陈述平，杨成群

(1.新华水力发电有限公司,北京 100070；2.湖南涉外经济学院信息与机电工程学院,长沙 410025)

大坝安全事关人民生命财产安全和社会稳定，而安全监测是水库大坝安全管理的重要工作。目前，66.64%的大型水库建设了自动化系统，56.98%的大坝监测系统采用自动化监测为主、人工为辅的方式[1]。各种C/S和B/S架构的大坝运行安全管理信息系统的出现[2]，为水库大坝管理做出了积极的贡献。

随着技术的发展以及人们对大坝安全监测内涵的深入认识，智能化传感设备和虚拟现实技术的应用进一步使监测数据多样化[3- 4]。监测数据从一维发展到二维和三维，而且数据量极大。数据种类更为复杂，包括结构化数据、大量半结构化和非结构化数据[5- 6]。另有研究提出，水利工程建设初期就应规划好与信息技术的融合，使工程数据持续发挥价值[7]。这对数据的查找、统计、分析和运用提出了新的要求，而传统信息平台架构的工作方式老旧，应急响应和预警时效性差，资源复用性不强，数据运用不深入，不能适应新时代的要求。

本文设计和实现的新型大坝运行安全监测应用云计算技术将分散的、异构的信息系统集成；应用大数据技术收集和处理通过物联网获得的数据；利用GIS技术、数据挖掘等技术建立安全监测数据仓库，从中发现新的规律。

1 基于云架构的大坝系统应用优势

1.1 数据处理更快

传统架构对数据逐条读取、修改、查询和录入，当数据量不大时，处理时间可以接受。但是当数据到达海量级别后，任务处理时间漫长，甚至出现服务器程序崩溃或者死机的现象。基于云架构技术的信息平台，具有分布式结构，运用并发机制，使TB级别的数据分析可在数小时内完成。同时，系统还可整合分布在云端的大量闲置硬件资源，以更少的时间完成任务[8- 9]。这些优势在对历史监测数据挖掘时更为明显。

1.2 数据运用更全面

由于信息采集和管理软件功能更为完备、可操作性和正确性更高。基于云架构的大坝监测系统的运行维护更有效，自动化系统更可靠[10]。系统将监测数据统一管理，并自动生成各类监测月报、年报、数据统计表、测量成果表等。系统实现多坝综合监控的一站式管理平台，利用网络传输技术，实现远程动态监测、对监测数据的后台实时评估和报警，保障大坝安全信息的及时处理和传递，实现快速反应，为大坝运行决策提供了有力支持[11]。

1.3 资源节约更经济

第一次水利普查数据说明，我国目前已有各种规模的水库超过9.8万座，病险水库数据约4万座[12]，大坝安全监测系统的建设需求很迫切，所需费用很高。在企业提质增效和扩大经济效益的背景下，寻求资源节约型的建设方法具有重要意义。

图1 系统总体业务流程

一些研究从管理方法上提出新思路，例如，针对性的监测，只对关键项目、关键时间和关键结构进行监测，或者使用更为经济的监测设施[13- 15]。这些举措能缓解问题，但不能从根本上平衡信息化投入和经济效益提高之间的关系。基于云计算的信息化平台，具有虚拟化、安全性、高扩展性和高可用性，将应用部署在云端，用户不必关注软、硬件问题，可通过托管方式和混合管理等模式节约建设费用，按需付费，更加经济；也可通过价值链上的多方分工协作，使数据在生态圈中流动，依靠创新应用和新价值为企业赋能。

2 系统总体业务流程

系统实现对大坝安全、工情、视频等实时监测监控，经过后台配置业务规则判断数据是否越限；对于越限的监测数据，系统自动启动安全告警，并通知责任人，由其核实并处理。现场管理人员将巡视检查中发现的问题上报至上级管理部门，及时进行维修养护。对于突发事件以及巡检发现的重大险情等问题，通过事态分析，确认应急响应的级别，启动相应的应急预案，基于态势一张图，进行应急处置。其总体业务流程如图1所示。

