基于云平臺的湖北省小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)設(shè)計與實踐

代春蘭，湯文華 ，湯 宏

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2.黃岡市水利規(guī)劃設(shè)計院，湖北 黃岡 438000)

0 引 言

湖北省共有小型水庫六千余座，其中小(1)型約占1/4，小(2)型約占3/4，絕大部分水庫修建于20世紀(jì)五六十年代，受當(dāng)時歷史條件的限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，配套設(shè)施簡陋不全，經(jīng)過幾十年的運行，工程老化、失修失管現(xiàn)象嚴(yán)重，安全隱患十分突出，嚴(yán)重地威脅著下游人民生命財產(chǎn)的安全[2]。

近幾年，通過小型水庫除險加固工程的建設(shè)，部分小型水庫的工程安全得到改觀，但由于小型水庫庫容有限，部分地區(qū)局地暴雨，小型水庫安全度汛存在極大問題。再加上管理人員不足、監(jiān)管手段落后，如準(zhǔn)備不充分、措施不到位、搶險不及時，很可能會造成垮壩失事的重大事故，后果將不堪設(shè)想。這關(guān)系到水庫下游人民群眾生命財產(chǎn)安全，關(guān)系到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會穩(wěn)定和發(fā)展，是一個重要的民生問題。

根據(jù)小型水庫的工程特點和管理現(xiàn)狀，吸取數(shù)十年來的經(jīng)驗教訓(xùn)，設(shè)計實現(xiàn)了一套先進、可靠高及低成本的解決方案，實現(xiàn)小型水庫的水雨情采集規(guī)范化、自動化，為決策和災(zāi)害評估等提供準(zhǔn)確、及時和充分的依據(jù)，最大限度避免或較少發(fā)生小型水庫失事。

1 設(shè)計思路

雨量、水位是防汛抗旱的重要數(shù)據(jù)依據(jù)，小型水庫大多呈現(xiàn)庫容小、數(shù)量多、分布廣、管理落后等特點；因此，針對小型水庫的水雨情測報系統(tǒng)應(yīng)具有低成本、高可靠、易維護、使用簡單等特性。

從分析小型水庫實時監(jiān)測方面存在的問題入手，解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：①采用聲波式水位、雨量監(jiān)測技術(shù)，解決低成本、高精度的水雨情監(jiān)測問題。②采用隔絕式防雷等技術(shù)，保證系統(tǒng)設(shè)備在惡劣自然條件下的安全運行。③研究應(yīng)用基于云平臺的海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理和同步技術(shù)，提高了系統(tǒng)并發(fā)處理能力，保障了系統(tǒng)的可靠性和可用性。④利用云平臺的資源管理及動態(tài)伸縮、小型水庫洪水預(yù)報、動態(tài)監(jiān)管及預(yù)警和3D GIS及潰壩仿真等關(guān)鍵技術(shù)，保證監(jiān)管和預(yù)警的高效、實時和可靠。

2 總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分為采集層、數(shù)據(jù)層、支承層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

采集層：實時準(zhǔn)確地采集小型水庫的庫水位、降雨量、實時現(xiàn)場圖像等信息，遙測終端機存儲、加密后實時或定時發(fā)送到管理部門的服務(wù)器。遙測終端機必須同時兼容多種信道傳輸，包括GPRS網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星傳輸。

圖1 小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)接收、入庫服務(wù)負責(zé)實時接收遙測終端機發(fā)送來的數(shù)據(jù)。必須能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地處理、解析實時水雨情、圖像、視頻等數(shù)據(jù)，且在3 000數(shù)量級以上終端并發(fā)傳輸時依然能夠保證期性能不出現(xiàn)明顯下降。小型水庫動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，除了圖像之外的所有數(shù)據(jù)包括小型水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實時水雨情數(shù)據(jù)、歷史水雨情數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、用戶安全管理數(shù)據(jù)等均存儲在云數(shù)據(jù)庫中。

支撐層：主要包括應(yīng)用系統(tǒng)運行所必須的支撐服務(wù)。主要有Web應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)等等。

應(yīng)用層：包括小型水庫動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的Web應(yīng)用系統(tǒng)以及Web服務(wù)。其中Web應(yīng)用系統(tǒng)也就是業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中可以監(jiān)測、查詢、分析、統(tǒng)計小型水庫的運行狀況等信息。Web服務(wù)主要是對外提供數(shù)據(jù)接口，供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，以無縫接入到其他系統(tǒng)中去。保證系統(tǒng)的擴展性和可移植性。

角色層：角色有三類，一是管理人員，主要包括水務(wù)局、防汛辦的業(yè)務(wù)管理人員和領(lǐng)導(dǎo)，具有管理權(quán)限；二是公眾，他們可以查看一些公開的小型水庫信息；三是其他應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過Web服務(wù)調(diào)用、抽取小型水庫動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的實時水雨情數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲波水位計

