對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的大壩安全管理分析

張小洋

（中國葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司 湖北宜昌 443002）

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)大壩安全管理的“防”“治”并重，提高大壩安全管理的信息化、智能化和數(shù)字化，以提高水庫建設(shè)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）是一種通過傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、位置定位技術(shù)等多種手段，實(shí)時(shí)采集物體各種信息，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、控制、診斷和維護(hù)，促進(jìn)“管理、控制、營運(yùn)”一體化的一種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的解決物品與物品（Thing to Thing，T2T），人與物品（Human to Thing，H2T），人與人（Human to Human，H2H）之間的互連問題，以用戶體驗(yàn)為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂；核心技術(shù)為傳感器技術(shù)、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)（Embedded system）技術(shù)等，目前中國的“物聯(lián)網(wǎng)”已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際建設(shè)階段，并被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[1]。

1.2 云技術(shù)

云技術(shù)（Cloud technology）對基于云計(jì)算商業(yè)模式應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)、管理平臺技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等的總稱，是對分布式處理（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）和網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）的延伸和發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為虛擬化技術(shù)（Virtualization Technology，VT）、分布式海量數(shù)據(jù)存儲、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、編程方式以及云計(jì)算平臺管理技術(shù)（Cloud Management Platform，CMP），根據(jù)服務(wù)對象的不同，可以將云技術(shù)分為私有云、公有云和混合云（表1）。

2 我國水庫大壩安全管理存在的問題

我國的大壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理工作有緊迫性、長期性、復(fù)雜性、艱巨性的特征，一方面，受到歷史遺留問題以及資金技術(shù)問題等因素的影響，我國大部分的的水庫工程存在先天不足、后天嚴(yán)重失調(diào)的問題，對于工程管理工作存在加大的困難，大部分的水庫存在病險(xiǎn)問題，亟需加固處理，此外，水壩的潰壩現(xiàn)象頻發(fā)也造成了水庫安全與社會公共安全及發(fā)展間的矛盾和沖突。另一方面，“重建設(shè)，輕管理”的傳統(tǒng)工程建設(shè)觀念，導(dǎo)致了相關(guān)部門缺乏高素質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和安全管理人員，對水壩的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)缺乏針對性，對工程失事模式考慮較少，并且缺乏必要的基礎(chǔ)性設(shè)施，預(yù)警、預(yù)報(bào)系統(tǒng)不健全，其水庫大壩的管理模式已不能滿足現(xiàn)代管理的需要。

表1 云技術(shù)類型及特征

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的大壩安全管理系統(tǒng)建構(gòu)——以F大壩為例

3.1 工程概況

F大壩屬于梯級大壩，共分為四級，位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，該區(qū)域內(nèi)河流密布，水利資源豐富，年平均降水量800～1900mm，水力理論蘊(yùn)藏量可達(dá)1046萬kW，F(xiàn)大壩的基巖巖性堅(jiān)硬且?guī)r體新鮮完整，不存在較大的地質(zhì)缺陷[2]。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)原則

F大壩的安全管理系統(tǒng)以高級編程語言Delphi為開發(fā)工具，由水利專網(wǎng)和公共網(wǎng)組成的典型的“混合云”應(yīng)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和系統(tǒng)的可視化。其開發(fā)原則為：①實(shí)用性原則，嚴(yán)格按照大壩風(fēng)險(xiǎn)管理流程，提供多個(gè)可獨(dú)立使用的數(shù)據(jù)計(jì)算、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、結(jié)果的圖形顯示等程序；②可靠性原則，利用分布式設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)總體構(gòu)架的靈活性和網(wǎng)絡(luò)訪問的吞吐量，并通過一定規(guī)模的模塊化調(diào)試和整合調(diào)試，排除編譯和運(yùn)行錯(cuò)誤；③魯棒性與可擴(kuò)充性原則，該系統(tǒng)具備較高的容錯(cuò)量和抗干擾性，并具備多個(gè)軟件接口，能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)提示或消除錯(cuò)誤操作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的增加或分析算法的改進(jìn)；④安全性原則，采用先進(jìn)的硬件設(shè)備和軟件技術(shù)，保障系統(tǒng)的可靠性、保密性和數(shù)據(jù)的一致性；⑤模塊化原則，F(xiàn)大壩安全管理系統(tǒng)的開發(fā)采用了模塊化的理念，各模塊具備較強(qiáng)的封閉性和開放性，能夠在滿足各個(gè)模塊之間耦合需要的同時(shí)，最大限度促進(jìn)模塊的獨(dú)立運(yùn)行功能。

3.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的大壩安全管理平臺架構(gòu)，包含了三個(gè)層次，即物聯(lián)網(wǎng)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層以及混合云應(yīng)用層（圖1）。

