開放數(shù)據(jù)和描繪大壩安全趨勢

美國·Florence Hsu，Theodore Thorson（1.華盛頓州生態(tài)部；2.西雅圖電力公司；.華盛頓大學(xué)土木和環(huán)境工程學(xué)院）

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開放數(shù)據(jù)和描繪大壩安全趨勢

美國·Florence Hsu1.2，Theodore Thorson3
（1.華盛頓州生態(tài)部；2.西雅圖電力公司；3.華盛頓大學(xué)土木和環(huán)境工程學(xué)院）

摘要：目前，受西雅圖-普吉特海灣地區(qū)動態(tài)科技和創(chuàng)業(yè)文化的影響，通過“云技術(shù)”進行數(shù)據(jù)分享已成為趨勢。這一趨勢也為大壩安全工程師、大壩業(yè)主和當?shù)氐陌踩賳T提供了新的機會，可實現(xiàn)便捷的信息共享和高效協(xié)同?！霸萍夹g(shù)”使社交媒體、眾包、搜索引擎和線上金融業(yè)務(wù)等實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)處理。有了云架構(gòu)的幫助，地理鍵控數(shù)據(jù)現(xiàn)在能應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括工程領(lǐng)域。所有數(shù)據(jù)和軟件都能便捷地使用地理地圖工具（如谷歌地圖和資源公開的公開街道地圖）來形成圖像地圖界面，以幫助大壩安全工程師處理大壩安全趨勢問題。

關(guān)鍵詞：開放數(shù)據(jù)；大壩安全；趨勢

0　引言

自20世紀60年代大壩成為基礎(chǔ)設(shè)施以來，華盛頓州內(nèi)大壩的風險因素在增加。除了傳統(tǒng)的與預(yù)估未來天氣荷載和大壩性能、確定人口趨勢及下游風險有關(guān)的工程挑戰(zhàn)以外，如今還面臨著資助大壩安全監(jiān)管項目和世代知識轉(zhuǎn)移的連續(xù)計劃等更重大的管理事宜。

1　華盛頓州的水電站和大壩

華盛頓州的人們能享受豐富多彩的生活方式以及經(jīng)濟方面的福利，大部分得益于該地區(qū)的山脈和河道系統(tǒng)。

南北向延伸的喀斯喀特山脈將華盛頓州的氣候分為兩部分：西部地區(qū)潮濕溫暖，東部的農(nóng)業(yè)區(qū)則更溫暖、更干燥。山脈的地形條件也為多數(shù)水電站和大壩提供了理想場地。大多數(shù)水電站坐落于華盛頓州的峽谷內(nèi)，如：貝克水電站和其上下大壩就建在著名滑雪區(qū)——貝克山附近。另外，從加拿大發(fā)源、經(jīng)由華盛頓州和俄勒岡州邊界注入太平洋的哥倫比亞河是該區(qū)域水電的主要來源，由聯(lián)邦哥倫比亞河電力系統(tǒng)管轄。

鑒于太平洋西北地區(qū)的電力來源組合中水力發(fā)電占比較大，因此，華盛頓州的大壩和水力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的管理和維護工作是重中之重。

2　技術(shù)

2.1基于微軟和瀏覽器的數(shù)據(jù)庫報告

迎接大壩和水電基礎(chǔ)設(shè)施老化挑戰(zhàn)的信息工具箱提供了許多高效且實惠的選擇。

圖1　華盛頓州內(nèi)主要的大壩和水電站Fig.1 Major dam and hydropower projects in Washington state

但在大壩安全工程團體內(nèi)部，報告通常都采用文字處理或電子表格工具的形式，既不利于高效的信息共享，也不利于數(shù)據(jù)的可視化。但是有一種良好的報告形式，可提供同樣的信息分享、搜索和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的制圖靈活性，而不需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

圖2　太平洋西北地區(qū)的發(fā)電裝機占比圖Fig.2 Power generation capacity in the Pacific Northwest

圖3　數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的大壩安全報告模板，開發(fā)成了在微軟操作系統(tǒng)上可應(yīng)用的HTML應(yīng)用形式Fig.3 A database driven dam safety reporting template devel?oped as a HTMLapplication available on Microsoft operating systems

