基于移動互聯(lián)網(wǎng)的小型水庫大壩安全巡查系統(tǒng)應用及研究

袁明道 ，徐云乾 ，史永勝 ，張旭輝 ，潘展釗 ，楊文濱 ，夏 甜

（1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省大壩安全技術管理中心，廣東 廣州 510635；3. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635）

0 引言

目前，在公路、國土、電力、地質災害調查等行業(yè)中巡查系統(tǒng)的應用較為成熟普遍[1-9]，我國已經(jīng)有部分地區(qū)研發(fā)了一些水利行業(yè)巡查系統(tǒng)，多用在防洪減災、水政執(zhí)法方面。在美國，大壩安全巡查制度在聯(lián)邦一級機構田納西河流域管理局（TVA）所管轄的大壩中應用已經(jīng)較為普遍。

據(jù)統(tǒng)計，1954—2006 年間，全國各類水庫垮壩失事 3 496 座，其中小型水庫 3 370 座，占垮壩失事總數(shù)的 96.4% 以上[10]；通過巡視檢查發(fā)現(xiàn)，大壩重大安全隱患約占出險水庫總數(shù)的 70%[11]。近年來“6.27”從化區(qū)魚洞水庫險情[12]等工程險情的發(fā)生，進一步說明了規(guī)范和強化水利工程巡查工作的迫切性。但目前針對小型水庫大壩巡查管理的巡查系統(tǒng)還較少，且存在多平臺化、數(shù)據(jù)離散化，缺乏巡查統(tǒng)一標準，易用性不高等缺陷[13-14]。

廣東省目前登記注冊的小型水庫數(shù)量為 7 676 座，占廣東省水庫數(shù)量的 95.54%，占全國水庫數(shù)量的9.64%。這些水庫多數(shù)為 20 世紀六七十年代修建，分布在全省 21 個地級市、118 個縣（市、區(qū)）、約1 100 個鎮(zhèn)，這些水庫分散，管理難度大，且普遍具有建設標準低下，現(xiàn)場安全管理水平低，基礎資料少等缺點，與現(xiàn)代水利工程規(guī)范化、精細化的管理要求尚有差距。

更重要的是，處于亞熱帶且有著漫長海岸線的廣東省的每一座小型水庫都要經(jīng)過每年的汛期臺風、洪水的考驗，以及生物危害，筑壩材料自然老化等，如何盡快實現(xiàn)小型水庫安全現(xiàn)狀全面感知及診斷始終是廣東省防災減災的中心工作。

在目前工程管理模式下，廣東省水庫大壩巡查存在巡查到位率低，巡查人員專業(yè)知識匱乏，發(fā)現(xiàn)問題不及時等特點，小型水庫大壩巡查系統(tǒng)（以下簡稱巡查系統(tǒng)）的建設是廣東省水利工程管理規(guī)范化、標準化、制度化建設的迫切需求。為此以廣東省小型水庫為例，討論基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術的巡查系統(tǒng)的建設，以期達到明確巡壩查險的工作責任、內容、標準等，有效解決巡視檢查的到位率、規(guī)范化、及時性等問題，及時發(fā)現(xiàn)工程安全隱患，采取有效措施，降低出險造成的損失和危害。

1 巡查系統(tǒng)架構及業(yè)務流程

1.1 巡查系統(tǒng)架構

小型水庫巡查管理系統(tǒng)涉及信息采集、傳輸、存儲、標準與管理、應用和服務等，關鍵在于實現(xiàn)水庫巡查各種數(shù)據(jù)的整合、各種分析方法的融合，以及資料信息的共享、展示、推送服務。

巡查系統(tǒng)采用“一個登錄門戶，分級權限管理”的設計思想進行開發(fā)，其中水庫大壩巡查管理平臺采用 Java EE 進行開發(fā)，移動巡查終端基于Android/iOS 操作系統(tǒng)開發(fā)。