小型水庫數(shù)量龐大，工程條件參差不齊，水位監(jiān)測設(shè)計目標(biāo)為死水位，因此，要求采用的水位計具有廣泛的安裝適應(yīng)性，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。本設(shè)計選用可聞聲波作為測量信號的聲波水位計。該水位計采用多點反饋差分技術(shù)進行多重綜合信號差分處理，消除了環(huán)境因素對測量精度的影響，有效避免了因大氣壓力、環(huán)境溫度等變化對監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象。

3.2 聲波雨量計

本設(shè)計采用聲波式雨量計，設(shè)計降雨強度提高到16 mm/min，較其他雨量計所能監(jiān)測的雨強強度提升一倍，進一步提高對強降雨的適應(yīng)能力和監(jiān)測水平。

3.3 隔絕式防雷技術(shù)

小型水庫數(shù)量多而分散，大多處于雷區(qū)，結(jié)合水雨情遙測系統(tǒng)的雷擊破壞特點及破壞概率，采用一體化設(shè)計。以法拉第籠原理和等位體原理為理論基礎(chǔ)，設(shè)備高度集成，并將電子設(shè)備和直擊雷防護系統(tǒng)之間進行絕緣隔離，避免直擊雷對設(shè)備的損壞。

3.4 基于云平臺的海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理技術(shù)

本系統(tǒng)實時監(jiān)測終端采集的信息包括：水位、雨量、溫度格式化信息和圖片、視頻圖片等非格式化數(shù)據(jù)。一般情況下設(shè)定為每隔15 min，各監(jiān)測站點同時向云中心發(fā)送實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，各站點還可根據(jù)情況對監(jiān)測密度進行定制，尤其是汛期，可對某些危險度較高的水利工程設(shè)定監(jiān)測間隔時間加密至5 min等，另外還可人工進行召測。隨著水利工程實時監(jiān)測應(yīng)用的推廣，終端數(shù)量不斷增加，傳輸處理的數(shù)據(jù)信息具有規(guī)模大、傳輸頻繁、突發(fā)、并發(fā)等特點。為了確保系統(tǒng)安全、可靠、高效，在以下環(huán)節(jié)提高并發(fā)處理的性能：

(1)在傳輸協(xié)議上，采用單包校驗、包排序等數(shù)據(jù)一致性校驗技術(shù)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)在接收環(huán)節(jié)上，采用多變量自適應(yīng)線程池技術(shù)[3]、高可靠性分布式接收處理技術(shù)以及云服務(wù)部署，將基礎(chǔ)設(shè)施資源(計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬等)進行虛擬化和池化管理，實現(xiàn)資源的動態(tài)分配、回收和再分配，提高資源利用率，提高并發(fā)處理的時效和可靠性。

(3)在I/O讀寫環(huán)節(jié)上，為解決大量非結(jié)構(gòu)化文件存儲和訪問的問題，針對水利工程實時監(jiān)測系統(tǒng)中圖像文件多且小的特點，我們研究了基于云平臺的分布式文件系統(tǒng)，它將大量小文件拼接然后再分割存儲，大大提高了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲訪問效率。

基于云平臺的分布式文件系統(tǒng)針對小文件和大文件實現(xiàn)了統(tǒng)一的分布式存儲，不過其底層實現(xiàn)是有所不同的。

對于大文件，通過將大文件切割成塊，然后將各個塊分別存儲到集群的各個節(jié)點上，并將文件的信息和文件切割成塊的信息(包括塊的位置等)等記錄起來，保存在元數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)要讀取時可以通過元數(shù)據(jù)文件中的索引信息讀取指定文件[4]。

而對于小文件，其實現(xiàn)要復(fù)雜些。首先將海量小文件組織成二進制流形式拼接成大文件，并為其建立索引表，然后分割存儲在不同的物理服務(wù)器，提高文件存儲效率。每一個數(shù)據(jù)塊都有多份備份，讀取數(shù)據(jù)時可同時從不同的服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù)，提高I/O效率。

本系統(tǒng)使用的云環(huán)境：CPU總核數(shù)為16核，64 GB內(nèi)存，WINDOWS系統(tǒng)盤100 GB，數(shù)據(jù)盤4TB，帶寬50 Mbps。

3.5 小型水庫動態(tài)監(jiān)管預(yù)測預(yù)警技術(shù)

本設(shè)計基于3D GIS以及各種軟件技術(shù)，研發(fā)了水利工程動態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了動態(tài)危險度排序、分級短信預(yù)警、降雨量特征分析、洪水預(yù)報、潰壩仿真[5]等功能，并實現(xiàn)了兼容iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的移動終端動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，為水利工程管理部門提供了準(zhǔn)確、及時、動態(tài)的預(yù)警分析和決策支持服務(wù)。其中采用的主要技術(shù)有：