雖然客戶端數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的應(yīng)用目前在技術(shù)領(lǐng)域還是大新聞，移動設(shè)備已有功能強大的應(yīng)用，可以在本地設(shè)備上儲存數(shù)據(jù)，但微軟操作系統(tǒng)從很多年前開始就已支持客戶端的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。這些應(yīng)用均采用VB腳本語言編寫。為小型工程團體整合數(shù)據(jù)的大壩安全報告應(yīng)用也可開發(fā)成微軟HTML應(yīng)用，其中HTML代表超文本結(jié)構(gòu)語言。該應(yīng)用可加入目錄讀取和文件搜索功能，并可加入Java和 JQuery的地圖和制圖功能。微軟操作系統(tǒng)中的HT?ML應(yīng)用采用HTA擴展名命名，HTA就代表著HT?ML應(yīng)用。

應(yīng)為大壩安全相關(guān)信息建立通用的數(shù)據(jù)庫存儲體系，組建小型至中型的工作組收集與工程和壩址相關(guān)的可用于在后續(xù)規(guī)劃場景中分享和可轉(zhuǎn)移的歷史信息和詳情。報告應(yīng)用也可以建立一種統(tǒng)一的方法來預(yù)估監(jiān)管組合中各大壩工程的淹沒區(qū)域以及風險分類。綜合的地圖特征可提供下游與居民和其他障礙物相關(guān)的風險的當前信息，并附上河道和地形信息。

2.2谷歌地圖、開放數(shù)據(jù)及開放街景地圖

對大規(guī)模的工程組合而言，地圖界面對大壩安全報告是非常有用的，對呈現(xiàn)與水電站和大壩相關(guān)的廣泛的事件矩陣也非常有用。圖4是一谷歌地圖案例，可以點擊和搜索，以顯示太平洋西北地區(qū)主要的水電站和電力工程。

圖4　太平洋西北地區(qū)的發(fā)電企業(yè)，采用谷歌地圖實現(xiàn)的交互式地圖Fig.4 Power generation in the Pacific Northwest，an interactive map using Google maps

使用谷歌地圖應(yīng)用編程界面可能需要支付一定的許可費并受到一定的限制，但也有谷歌地圖之外的其他選擇。其他可選用的開放資源的地圖工具是開放街景地圖和開放海域地圖。開放街景地圖從一個公開資源的地圖項目進化成了一個廣泛使用的、含有大量數(shù)據(jù)的界面。提供該技術(shù)應(yīng)用的是創(chuàng)始人史蒂夫·考斯特和來自全世界的自愿使用者。他們按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)提供協(xié)議來提供地理信息系統(tǒng)。目前，這一地圖工具擁有必應(yīng)地形層、航海圖表和天氣數(shù)據(jù)等特性。目前，史蒂夫·考斯特是微軟的必應(yīng)技術(shù)架構(gòu)師，作為開放街景地圖應(yīng)用的一部分，必應(yīng)地形數(shù)據(jù)是免費提供的。

基于瀏覽器的地圖可實現(xiàn)多種功能，包括小型或微型水電站的選址和優(yōu)化，這是美國和加拿大國內(nèi)一個重要的發(fā)展趨勢。

圖5　用開放街景地圖生成的華盛頓州內(nèi)大壩的交互式地圖Fig.5 An interactive map of dams in Washington State created with Open Street Maps

圖6　虛擬的水電站探勘地圖應(yīng)用，愛達荷國家圖書館Fig.6 Virtual Hydropower Prospector map application，Idaho National Laboratory

2.3西雅圖、Socrata公司、云計算和創(chuàng)業(yè)文化

因咖啡文化和擁有像微軟、亞馬遜等技術(shù)巨人而聞名的西雅圖市為創(chuàng)業(yè)者們提供了一個有活力的環(huán)境。在討論大壩安全管理的信息共享和開放資源地圖軟件時，必須要提到的是Socrata公司，它是一家位于西雅圖的云數(shù)據(jù)公司。

Socrata與西雅圖市聯(lián)合，將城市基礎(chǔ)設(shè)施和人口統(tǒng)計信息集合到了云數(shù)據(jù)服務(wù)器上，可免費下載并應(yīng)用。這一開放數(shù)據(jù)模型表明了一個趨勢，這對大壩安全管理非常有價值。那些集合可靠的如天氣、河道水位或地形數(shù)據(jù)等當前信息的組織正更多地將其數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)存儲庫中。能想到的有價值的網(wǎng)站有waterwatch.usgs.com和geology.com.等。

免費數(shù)據(jù)和開放資源編程界面的使用是信息技術(shù)中一個大的轉(zhuǎn)向。許多習(xí)慣于專有桌面應(yīng)用的組織可能會對這一范例轉(zhuǎn)變就其使用和實施的便利性、理論上要求高度信任和協(xié)作的范例總體的可靠性和安全性提出疑問。

