小型水庫安全分級監(jiān)管模式與云平臺研究

金有杰，牛睿平，劉 娜

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012 2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，南京 210012)

我國現有水庫9.8萬余座，其中小型水庫9.3萬余座[1]，占比接近95%，大部分建設于20世紀50-70年代，水庫防洪標準低、工程質量差[2,3]。據統(tǒng)計，1954年以來已潰壩總數中小型水庫占比96.4%，其平均病險比例高達53.3%[4]，安全風險遠高于大中型水庫工程。

當前，小型水庫管理單位由于受到資金、人員、技術的限制，開展水庫安全監(jiān)管工作難度較大[5-7]。首先，小型水庫數量眾多，被動式、單一性的管理理念與區(qū)域、流域化的水庫群主動監(jiān)管、信息共享的迫切需求不相適應[8]；其次，受經費所限，小型水庫安全監(jiān)測手段以人工觀測為主，自動化監(jiān)測系統(tǒng)普及率不高；再者，小型水庫大多地處偏遠地區(qū)，專業(yè)監(jiān)管人員數量短缺、素質參差不齊，僅僅依靠現場駐守人員難以實現專業(yè)化、規(guī)范化管理，監(jiān)管水平和效率較低；最后，監(jiān)管方式的落后和監(jiān)測數據的缺失造成水庫大壩安全預警、洪水預報、調度聯調等專業(yè)化、科學化的分析應用不夠深入，科學決策和管理能力有待提升。

水利信息化作為水利現代化的基礎支撐和重要標志，以立體化監(jiān)測、精細化管理、規(guī)范化監(jiān)督、智能化決策和便捷化服務能力建設為主要工作[9-10]，是解決當前小型水庫安全監(jiān)管問題的重要手段。本文充分梳理總結小型水庫安全監(jiān)管的特點和要點，探討小型水庫安全監(jiān)管模式；利用現代信息技術，搭建小型水庫安全分級監(jiān)管云平臺，提供一套穩(wěn)定、高效、科學、先進的信息化監(jiān)管手段和技術服務方式。

1 監(jiān)管模式探討

1.1 小型水庫安全監(jiān)管特點分析

小型水庫安全監(jiān)管要充分考慮當前小型水庫存在的問題和管理現狀，結合信息化技術發(fā)展優(yōu)勢，分析其監(jiān)管特點及信息化管理模式需求。

高穩(wěn)定性：由于大部分小型水庫地處偏遠，無人值守或值守人員管理水平有限，因此配備自動化監(jiān)測系統(tǒng)是實現小型水庫監(jiān)管的有效方式。與此同時，系統(tǒng)運行需要高穩(wěn)定性：增強系統(tǒng)自檢和糾錯功能，保證正常運行狀態(tài)下數據不丟失，意外中斷系統(tǒng)恢復后，可斷點續(xù)傳與自動修復，提升系統(tǒng)無故障時間；降低系統(tǒng)設備運行功耗，延長系統(tǒng)使用壽命，盡可能減少人工維修養(yǎng)護的頻次。

成本可控：小型水庫信息化建設的一個關鍵難點在于各水庫管理單位經費有限，自動化系統(tǒng)建設和運維成本高，大部分水庫建不起、用不起。小型水庫的信息化監(jiān)管必須依靠集約化、高性價比的監(jiān)測設備以及具備通用性、可配置的應用平臺軟件，讓小水庫監(jiān)管成本可控。

簡便易用：人員管理水平參差不齊是制約小型水庫運行管理的重要因素，水庫監(jiān)管采用的信息化手段需遵循操作方便、易學易用原則。監(jiān)測設備具備智能化、少人工干預的特點，應用軟件界面友好、簡易直觀，確保現場人員能用、會用，現場管理人員只需確保監(jiān)管平臺供電、網絡、設備完好等基本條件。

