新疆中小型水庫安全監測云服務平臺研發與應用

1 引言

根據數據顯示，截止2019年新疆已建、在建和計劃建設達578座，這些水庫有力地保障了農業灌溉、城鄉生活供水需求。而水利水電工程一旦失事帶來的將是一場災難，國內外均曾經歷慘痛教訓，如：青海省溝后水庫失事造成直接經濟損失約1.53億[1]，意大利的瓦伊昂大壩（VajontDam）事故造成5座村莊被淹沒，2000人死于洪水[2]。因此，保證水利工程安全運行至關重要。近年來，國家亦是高度重視水利信息化工作的推進，加大智慧水利的建設力度，為積極響應國家號召，新疆地區擬將境內中小型水庫信息集中管理，分層分級地對各水庫實施安全監管，保證各水庫安全運行。

本研究采用調查法、功能分析法、經驗總結法等多種研究方法，為新疆地區水庫信息化工作推進提供一個適應當地部門實際業務需求的水庫安全監測云服務平臺，徹底解決新疆地區水庫信息分散、安全監測工作難、消耗人力資源高等一系列問題。

2 現狀及需求分析

2.1 新疆地區水庫管理現狀

新疆地區一部分水庫現已有基礎的信息化系統，配備有智能感知系統感知水庫大壩各項關鍵指標數據，但仍然存在不足。

安全監測設施方面：許多中小水庫監測設施不完善，尤其建設年代久遠的水庫，沒有配備大壩位移、滲漏等安全監測設施以及水雨情測報監測設施，經過多年的運行，工程老化，失修失管現象嚴重，存在安全隱患，嚴重威脅下游人民的生命財產安全[3]。

監測數據管理分析方面：根據去現場實際調查的結果，現階段新疆各地區水庫所采用的安全監測設備并不是出自同一廠家，鑒于各廠家儀器的差異，各個水庫的信息基本相互獨立，每個水庫必須使用與采集設備配套的數據管理客戶端軟件來監管和分析采集的數據。分隔式的信息管理方式數據在各地區部門之間不能互通有無，形成信息孤島，不能全面掌握水庫基本信息及實時運行情況，另外各軟件的數據標準和分類不一致，導致已有的監測數據不能得到有效利用[5]。

水庫監管人員日常工作上：水庫監管人員只能定期去水庫現場的監測站點查看和處理監測數據，然而新疆地域廣闊，每個水庫相距較遠，導致安全監測數據處理和分析嚴重滯后，耗費人力資源的同時得到的確是較低的安全監管效率。

2.2 新疆中小型水庫安全監測云服務平臺需求分析

根據新疆地區地域特征及當地中小水庫管理現狀，新疆中小型水庫安全監測云服務平臺需實現如下特性：

1) 兼容并包性。即能兼容已有智能感知設備采集的數據，又能將各個水庫之間的壁壘打通，方便整合各水庫采集的數據，降低水庫管理難度，提高水庫管理效率以及安全監管水平。

2) 相對獨立性。大型的水庫可以根據需求建設業務系統，但中小型水庫考慮財力消耗與實際價值，往往不建議建設[4]。因此統一的云服務平臺上則需要虛擬隔離，保證各地區相對獨立，實現水庫分地區，人員分層分級，上級人員可為下級人員指派不同的地區或水庫，分工明確，出現問題可快速追溯到地區乃至責任人。

3) 數據完整性和安全性。采集數據可長期存儲不丟失，自動采集設備遇到故障時可通過補讀機制保證數據完成。

4) 實時性與及時性。即采集數據實時存儲，發現異常狀況需及時預警。

3 設計與實現

3.1 系統整體架構

新疆中小型水庫安全監測云服務平臺整體系統架構如圖1所示，將系統劃分為云服務平臺基礎架構層、監測感知層、數據資源層、系統服務支撐層、業務應用層和服務終端層。

基礎架構層：是一種集成了虛擬計算資源和存儲設備的信息基礎架構，為整個平臺系統提供運行所依賴的基礎設施，如網絡設備、存儲設備、服務器等。在本層通過虛擬化技術將資源池化，以實現資源的按需分配和快速部署。

監測感知層：主要由各種智能傳感器、攝像機、水雨情監測站等數據感知設備構成，用于感知采集監測結構物的相關物理量或環境量，采集的數據以一定的傳輸方式，一般為無線傳輸方式（4G/NB-IoT/WiFi等）傳輸至平臺的數據資源層。

數據資源層：采用分布式數據存儲策略，存儲與平臺相關的一切數據，如監測感知層采集的數據、手動錄入的數據（用戶信息，工程信息等）以及平臺內置的系統模型數據等。

系統服務支撐層：是連接數據資源層與業務應用層之間的紐帶，系統服務支撐層服務層只知道一系列可行的相互作用的協議，它通過事務、資源管理、協調、數據消息等處理細節將數據資源抽象轉化為業務應用層所需的類型。

業務應用層：是實現系統業務功能的核心邏輯層，根據不同的業務場景設計編寫不同的處理邏輯精細處理加工數據，并將處理后的數據通過一系列接口交由服務終端層展示呈現。系統服務支撐層和業務應用層對數據的處理不會影響數據資源層存儲的數據。

服務終端層：是與用戶交互的人機交互層，根據用戶的輸入呈現相關業務數據，在本層使用時序數據可視化技術、并行可視化技術、數據對比分析技術、數據組合分析技術等多種數據可視化技術來展現數據。