雖然開放資源軟件和開放數(shù)據(jù)工具目前缺乏審查，用戶的幫助和支持是由企業(yè)計算工具提供，但對開放資源工具的使用正在增加。另外，有關(guān)故障的用戶支持和技術(shù)幫助也正在增加，如西雅圖的創(chuàng)業(yè)公司——DigitSec（digitsec.com）公司這樣的單位，正在組織論壇研討與目前大熱的開放資源工具有關(guān)的安全審核和其他方面事宜。

3　大壩安全趨勢

3.1知識轉(zhuǎn)移、持續(xù)規(guī)劃和管理挑戰(zhàn)

雖然各大壩安全組織在其使用的技術(shù)工具方面有很大區(qū)別，但都意識到了知識轉(zhuǎn)移和持續(xù)規(guī)劃的必要性。在華盛頓州，大壩安全監(jiān)測因為員工退休原因面臨著組織知識的流失。降低預(yù)算是現(xiàn)在面臨的另一個挑戰(zhàn)。

承載著組織知識的、能長久保存的數(shù)字檔案包括壩址詳情和水文學(xué)方法等，這些數(shù)字檔案在持續(xù)規(guī)劃事宜中將發(fā)揮作用。這些數(shù)字檔案保存了工作團隊集合起來的知識，使這些知識非常有用且在可搜索的綜合框架內(nèi)可獲取。這一數(shù)字知識數(shù)據(jù)庫可使工作人員輕松地從歷史和地域的角度跟蹤和分析大壩安全評估。

3.2人口和氣候趨勢

雖然天氣預(yù)報還不夠精確，但冬天會發(fā)生更大的暴風雪、夏天會更熱、更干旱的氣候變化趨勢對小型大壩和大型水利工程等來說也有一定的影響。特別可能出現(xiàn)問題的是華盛頓州內(nèi)1 000多座用于各種用途，從休閑娛樂到攔蓄工業(yè)用水的小型到中型大壩。這些設(shè)施通常位于人口密度不斷增加的區(qū)域，且相對目前的風暴強度和下游災(zāi)害風險來講，其應(yīng)急溢洪設(shè)施明顯不足。

另外，常用的分析方法（如HEC-RAS）對已知事件使用精確模型，且相對于現(xiàn)在投入大壩安全的資源減少的背景下，它需要耗費大量的時間和資源。應(yīng)開發(fā)可為大壩業(yè)主提供有價值的預(yù)防性指導(dǎo)的分析方法和改進的報告工具，并建立一致的風

險分類系統(tǒng)。與大壩相關(guān)聯(lián)的公共安全風險與這些事宜都息息相關(guān)。

3.3大壩業(yè)主和信息共享

通常大壩業(yè)主均能意識到與其大壩設(shè)施相關(guān)的安全事宜，并能遵循應(yīng)急和長期維護導(dǎo)則而開展工作。大壩業(yè)主和工程及監(jiān)管組織間數(shù)字信息共享可促進交流、文檔編制和存檔。

圖7為一個大壩安全報告模板。報告模板從數(shù)據(jù)庫中提取大壩信息，將這些信息與最近現(xiàn)場檢查所獲得的發(fā)現(xiàn)結(jié)合起來可簡化大壩安全官員和大壩業(yè)主間的交流和報告過程。

4　結(jié)語

提高技術(shù)能力可為當前大壩安全管理流程提高效率，并幫助應(yīng)對持續(xù)規(guī)劃和預(yù)算下降等問題。西雅圖-普吉特灣地區(qū)為大壩安全管理引入新的數(shù)字范例提供了一種積極向上的知識和商業(yè)環(huán)境。

圖7　大壩安全報告互動模板Fig.7 An interactive template for dam safety reporting

文獻來源：ICOLD 2013 International Symposium

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

Title:Open data and mapping dam safety trends//by Florence Hsu and Theodore Thorson//Washington State Department of Ecology

Abstract:A general trend toward data sharing via the"cloud"，helped in great part by the dynamic tech?nology start-up culture in the Seattle-Puget Sound area，offers dam safety engineers，dam owners，and local safety officials new opportunities for easy information sharing and efficient collaboration.The "cloud"enables efficient sharing and processing of data for social media，crowd-sourcing，search en?gines，and online financial transactions.With the help of cloud architecture，geographically-keyed data is now available for many uses including engineering.Both data and software are easily leveraged with geographical mapping tools like Google maps and the open source Open Street Maps to create graphical mapping interfaces that help dam safety engineers address dam safety trends.

Key words:open data；dam safety；trends

中圖分類號：TP315

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1092（2016）01-0061-04

收稿日期：2015-12-25