物聯(lián)網(wǎng)感知層是F大壩安全管理平臺的基礎(chǔ)層，主要負(fù)責(zé)對信息的集成、監(jiān)控和預(yù)警反饋。利用物聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，F(xiàn)大壩可以通過光纖通信，將降雨信息和水位漲勢等信息輸入到數(shù)據(jù)庫，并通過事例推理、決策樹、規(guī)則推理、模糊集以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)源的預(yù)判，從而為大壩安全管理的科學(xué)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。當(dāng)潰壩風(fēng)險(xiǎn)事件已經(jīng)出現(xiàn)時(shí)，相關(guān)的技術(shù)人員和管理人員可以利用位移傳感器、濕度傳感器、振動(dòng)傳感器等技術(shù)手段獲取洪災(zāi)應(yīng)急疏散路線和最佳的避難點(diǎn)。與此同時(shí)，F(xiàn)大壩還對區(qū)域內(nèi)水生動(dòng)物植入了無源的RFID標(biāo)簽，并在大壩下游建立了相應(yīng)的讀寫陣列，以便于采集生態(tài)信息，在保障大壩生物安全的同時(shí)，為水生動(dòng)物的科學(xué)研究工作提高便利。

圖1 安全平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸層是安全管理平臺的重要環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，以及將多種信息整合通過無線短波通信傳遞給混合云應(yīng)用層，并將管理機(jī)構(gòu)的指令反饋給物聯(lián)網(wǎng)感知層[3]。F大壩的短波通信技術(shù)采用的Zigbee技術(shù)，該技術(shù)能夠有效降低環(huán)境對信息傳輸?shù)挠绊懥?，剔除冗余?shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的吞吐量?；旌显茟?yīng)用層主要負(fù)責(zé)將水壩的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在云平臺，并利用云計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算能力對洪峰流量進(jìn)行快速分析和及時(shí)預(yù)測，與此同時(shí)，該層面能夠利用硬件平臺的各級服務(wù)器對水流壓力以及防護(hù)堤負(fù)荷量進(jìn)行建模，并保障用戶可以突破時(shí)空限制和設(shè)備限制，隨時(shí)進(jìn)行模型計(jì)算。例如，F(xiàn)大壩河道兩岸的防護(hù)堤內(nèi)埋入了壓力和濕度傳感設(shè)備，這些設(shè)備能夠?yàn)闈魏樗當(dāng)?shù)值的模擬和生命損失估計(jì)方法提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，對于生命損失的估計(jì)方法，F(xiàn)大壩改進(jìn)了原有的Graham法，在其基礎(chǔ)計(jì)算公式上增加了風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率修正系數(shù)α，其改進(jìn)后的公式如下：

LoL=PAR×f×α

此外，混合云應(yīng)用層的資源共享功能還能促進(jìn)多主體協(xié)同管理的落實(shí)，實(shí)現(xiàn)法人負(fù)責(zé)制、工程項(xiàng)目監(jiān)理制、招投標(biāo)制、第三方監(jiān)督制的合力效應(yīng)。

3.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

F大壩的系統(tǒng)功能主要包括大壩信息管理功能，大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評估、預(yù)警與應(yīng)急決策支持功能以及數(shù)據(jù)庫管理功能。大壩信息管理功能實(shí)現(xiàn)的對大壩基本工程資料、檢測儀器資料以及檢測信息的收集和整理，對于這些資料，系統(tǒng)對其進(jìn)行系統(tǒng)誤差識別、異常數(shù)據(jù)識別和疑點(diǎn)識別，在對符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行再測和剔除之后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的整編入庫。與此同時(shí)，還要利用灰色理論分析、模糊信息分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，對大壩的變形、裂縫、滲流、有限元應(yīng)力變形進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以形成大壩安全的綜合評價(jià)。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評估、預(yù)警與應(yīng)急決策支持功能是基于大壩工程資料庫的諸多數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對大壩失事概率及損失概率進(jìn)行估計(jì)，自動(dòng)發(fā)布相關(guān)警情，并通過編制數(shù)字洪水風(fēng)險(xiǎn)圖（圖2），完善洪水調(diào)控措施和避難遷安對策，以最大限度地減小人身財(cái)產(chǎn)損失以及社會環(huán)境影響。數(shù)據(jù)庫管理功能實(shí)現(xiàn)的是對項(xiàng)目所有數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，提高用戶訪問的便捷性，維護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和完整性，減少對專業(yè)管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提高管理質(zhì)量和效率。

圖2 數(shù)字洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

4 結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)能夠有效改變大壩安全管理硬件設(shè)施落后的局面，提高風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測的規(guī)范性，保障數(shù)據(jù)的共享性、安全性和精準(zhǔn)性，保障大壩安全數(shù)據(jù)的全方位和全天候巡視。