實時性：掌握第一手數據資料是小型水庫安全監(jiān)管的必要要求，一方面，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供全天時、全天候的水庫安全綜合監(jiān)測數據；另一方面通過信息化平臺建設，建立國家、省、市、縣、鄉(xiāng)不同等級的監(jiān)管平臺數據實時共享機制，并基于互聯網和固定式、移動式終端設備，確保管理人員在常規(guī)狀態(tài)下隨時隨地獲取監(jiān)測信息，在應急條件下第一時間獲取預警推送信息，對異常和險情做出快速響應。

先進科學：采用云計算、大數據、物聯網等先進技術手段建立基礎軟硬件平臺架構，為穩(wěn)定監(jiān)測、高效管理、科學預警提供先進的技術保障；在獲取自動化和人工監(jiān)測多源數據的基礎上，建立科學合理的監(jiān)測預警指標體系，在平臺上提供多種分析評價工具和手段，建立水庫安全評價、工程健康診斷、洪水預報和調度的專家?guī)?、模型庫、方法庫，確保平臺應用科學合理、發(fā)揮實效。

主動性：建立信息化監(jiān)管平臺，具備自動監(jiān)測、預警推送、信息交互、系統(tǒng)自檢等功能，將傳統(tǒng)“被動式”的監(jiān)管方式轉變?yōu)椤爸鲃印北O(jiān)管，系統(tǒng)自動判別監(jiān)測信息異常，分級預警推送至相關責任人；自動編制和定期發(fā)布不同時段監(jiān)測簡報；根據巡視檢查任務的定制自動提示相關人員進行日常巡檢任務，并提供智能巡檢手段；對自動化系統(tǒng)運行狀態(tài)實現自檢自測，主動發(fā)現系統(tǒng)運行異常、分析問題原因，輔助人員排除系統(tǒng)運行故障。

標準化：平臺設計和建設符合國家、行業(yè)標準，監(jiān)測方案、系統(tǒng)功能、結構設計符合現行《規(guī)范》、《辦法》和《細則》等有關規(guī)章要求，同時從統(tǒng)一數據標準、設備標準化、軟件模塊化、標準化數據接口等方面實現標準化平臺建設，平臺建成后切實服務于小型水庫安全監(jiān)管實際工作。

安全性：信息化平臺建設需要采取全面的安全保護措施，具有防病毒感染、防黑客攻擊措施，同時在防雷擊、過載、斷電和人為破壞方面進行加強，具有高度的安全性和保密性。對接入本平臺的設備和用戶，進行嚴格的接入認證，以保證接入的安全性。支持對關鍵設備、關鍵數據、關鍵程序模塊采取備份、冗余措施，有較強的容錯和系統(tǒng)恢復能力，確保長期正常運行。

1.2 監(jiān)管工作要點

小型水庫安全監(jiān)管主要包括3個要點：①以信息化手段對水庫管理責任人和重點環(huán)節(jié)進行有效監(jiān)管，明確行政、技術、巡查三個責任人主體，依托國家和地方各級監(jiān)管平臺建設，實現精細化責任劃分，加強水庫管理責任監(jiān)督。②以應急狀態(tài)下預防預警潰壩為核心任務，以汛限水位為不可觸碰的紅線原則，與防汛抗旱、山洪防治、氣象部門監(jiān)測等已有應急平臺無縫對接，共享數據資源，提供應對應急突發(fā)事件的信息化監(jiān)管手段。應急狀態(tài)下遠程自動啟用應急監(jiān)測模式，并開辟監(jiān)測綠色通道，自主觸發(fā)自動化系統(tǒng)汛期加密觀測，對重點區(qū)域重點部位重點監(jiān)測，實現水庫實時預警、安全度汛。③規(guī)范日常監(jiān)管工作，通過水庫基本信息管理、在線監(jiān)測、實時預警、巡視檢查、定期整編報告發(fā)布等基本功能建設，以信息化監(jiān)管手段與現場水庫人工管理相結合的方式強化日常監(jiān)管，補齊小水庫監(jiān)管短板。

