基于云架構(gòu)的“智慧水庫”改建方案探討

王 菂 ，鄭 凱，賈真真

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東傳媒職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200；3.泰安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山東 泰安 271000）

大河水庫位于山東省泰安市西部郊區(qū)，為泰山抽水蓄能電站的下水庫，在黃河下游大汶河二級(jí)支流泮汶河中游，樞紐工程主要由均值土壩、溢洪閘、放水洞等主要建筑物組成，其任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉和城市用水。水庫壩址以上控制流域面積84.53 km2，正常蓄水位165.00 m，死水位154.00 m，設(shè)計(jì)洪水位166.80 m，校核洪水位l67.20 m，按l00 年一遇洪水設(shè)計(jì)、2000 年一遇洪水校核，總庫容2 997.10 萬m3，興利庫容2 030.10 萬 m3，死庫容 204.72 萬 m3。

水庫大壩安全事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定，極為重要。隨著“智慧+”新時(shí)代的到來，水庫安全監(jiān)測(cè)及運(yùn)行管理工作應(yīng)該充分利用現(xiàn)有資源，依托新一代信息化技術(shù)，順應(yīng)“智慧水利”發(fā)展趨勢(shì)，在水庫傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)感知、信息傳輸、數(shù)據(jù)管理、平臺(tái)支撐、功能應(yīng)用”的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化提升，構(gòu)建“智慧水庫”安全監(jiān)測(cè)運(yùn)行管理一體化平臺(tái)。

1 水庫安全監(jiān)測(cè)設(shè)施現(xiàn)狀

大壩現(xiàn)有 0+100、0+300、0+310 和 0+400 四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別在0+100 斷面和0+300 斷面設(shè)壩基測(cè)壓管6 根，在0+310 斷面和0+400 斷面設(shè)壩體測(cè)壓管6 根；測(cè)壓管內(nèi)置滲壓計(jì)在溢洪閘橋頭堡內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集器（MCU）1 臺(tái)，采集大壩滲壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過有線光纜上傳至水庫中控室，展示于中控室計(jì)算機(jī)和會(huì)商大屏幕上。目前，該系統(tǒng)多數(shù)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，若干滲壓計(jì)已無數(shù)據(jù)上傳，主要通過每年進(jìn)行2 次人工位移觀測(cè)和36 次測(cè)壓管觀測(cè)的資料，綜合分析大壩運(yùn)行情況。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析認(rèn)為：多數(shù)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常或無數(shù)據(jù)上傳，系MCU 數(shù)據(jù)采集主板故障所致；中控室計(jì)算機(jī)也經(jīng)常出現(xiàn)故障?，F(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析軟件僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、報(bào)表、曲線描繪等簡(jiǎn)單的功能，缺少必要的數(shù)據(jù)分析、資料整編等功能；且大多基于C/S 開發(fā)，只能在特定的電腦上進(jìn)行操作，應(yīng)用很不方便。

溢洪閘和放水洞沒有設(shè)置相應(yīng)的變形、滲流、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。

2 需求分析

根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551－2012）《水閘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 768-2018）等相關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求，結(jié)合大河水庫的實(shí)際情況，水庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有巡視檢查、變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、壓力（應(yīng)力）監(jiān)測(cè)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)、水利學(xué)和冰凌等項(xiàng)目的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，具備上述監(jiān)測(cè)資料的整編與分析系統(tǒng)。

根據(jù)山東省水利廳頒布的《全省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理工作推進(jìn)方案》等相關(guān)文件的要求，水庫管理單位應(yīng)該建立標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)，其主要功能包括基本信息管理、水庫調(diào)度運(yùn)行、工程安全檢查、日常養(yǎng)護(hù)維修、病害隱患處理、應(yīng)急事件處置、員工考核培訓(xùn)、日常事務(wù)管理等運(yùn)行管理事項(xiàng)。運(yùn)行管理平臺(tái)需根據(jù)管理級(jí)別設(shè)置相應(yīng)操作權(quán)限。

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從一維、二維到三維都有；運(yùn)行管理數(shù)據(jù)種類極為復(fù)雜，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有許多非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)無法滿足上述需求，唯有設(shè)置基于云架構(gòu)的“智慧水庫”系統(tǒng)，才能夠?qū)⑸鲜龇稚ⅰ悩?gòu)的各子系統(tǒng)集成，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)匯集和處理通過物聯(lián)網(wǎng)獲得的海量數(shù)據(jù)，通過 GIS 技術(shù)（提供宏觀地理信息）、數(shù)模分析組件（基于云計(jì)算的計(jì)算模型類決策輔助程序）以及數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，找出安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的客觀規(guī)律，以指導(dǎo)水庫調(diào)度運(yùn)行。

3 “智慧水庫”改建方案

3.1 預(yù)期目標(biāo)

“智慧水庫”改建方案的總體目標(biāo)是保證水庫樞紐工程安全，充分發(fā)揮工程效益，更好地為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。就水庫安全監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)而言，項(xiàng)目實(shí)施后應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：一是物聯(lián)感知全面準(zhǔn)確；二是預(yù)警信息實(shí)時(shí)更新；三是業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)全面展現(xiàn)；四是辦公系統(tǒng)便捷高效；五是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)互通。

3.2 總體架構(gòu)