小型水庫巡查管理系統(tǒng)總體框架結構包括信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、資源共享服務平臺、綜合業(yè)務應用平臺 4 個層次，總體架構如圖 1 所示，分別對應新時代“互聯(lián)網(wǎng) + 水利”透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、智慧應用 4 個需求，分述如下：

1）信息采集層。信息采集系統(tǒng)是整個巡查系統(tǒng)建設的基礎，巡查責任人通過移動巡查終端（移動App 及微信公眾號）采集水文數(shù)據(jù)、水工建筑物圖片/視頻信息、隱患問題實時描述等，第一時間獲取工程運行信息，強化工程運行管理，為逐步提高工程巡查管理水平創(chuàng)造條件。

2）網(wǎng)絡傳輸層。充分依托水利專網(wǎng)或政務內外網(wǎng)等現(xiàn)有資源，建設滿足小型水庫大壩巡查管理平臺需求的網(wǎng)絡系統(tǒng)，將巡查和預警等信息實時、安全地在水利云/政務云及各級責任人終端之間雙向同步傳輸。

3）資源共享層。資源共享服務平臺是巡查系統(tǒng)建設的核心內容，包括軟硬件基礎平臺、地理信息系統(tǒng)和水庫大壩管理綜合數(shù)據(jù)庫 3 個部分，為采集到的各類巡查數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)計分析及展示等。

4）綜合業(yè)務應用層。綜合業(yè)務應用平臺是整個系統(tǒng)的中樞，以專業(yè)應用為主體，完成對水庫大壩巡查業(yè)務的統(tǒng)計、分析、預測、決策、執(zhí)行和反饋，形成巡查業(yè)務閉環(huán)。同時建立巡查知識庫，包含隱患-措施、案例-措施等數(shù)據(jù)庫及專家實時連線診斷等。

1.2 業(yè)務流程

小型水庫大壩巡查系統(tǒng)基于統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)，所有業(yè)務功能均在空間地理信息系統(tǒng)上進行展示和整合；采用統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)庫，所有業(yè)務數(shù)據(jù)均自動上傳到云端進行存儲、共享、服務、管理和應用決策；根據(jù)業(yè)務流程分為省、地市、縣三級平臺，并根據(jù)三級平臺賦予行政、技術、巡查等責任人不同的登錄管理，以及消息推送和信息展示權限，巡查系統(tǒng)業(yè)務流程如圖 2 所示。小型水庫大壩巡查系統(tǒng)包括巡查計劃、線路、執(zhí)行的管理，巡查、問題的記錄，巡查分析，問題整改復查等全流程的檢查管理環(huán)節(jié)，主要有以下 2 個部分：

圖 1 系統(tǒng)總體架構及流程

1）巡查終端（App 或微信公眾號）。通過 3G/4G/5G 網(wǎng)絡、Wi-Fi，將巡查過程中的數(shù)據(jù)、文本、圖片或視頻發(fā)送到巡查管理平臺。在部分沒有移動通訊信號的山區(qū)水庫，可以通過終端 App 暫存到本地，待接收到數(shù)據(jù)信號后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。

2）巡查管理平臺。巡查管理平臺軟件位于政務云信息中心的具有互聯(lián)網(wǎng)固定 IP 的服務器上，功能是接收巡查終端發(fā)送的各類信息，整編，入庫，展示，并根據(jù)需要發(fā)送信息到各巡查終端。

圖 2 巡查系統(tǒng)業(yè)務流程

2 巡查系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 巡查管理平臺功能實現(xiàn)