1.3 分級監(jiān)管模式

基于小型水庫安全監(jiān)管特點及工作要點的分析，本文提出建立“單一水庫-區(qū)域/流域庫群-科研院所托管”的分級監(jiān)管模式，如圖1所示，建設包括自動化監(jiān)測系統(tǒng)、數據管理中心平臺、成套業(yè)務應用系統(tǒng)、技術支撐服務等在內的多項內容。支撐小型水庫信息化平臺設計、建設、運行、維護全過程服務，實現小型水庫智能監(jiān)測、異構數據融合、綜合信息管理、分析預警發(fā)布及輔助決策的全鏈條監(jiān)管。

(1) 單一性小水庫監(jiān)管模式。由于各個水庫基本條件不同，為確保在現有條件下各水庫的監(jiān)管能力都能不同程度的得以提升，對于單一性水庫的監(jiān)管可以劃分為兩種方式，：針對條件較好的小型水庫可配備庫水位、雨量、大壩變形、大壩滲流、視頻圖像等較為齊全的自動化監(jiān)測項目?，F場信息采集終端以無線或有線等多種通訊傳輸方式，實時采集數據并上傳至水庫管理中心平臺，存入數據庫統(tǒng)一管理，通過工作站對監(jiān)測信息進行采集、查詢、統(tǒng)計、分析和預警，并實時、定時向上級管理單位上報監(jiān)測數據、異常警情以及整編報告。

對于條件一般、經費有限的小型水庫，一方面可以配備人工巡視檢查移動終端軟件，利用界面友好、簡單易學的移動軟件，對相關責任人定點定時考核。開展定期巡視檢查工作，以信息化手段人工收錄水庫安全巡查信息，實現數據采集和上報。另一方面，建設庫水位監(jiān)測點和視頻監(jiān)控點，以盡可能少的建設成本確保水庫安全基礎監(jiān)測信息的采集。

圖1 小型水庫安全分級監(jiān)管模式示意圖

(2)流域/區(qū)域監(jiān)管模式。通過在流域或區(qū)域級管理單位(如市縣級)建立中心管理平臺，接收下屬水庫上傳的監(jiān)測信息及相關資料，或直接接收由水庫現場自動化系統(tǒng)設備上傳的監(jiān)測數據，實現小水庫安全監(jiān)測多水庫、多要素數據的統(tǒng)一存儲和管理，并實時、定時向上級管理單位上報相關數據信息。同時借助流域或區(qū)域級中心管理平臺對下屬水庫群進行集中式的安全監(jiān)管；對相關人員責任、系統(tǒng)設備臺賬、監(jiān)測數據、整編成果實現綜合管理；對山洪災害防治、防汛抗旱等已有系統(tǒng)實現數據融合和無縫對接；對海量監(jiān)測數據和多水庫綜合信息進行分析評價，實現日常資源信息共享和應急狀態(tài)下的聯動決策。

在水利部建立更高層級的中心管理平臺，接收由下屬各流域或區(qū)域中心管理平臺上傳的監(jiān)測數據和相關資料信息。統(tǒng)籌規(guī)劃和管理小水庫運行情況，結合防汛抗旱和山洪災害等成熟系統(tǒng)資源，實現日常在線監(jiān)管和應急指揮調度。

(3) 托管模式。以科研院所或者信息化平臺建設方為主體，建立中心管理云平臺，提供小型水庫托管服務，如圖2。在采取有效措施確保數據信息和系統(tǒng)運行安全的前提下，各個小水庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)數據由無線通訊方式實時傳輸至中心平臺，統(tǒng)一接收、存儲、管理。同時，平臺以“遠程監(jiān)管+本地服務”的方式，提供日常在線監(jiān)視、系統(tǒng)設備臺賬管理、遠程監(jiān)控維護、預警信息推送、資料整編分析、專家輔助決策等技術支撐服務，并在各個流域或區(qū)域提供系統(tǒng)維護、巡視檢查、觀測監(jiān)測等現場技術服務。