圖1 整體系統架構

3.2 業務功能

根據當地相關部門實際的業務需求，新疆中小型水庫安全監測云服務平臺主要包括平臺管理和具體水庫數據管理兩部分，其中平臺管理包括水庫基礎信息維護、水庫人員及權限管理、外部數據源模塊、系統基本設置與監控模塊；具體水庫數據管理包括數據管理與分析模塊、監測測點管理模塊、文件模塊、工程巡檢模塊、實時預警模塊、自動化監測設備管理模塊。新疆中小型水庫安全監測云服務平臺功能結構如圖2所示。

圖2 平臺功能架構圖

用戶管理模塊：實現用戶賬號管理，采用多種加密和保護機制保證賬號安全。

權限管理模塊：實現用戶權限按職責實際分配，可給不同的用戶分配不同的水庫及系統權限。

水庫信息維護：管理水庫基本信息及地理位置信息實現，支持按區域劃分水庫。

數據源配置模塊：針對外部數據源做相關配置，保證平臺對老的采集設備采集到的數據的兼容。

系統管理模塊：實現系統默認公式庫等系統默認信息配置與管理。

系統監控模塊：實現對系統使用人員的使用記錄、各項功能操作日志管理與分析、系統內部多項服務模塊監控等功能。

數據管理模塊：實現對采集數據的整編與管理，提供數據校驗、重新計算、手動數據錄入等功能。

數據分析模塊：通過組合、對比、特征值等多種手段對數據進行可視化的分析處理。

監測測點管理模塊：實現對具體水庫的監測測點基本信息、安裝位置、監測項目、計算公式等內容配置管理。

自動化監測模塊：實現自動化設備添加、配置和組網，設置自動采集與上報頻次，監測自動化設備的電壓、溫濕度、上線情況等多項功能。

實時預警模塊：實現多報警級別的實時監控預警模式，報警區間可根據實際需求自定義。

遠程設備調試模塊：實現遠程在線對監測設備調試、故障診斷等功能。

工程巡檢模塊：實現巡檢表單自定義、巡檢內容上傳、巡檢結果跟蹤評定等功能。

文件模塊：實現對系統產生的系統文件以及用戶上傳到平臺的相關文檔、報告管理進行管理。

3.3 關鍵技術與平臺優勢

平臺采用基于SaaS的云計算架構、時序數據庫、關系型和非關系型數據庫等關鍵開發技術；數據傳輸使用4G、NB-IoT、WiFi等無線傳輸技術；部署方式采用私有云部署方式；總體來說新疆中小型水庫安全監測云服務平臺具有以下優勢：

1)低成本、免運維、易使用?；赟aaS架構的云服務平臺低成本免運維，云計算使得云平臺可動態提供可伸縮的計算、存儲、網絡等虛擬化資源，并以服務的方式提供 給用戶。用戶不需要關注底層的硬件資源，從而可讓用戶把重點放在數據整合、軟件功能上，大大提高用戶體驗和軟件的可用性。

2)數據實時性。平臺運用以傳感器和自動化采集系統為主體的在線采集系統，可實現全天候不間斷的從云端對大壩進行實時監控，發生報警時可主動推送預警信息。

3)支持大數據場景。采用時序數據庫、關系型和非關系型數據庫結合的方式，適合大數據量、高并發、高吞吐量的數據場景，可完美支撐大壩安全監測的不同場景。

4)安全可靠性。該平臺采用私有云部署方式，可確保數據信息牢牢掌控在用戶手中，杜絕外界干擾，同時避免在接入公有云時偶遇不兼容的尷尬情形。

5)靈活權限控制體系。新疆中小型水庫安全監測云服務平臺的權限可按照操作界面、不同地區、不同水庫進行靈活劃分，既適用于高權限級別的省級和地區管理人員，也適用于某水庫管理人員乃至某水庫里的專職人員使用。

4 平臺應用

新疆中小型水庫安全監測云服務平臺自正式上線以來，已應用于新疆各地區20多座中小水庫中，在現階段安全監測工作取得顯著成效。

平臺借助地理信息系統（GIS）將新疆各地區水庫分縣、分區，以形象化可視化的方式展示水庫地理位置（如圖3）。在左上角可按地區搜索目標水庫，點擊水庫可查看到具體水庫相關主要信息和統計數據。

圖3 平臺“一張圖”總覽頁面

針對具體水庫，平臺集中整合其主要數據信息，做成可視化數據展板，分水庫信息、實時數據、過程線、數據統計信息、監測點分布圖、報警信息幾個板塊內容展示（如圖4）。測點分布板塊可點擊圖紙上的點查看最新一條數據，也可點擊歷史數據查看其過程線；實時數據板塊分監測項目展示測點最新一條，也可與過程線聯動查看。水庫首頁內容豐富且操作方便，基本展示了該水庫監測工作中最重要的最核心的內容。

圖4  具體工程數據展板

5 結語

本文詳細論述了新疆中小型水庫安全監測云服務平臺的研發背景與需求，闡述了平臺架構與關鍵技術，介紹了平臺功能與實際應用情況。實際水庫應用結果表明本平臺結合當地實際管理流程，對新疆地區中小水庫數據整合，解決了新疆地區中小水庫安全監管難題，極大程度上提高了水庫安全監管效率，具有較高的使用價值和推廣前景。推進水利信息化是一個逐步完善的過程，在未來，本系統將堅持“水利工程補短板、水利行業強監管”的總基調，并結合具體業務需求，繼續提升和完善平臺功能，從而更好的為大壩安全監測工作服務。

參考文獻：

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[3] 張龍. 新疆小型水庫運行管理現狀及對策建議[J]. 水利技術監督,2020(4):75-78.

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[5] 張玉炳,高大水,楊明化,等. 水庫群綜合管理市級平臺的設計與實現[J]. 人民長江,2019,50(4):217-221.