3 系统设计

3.1 云架构设计

大坝运行安全管理监测信息综合应用了物联网、云计算、大数据等技术，系统总体技术架构设计如图2所示。

3.1.1云数据交换

通过数据网关对接不同种类的设备采集数据，提供数据导入/导出工具提供第三方数据入库，通过ETL工具完成不同数据的导入和转换，从大坝、水库等系统或传感器采集相关数据。

3.1.2云存储

提供数据存储隔离、可用性管理、配额管理，元数据管理、数据分类审计等数据治理功能，系统能水平扩展。

3.1.3云计算

按用户、作业种类进行资源分配、资源调度，提供用户和计算作业隔离，可视化作业执行状况。

3.1.4云平台服务

为上层提供基础的业务能力、平台级别的身份认证、访问控制和业务隔离功能。

3.1.5云服务

通过Restful API方式对外提供统一查询接口，支持接入基于平台规范的第三方微服务来对平台进行插件式业务扩展。提供综合查询、监测监控、分析评估、运行管理以及应急响应等业务功能。

图2 系统的云架构设计

3.1.6云平台管理

集成了平台基础运维功能、平台信息安全管控、平台资源管理、策略控制。

3.1.7云安全

通过安全管理框架，解决数据访问授权和审计功能，提供细粒度的数据访问控制，提供加密存储功能，对敏感数据提供脱敏访问。

3.2 业务数据流程

系统数据流的源点主要包括两部分：一是库坝监测设施采集的水雨情、大坝安全监测、视频图像以及人工巡检记录等数据；二是从气象部门获取的气象信息。以上各部分数据统一汇聚到系统数据库中。系统业务数据流程如图3所示。

4 系统的功能设计及实现

系统基于Restful实现微服务，实现业务上的隔离，可以做到独立部署和运行。目前，系统主要实现了综合查询、监测监控、分析评估、运行管理以及应急响应功能。

4.1 综合查询

通过GIS地图、列表等方式，系统的各级用户可以根据相应的权限，自定义模糊查询所管理范围内库坝的基本信息。库坝一张图基于地理信息服务，可实现缩放、移动、图层筛选等可视化查询。

4.2 监测监控

库坝监测监控的内容主要包括水情监测、大坝安全监测、闸门监测、视频监控以等，监测方式包括人工监测、自动化监测，如图4所示。

系统在防汛统一业务平台提供的GIS支撑服务基础上，通过地图标注、图表等直观方式对水雨情、闸门、视频、大坝变形、渗流压力、渗流量等的实时和历史监测信息进行查询、统计、预警等，使各级单位可在自己权限范围内全面了解库坝运行状态。

4.3 分析评估

应用阈值法、异常数据处理、相关分析等算法，对监测监视采集的数据进行整编分析，通过结构分析、渗流分析以及综合分析判断大坝安全状况；结合水利工程风险管理方法识别风险，依据规范库坝进行安全评价，并可按照预定义规则对以上过程中的异常状态进行预警和警报。

图3 系统业务数据流程图

图4 监测数据的实时监控

监测资料分析包括数据检验、异常数据处理、时序分析和相关分析等。安全分析包括变形分析、渗流分析。

4.4 运行管理

运行管理涵盖水利工程日常运行维护业务，分为巡检、维修养护、调度管理、单元化管理等功能模块。

巡视检查实现对计划、人员、记录统计的管理功能。维修养护实现计划编制、上报、审批和记录功能。调度实现方案的输入、查询并能跟踪方案执行情况。单元化管理提供安全单元划分、上报、安全处理、状态监控和统计分析功能。

4.5 应急响应

应急响应的基础是库坝管理单位编制的应急预案，系统提供应急预案的查询功能、与应急资源的对接功能。基于GIS技术，态势一张图能实时展示事件状况和运行状态等，系统还提供应急信息的接收和发布、事件管理和指挥调度功能。

5 结语

基于云架构技术的大坝运行安全监测信息系统实现安全监测数据采集、分析评价、远程操控等统一管理，实现全环节的数据共享利用、数据统一分析评价，较好地解决了大坝地域范围广、测点繁杂，系统难以集中管理，监测数据分析不到位、预警不及时等问题，实现了大坝安全监测工作规范化、标准化，为大坝安全管理提供辅助决策支持，为实现减员增效提供技术支撑。