圖2 小型水庫安全托管工作模式

水庫現場人員只需確保水庫基礎運行情況的管理和自動化系統(tǒng)供電、防盜等系統(tǒng)運行的基本條件正常；相關責任人可利用手機、網頁等終端明晰本人責任和任務完成情況，隨時查詢水庫綜合信息和當前狀態(tài)；在水庫監(jiān)測數據存在異?；驊睏l件下，平臺主動向相關責任人推送預警信息和監(jiān)測數據，輔助加強監(jiān)管。托管模式能夠極大減輕現場人員工作量、督促相關責任人執(zhí)行職責、提高水庫安全監(jiān)管效率和科學性、降低水庫安全風險，將復雜的系統(tǒng)維護和專業(yè)的數據監(jiān)視交由專業(yè)團隊來完成，對小型水庫實現“部委統(tǒng)籌、上級監(jiān)督、基層執(zhí)行、科研院所支撐”的有效管理。

1.4 用戶需求分析

落實水利行業(yè)強監(jiān)管的關鍵在于人員的執(zhí)行。以分級監(jiān)管信息化平臺的方式輔助小型水庫安全監(jiān)管，能夠嚴格考核和劃分人員責任，極大提高工作執(zhí)行效率。與之相應，根據不同類型用戶的需求，在信息化平臺中需有針對性的明確人員權限和應用角色至關重要。根據用戶類型和層級可劃分用戶對應的需求及權限包括：

水庫現場監(jiān)管人員：能夠接收和查詢本人負責的水庫監(jiān)測數據、預警信息和定期報告，能夠操作執(zhí)行巡視檢查任務、上報安全隱患。

地方水庫單位管理人員：查詢和監(jiān)管下屬各個水庫安全監(jiān)測數據，管理人員考核情況、制定巡視檢查任務，完成區(qū)域性資料整編統(tǒng)計，并匯總水庫安全情況上報上級單位。

省/流域級主管人員：掌握所屬小水庫基本資料信息，匯總各流域/區(qū)域平臺上報監(jiān)測數據和資料，并對同級山洪災害防治、防汛抗旱等已有系統(tǒng)完成數據共享，實現日常監(jiān)管；在汛期及應急情況下，啟動和制訂應急預案，調配資源預報模擬，實現應急輔助決策。

托管平臺維護人員：具有監(jiān)測數據、故障信息、平臺運行指標的監(jiān)視和初步預警上報權限，對單水庫或區(qū)域水庫群資料整編、統(tǒng)計分析，專家用戶能夠調用共享資源進行模擬預報和會商，并發(fā)布專家級預警預報。

2 云平臺設計與應用

2.1 平臺架構設計

小型水庫安全分級監(jiān)管云平臺的建設基于分級管理模式，采用標準化平臺設計思路，在云平臺建設運行管理體系、標準規(guī)范體系、信息安全體系及運行實體環(huán)境標準體系的支撐下，建立了包括基礎設施層、監(jiān)測感知層、數據資源層、應用支撐層、服務終端層在內的五級云平臺架構，見圖3。

(1)基礎設施層：運用虛擬技術、服務器集群技術等構建小水庫安全智能監(jiān)管與預警基礎云平臺。包括高性能服務器、存儲備份設備、工作站、移動終端、網絡設備及安全防護設備等。為監(jiān)測數據及綜合信息的集中存儲、信息交換與數據通信、高效能計算分析以及平臺安全防護提供基礎設施保障。

圖3 小型水庫安全分級監(jiān)管云平臺架構示意圖

(2)監(jiān)測感知層：利用微功耗測控單元、集約化監(jiān)測裝備、應急觸發(fā)響應機制及自動化系統(tǒng)構建技術，監(jiān)視、采集小水庫的水位、雨量、滲流、大壩變形、安防等綜合信息。通過網絡交互技術與底層設備、傳感器相連接，利用信息化基礎設備為監(jiān)測數據提供存儲與管理介質，從平臺總控的角度提供包括監(jiān)測、傳輸、計算、存儲在內的全套智能化數據采集手段。建立高穩(wěn)定、智能化、易維護、高性價比的小水庫安全多要素綜合數據采集體系。