(1)云平臺的資源動態(tài)伸縮及管理技術(shù)：針對小型水庫動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)進行云平臺部署，通過負載均衡與虛擬機遷移技術(shù)，實現(xiàn)資源動態(tài)伸縮、動態(tài)負載，提高資源利用率和系統(tǒng)可靠性。

(2)小型水庫洪水預(yù)報技術(shù)：針對小型水庫的防洪特點[6]，利用聲波雨量計和聲波水位計測量的實時水雨情數(shù)據(jù)，基于DEM自動提取水庫流域信息，建立了多種水庫洪水預(yù)報模型，根據(jù)水庫所在地區(qū)的產(chǎn)匯流特點自動選擇相應(yīng)的洪水預(yù)報模型，模型參數(shù)根據(jù)洪水資料自動優(yōu)化率定，再配合實時校正模型進行水庫洪水實時預(yù)報。

(3)動態(tài)監(jiān)管及預(yù)警技術(shù)：根據(jù)工程實時水雨情，計算其危險度，按照危險度自高至低的順序?qū)⒐こ踢M行排序顯示，對于超汛限工程，以紅色柱狀標(biāo)示其危險程度，并根據(jù)實時信息的變化動態(tài)計算更新。

(4)3D GIS及潰壩仿真技術(shù)：采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)(OOP)、插件式平臺體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端金字塔三維數(shù)據(jù)引擎和客戶端高速緩存技術(shù)，研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對全球海量空間數(shù)據(jù)無縫組織、管理、可視化與仿真的3D GIS平臺。在此平臺之上集成了二維潰壩洪水演進模型[5,7]，實現(xiàn)了潰壩洪水演進模擬及三維場景展示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與實踐

通過集成上述關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)并建設(shè)了湖北省小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)(如圖2～圖4所示)。該系統(tǒng)是一套由信息采集傳輸系統(tǒng)、多線程接收系統(tǒng)以及小型水庫動態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成的低成本小型水庫動態(tài)監(jiān)管整體解決方案。系統(tǒng)的主要功能是智能化地采集水庫的水情、雨情和實時現(xiàn)場圖像(視頻)等信息，經(jīng)加密后通過無線數(shù)據(jù)通信(GPRS)[8]網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，由多線程接收處理軟件進行接收、解密、校驗后，存入數(shù)據(jù)庫，最后由基于GIS的水庫動態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)對信息進行管理并提供預(yù)警、信息查詢、統(tǒng)計分析等服務(wù)。

圖2 小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)的構(gòu)成

通過云平臺，可以獲取所有監(jiān)測站點水雨情實時信息、水庫現(xiàn)場圖片、預(yù)警信息(超汛限告警、超大雨量預(yù)警、死水位告警等)。

截至2016年6月，湖北省已在2 484座小型水庫建有聲波式水位雨量遙測站，遍布全省襄陽、宜昌、隨州、孝感、黃石、十堰、天門和恩施等市。

5 結(jié) 語

經(jīng)過2 484座小型水庫的安裝運行，小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)的應(yīng)用效果得到了廣泛認可。系統(tǒng)整體可用性達到了99%以上，彈性可擴展的云存儲和信息管理能力達到了1.8 TB。實踐證明湖北省小型水庫自動測報系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，維護簡單方便、軟件界面直觀形象，可向各級管理部門及時提供水庫水位、雨量、現(xiàn)場圖片等綜合信息，為防汛抗旱、水資源管理及水利工程管理等提供有效技術(shù)支持，聲波式水位雨量自動測報系統(tǒng)在小型水庫中具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

圖3 湖北省小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)實時信息界面

圖4 湖北省小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)監(jiān)測站點分布及告警界面

□

[1] 代春蘭，孫文平，湯文華. 一體化聲波式水位雨量遙測站在小型水庫中的應(yīng)用[J]. 水電與新能源，2016,(8):51-53.

[2] 徐衛(wèi)國, 龍振華, 丁雨恒，等. 湖北省小型水庫安全管理現(xiàn)狀、問題與對策研究[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟與科技, 2011,22(5):31-33.

[3] 楊開杰，劉秋菊，徐汀榮. 線程池的多線程并發(fā)控制技術(shù)研究[J]. 計算機應(yīng)用與軟件，2010,(1):168-170.

[4] 謝華成, 張昆明, 范黎林. 基于文件分割的二進制大對象存取算法[J].計算機應(yīng)用，2011,(10):2 612-2 616.

[5] 胡曉張，張小峰. 潰壩洪水的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011,(4):178-180.

[6] 黃澤鈞, 王福喜, 孟 才,等. 湖北省小型水庫設(shè)計洪水與防洪復(fù)核方法探討[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2012,(9):161-164.

[7] 何傳凱, 馬旭東, 黃 爾. 山區(qū)河流堤防工程對洪水演進影響研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2014,(4):62-64.

[8] 李 靖, 梁嵐珍, 李 濤, 等. GPRS無線水文水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2009,(8):69-71.