巡查管理平臺的核心功能是實現(xiàn)水庫大壩基礎工程資料，以及巡查人員、任務、路線的維護和管理，主要功能及模塊如圖 3 所示。主要功能描述如下：

1）水庫大壩管理。實現(xiàn)水庫大壩的行政區(qū)域、名稱、規(guī)模、坐標、地理位置、工程圖紙、庫區(qū)建筑物等的維護和管理。

2）水庫大壩責任人管理。實現(xiàn)水庫大壩行政、技術、巡查等責任人的管理。

圖 3 管理平臺端架構

3）巡查線路管理。設置并維護各個水庫各類水工建筑物的巡查線路。

4）巡查任務管理。對日常巡查、定期檢查、特別檢查 3 類巡查任務進行管理和派發(fā)。

5）巡查結果查詢。按照水工建筑物排列方式，以表格形式統(tǒng)計每次巡查的現(xiàn)場情況。

6）巡查軌跡查詢。根據(jù)巡查線路 GPS 坐標，將每次巡查任務的軌跡在地圖上連接成線路并顯示。

7）隱患查詢。根據(jù)不同的管理權限，進行隱患的忽略、合并、對比、上報、整改、復查回放、關閉等操作，險情信息可自動通過微信和短信推送至相關負責人。

8）知識庫管理。包含方法隱患-措施庫、案例庫等管理模塊，對存在問題提供技術指引。

9）系統(tǒng)管理。賦予不同級別管理權限，全面實現(xiàn)分級管理功能，其中平臺最高權限具有制定規(guī)范管理標準，分配各級用戶角色使用權限，派發(fā)及監(jiān)督巡查任務，創(chuàng)建及維護平臺知識庫，提供技術指引與解決措施建議等功能。

2.2 巡查終端功能實現(xiàn)

巡查終端功能分為基礎數(shù)據(jù)庫同步、任務下載、開始巡查、任務上傳、隱患跟蹤等，巡查終端界面示例如圖 4 所示。巡查員可以通過終端 App 或微信公眾號進行登錄巡查，App 基于 Android/iOS 移動操作系統(tǒng)開發(fā)，微信端基于公眾號鏈接，微信端增加了系統(tǒng)的易用性和推廣性。主要功能描述如下：

1）基礎數(shù)據(jù)同步?；?GPS 定位，自動定位巡查人員和水庫的位置、線路。

2）任務下載。根據(jù)《廣東省水利工程巡查細則》[15]規(guī)定的巡查頻次、部位等，提供并優(yōu)化巡查路線，給予巡查人員最為專業(yè)和便捷的現(xiàn)場指導。

3）開始巡查。每個巡查建筑物的檢查項結果分為正常、各部位問題、其它險情 3 種情況，可以以文字、圖片、短視頻的方式上傳到管理平臺，同時現(xiàn)場會自動根據(jù)云端的專家知識庫提供排除隱患的指導。

4）任務上傳。發(fā)現(xiàn)明顯異常險情時，可拍攝現(xiàn)場圖片上傳，將報警信息直接上報到管理平臺，并自動通知相關責任人員。在通信信號較差的地區(qū)，可將巡查數(shù)據(jù)暫存，待通信信號恢復后自行上傳。

5）隱患跟蹤。在隱患整改過程中，或整改完成后，可進行隱患復查并上報銷號。

圖 4 巡查終端界面示例

3 結語

水庫大壩人工巡查在當前是不可替代的，特別是沒有加固，不能正常蓄水的病險水庫，利用水庫大壩巡查管理系統(tǒng)能夠明確水庫大壩的巡查部位、頻次和路線，規(guī)范巡查行為，及時了解跟進和排除安全隱患，進一步落實水利工程巡查責任制，全面細化工程巡查管理制度，進一步提升管理標準化、專業(yè)化水平。

在使用過程中也發(fā)現(xiàn)一些亟待解決的問題，如不同品牌和配置的智能終端的 GPS 芯片位置解算和CPU 計算能力、大壩現(xiàn)場通信信號等都制約著巡查系統(tǒng)的進一步推廣使用。統(tǒng)一配發(fā)定制終端能夠解決當前問題，但并非一勞永逸，與目前基于移動互聯(lián)網(wǎng)的水庫大壩人工巡查相比，基于智能圖像識別技術的多源機器視覺的無人機水庫大壩巡查技術具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值。