(3)數據資源層：數據資源層主要由數據資源目錄、專題數據庫、成套數據資源標準體系三部分組成。其中，數據資源目錄涵蓋水庫相關的所有數據資源，實現目錄化管理和基于元數據的抽象化數據提取應用；專題數據庫主要針對平臺建設中所用到的小水庫監(jiān)管與預警基礎數據，建立標準化的數據結構，為小水庫安全監(jiān)測、管理、預警、評估、巡檢等提供統(tǒng)一的標準化數據環(huán)境；數據標準體系建設主要采用統(tǒng)一的技術架構和方法，實現對多系統(tǒng)異構信息匯集，并實現基于數據分布協議的數據管理。

(4)應用支撐層：依據平臺實現的任務分工和邏輯關系將應用支撐層劃分為數據資源支撐層、公共服務支撐層和業(yè)務應用支撐層，對下管理數據接收和匯集，實現數據資源的集成共享，對上支撐應用提供全系統(tǒng)信息共享服務，實現軟件資源的集成重用。其中，對底層數據資源構建統(tǒng)一的數據交換體系，建立統(tǒng)一的數據共享機制，形成完善的數據管理標準；對上層應用的支撐采用統(tǒng)一身份認證、預報預警推送、報表定制、異常告警、地圖展示、協同流程、專業(yè)模型等共用的應用組件與基于標準的服務接口，實現不同層級平臺的數據與流程交互；提供給各應用系統(tǒng)共享的信息資源的集合，包括資源管理、信息交換與共享、軟件構件、專業(yè)模型和數據存取等組件部分，為業(yè)務應用提供信息及軟件資源支撐服務，最終實現小水庫的智能監(jiān)管與預警。小型水庫安全智能監(jiān)測與預警業(yè)務應用支撐如圖4所示。

圖4 小型水庫安全智能監(jiān)測與預警業(yè)務應用支撐

(5)服務終端層：包括GIS一張圖、在線監(jiān)視、巡視檢查、綜合查詢、預警推送、分析評價、水庫健康診斷、報告整編、輔助決策等功能應用，并根據各層級平臺數據之間交互處理結果，支持工作站、網絡瀏覽器、個人電腦終端、移動智能終端等多終端設備應用?；诨ヂ摼W技術，實現多層級管理單位、多類型用戶、三責任人之間的在線交互，以遠程監(jiān)控結合本地服務的形式，提供水庫安全全過程、全鏈條監(jiān)管與預警。

2.2 關鍵技術

小水庫數量多、分布廣、涉及監(jiān)管專業(yè)和方向復雜，平臺建設需充分利用現有信息技術優(yōu)勢，以簡便實用、直觀易用、免維護、智能安全的應用服務技術彌補小水庫安全監(jiān)管中諸多缺陷。關鍵技術包括：

(1)物聯采集與智能傳感?；谖锫摼W和智能傳感，以分布式自動化監(jiān)測系統(tǒng)數據并發(fā)采集方式，設計接口模塊、數據模塊、控制模塊、協議模塊、通訊模塊，實時收發(fā)、監(jiān)控多個現地站監(jiān)測設備數據。在平臺建立應急條件自主觸發(fā)機制，在汛期等極端條件下，主動觸發(fā)監(jiān)測項目、監(jiān)測頻次和通訊方式的優(yōu)化調整。

(2)大數據資源管理。大數據資源管理采用三層數據架構：接入系統(tǒng)將數據傳入前置機數據庫，采集流程校驗并搬運合格的數據到交換庫，最終數據集中到中心倉庫?；诤Ａ慨悩嫈祿诤霞夹g路線，利用中間件、ETL、信息交換、數據庫等數據資源管理技術對小水庫跨平臺、跨區(qū)域、多專業(yè)綜合數據信息進行統(tǒng)一共享和管理。同時，為保障數據的保密性、完整性和可用性，通過利用數據加密、建立數據審計流及容災備份機制等手段，保證數據的安全存儲與備份恢復。

