等. 水库群综合管理市级平台的设计与实现[J]. 人民长江,2019,50(4):217-221.