(3)監(jiān)管應用支撐。監(jiān)管應用是小水庫安全監(jiān)管平臺發(fā)揮效用的核心內容。在充分利用云計算技術在動態(tài)存儲、資源彈性劃分、高效能計算的基礎上，利用GIS技術整合空間數據，將空間數據-屬性數據-監(jiān)測數據等統(tǒng)一融合、管理和展示，在云平臺中配置GIS支撐系統(tǒng)，實現區(qū)域地圖、多維度可視化、預報模擬、資料整編的功能服務；同時，利用移動互聯技術，建立移動終端應用系統(tǒng)，構建人機交互和線上信息交流機制，支撐小水庫責任監(jiān)管、巡視檢查及預警發(fā)布等應用。

2.3 實施應用

以成都市小型水庫群監(jiān)管為例，采用公有云+私有云的混合云方式，建立成都市小型水庫大壩安全監(jiān)測監(jiān)管云平臺。利用成熟的公有云服務供應商在海量數據云存儲、計算資源彈性管理等方面的優(yōu)勢，將小型水庫群體的海量監(jiān)測數據接入云平臺進行動態(tài)存儲；同時，在科研院所建立小型私有云，以更加安全、專業(yè)的平臺提供數據安全審核、業(yè)務應用、專家評判等服務。公有云與私有云之間基于互聯網實現數據互通、相互備份、功能互補，以混合云的方式將云平臺的技術優(yōu)勢與小型水庫安全監(jiān)測管理需求充分融合，信息化管理的先進性得以最大化發(fā)揮。

成都市小型水庫大壩安全監(jiān)測監(jiān)管云平臺的工作模式采用分級監(jiān)管模式中的托管模式。云平臺設置在異地科研院所，基于互聯網無線通訊技術將小水庫自動化監(jiān)測數據匯集進入云平臺。平臺端提供監(jiān)測數據遠程監(jiān)控采集、數據預處理與自診斷、綜合信息管理、資料整編分析、區(qū)域洪水預報與調度、智能巡視檢查、預警推送與信息發(fā)布等業(yè)務應用系統(tǒng)，業(yè)務應用系統(tǒng)如圖5所示。用戶利用基于互聯網，以電腦、移動終端等多種形式隨時查詢水庫大壩安全狀態(tài)，檢索任意時刻任意測點的監(jiān)測數據，下載整編報告以及接收預警信息。此外，托管方在平臺中心設立專家團隊，提供專業(yè)的日常監(jiān)視、在線咨詢、整編報告編制、平臺維護等服務，并在成都市本地設立技術團隊，提供現場運維、應急響應等服務。以遠程監(jiān)管+本地服務的方式全面實現小型水庫安全托管。

圖5 業(yè)務應用系統(tǒng)

3 結 語

本文在分析小型水庫安全監(jiān)管特點和要點的基礎上，探討并提出了小型水庫安全“單一水庫-區(qū)域/流域庫群-科研院所托管”的分級監(jiān)管模式；充分利用現代信息技術優(yōu)勢并結合不同層級用戶需求，設計了小型水庫安全分級監(jiān)管云平臺架構，并依托科研院所托管的方式構建成都市小型水庫大壩安全監(jiān)測監(jiān)管云平臺，應用情況良好，具有推廣意義。

與此同時，對于小型水庫的安全監(jiān)管還有一些方面需要進一步改進。如在充分考慮成本、使用便捷性、易維護的條件下，急需研發(fā)集水雨情、滲流、視頻監(jiān)控、變形等監(jiān)測項目為一體智能化監(jiān)控裝備，降低自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設和運維成本；此外，將物聯網、云計算、大數據等技術優(yōu)勢與小型水庫安全監(jiān)測、水庫管理、預警預報、應急決策等業(yè)務需求深度融合，提高信息化系統(tǒng)及平臺的智能化應用水平。

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