“智慧水庫”總體架構(gòu)由物聯(lián)感知、信息傳輸、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺(tái)支撐和業(yè)務(wù)系統(tǒng)5 個(gè)層面組成。

3.3 主要建設(shè)內(nèi)容

1）水庫樞紐工程與泰山西湖景區(qū)三維立體可視模型。大河水庫樞紐工程與泰山西湖景區(qū)三維立體可視模型是“智慧水庫”最頂端的平臺(tái)，與水庫安全監(jiān)測(cè)、綜合分析與運(yùn)行管理系統(tǒng)渾然一體，組成了一個(gè)三維立體可視化信息集成系統(tǒng)，把大壩、溢洪閘和放水洞的變形、滲流和壓力（應(yīng)力）等安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降水、氣溫、水位、流速、流量、水溫、水質(zhì)等環(huán)境量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，視頻監(jiān)控、閘閥控制、智能巡檢等系統(tǒng)融為一體，通過三維可視化的方式展現(xiàn)運(yùn)行。

2）水庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由如下7個(gè)子系統(tǒng)組成。（1）補(bǔ)充、完善大壩、溢洪閘和放水洞滲流監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；（2）補(bǔ)充、完善大壩、溢洪閘和放水洞變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；（3）補(bǔ)充、完善水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；（4）補(bǔ)充、完善溢洪閘、放水洞閘、閥自動(dòng)化監(jiān)控子系統(tǒng)；（5）新建入庫河流水位、流速、流量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)；（6）新建水庫氣象監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)、流域降水、溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；（7）補(bǔ)充、整合、完善視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。通過上述諸多實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)庫水位、滲壓、變形、水文、氣象、水質(zhì)、入庫洪水及泄洪流量等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和多級(jí)預(yù)警等功能，為水管部門及時(shí)掌握水庫與河道的運(yùn)行狀況，提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3）信息傳輸系統(tǒng)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目類別和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，組合各自的無線局域網(wǎng)，利用上位機(jī)網(wǎng)關(guān)采用物聯(lián)網(wǎng)公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，各觀測(cè)點(diǎn)均具備較強(qiáng)的獨(dú)立性，可有效避免因雷擊、斷電等意外因素造成系統(tǒng)整體癱瘓事件的發(fā)生，易于維護(hù)維修。

4）數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)服務(wù)層在存儲(chǔ)物聯(lián)感知并傳輸過來的所有信息的同時(shí)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、清洗、加工、整合等管理與服務(wù)工作。

5）平臺(tái)支撐系統(tǒng)主要包括：

一是新建洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。通過具體研究入庫河流的洪水特點(diǎn)以及河床變化規(guī)律，綜合水文學(xué)、水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)等相結(jié)合的技術(shù)方法，建立符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型。屆時(shí)，將流域?qū)崟r(shí)降水過程、水情、工情等各類實(shí)時(shí)信息輸入洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型，對(duì)洪水過程、洪峰水位（流量）、洪量等洪水要素進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，為相關(guān)部門防洪減災(zāi)調(diào)度提供決策依據(jù)。

二是新建水庫安全綜合分析子系統(tǒng)。通過對(duì)大壩、溢洪閘和放水洞滲流、變形等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析計(jì)算，科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)其實(shí)時(shí)安全狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

三是新建水文分析子系統(tǒng)。通過對(duì)入庫徑流的還原分析和雨型分析，獲得洪水徑流的特征數(shù)據(jù)，為水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算、興利調(diào)節(jié)計(jì)算、下閘蓄水時(shí)間分析，提供數(shù)據(jù)支撐。

6）業(yè)務(wù)綜合辦公和移動(dòng)辦公系統(tǒng)。該系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)：一是水庫調(diào)度方案和度汛方案的編制與執(zhí)行；二是負(fù)責(zé)日常大壩、溢洪閘和放水洞的巡視檢查和安全監(jiān)測(cè)工作；三是及時(shí)掌握、傳遞、處理水情和水庫運(yùn)行等信息，與政府主管部門建立水情自動(dòng)測(cè)報(bào)信息系統(tǒng)；四是協(xié)助相關(guān)部門做好水庫安全運(yùn)行；五是組織水庫日常養(yǎng)護(hù)修理和除險(xiǎn)加固工作；六是負(fù)責(zé)水庫觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控等設(shè)施的日常運(yùn)行、管理和養(yǎng)護(hù)工作；七是負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)資料的收集、梳理、整編、匯總、分析及歸檔等工作。該系統(tǒng)可以為水庫提供一套現(xiàn)代化的PC 終端和移動(dòng)端辦公平臺(tái)。

基本信息管理、水庫調(diào)度運(yùn)行、工程安全檢查、日常養(yǎng)護(hù)維修、病害隱患處理、應(yīng)急事件處置、員工考核培訓(xùn)、日常事務(wù)管理等運(yùn)行管理事項(xiàng)，運(yùn)行管理平臺(tái)需根據(jù)管理部門和級(jí)別，設(shè)置相應(yīng)操作權(quán)限。

4 結(jié) 語

基于云架構(gòu)的“智慧水庫”改建方案成功地實(shí)現(xiàn)了既有與新建安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有機(jī)融合，整體規(guī)劃，分布實(shí)施。既可滿足水庫安全運(yùn)行和標(biāo)準(zhǔn)化管理的需要，又避免了重復(fù)投資，造成不必要的浪費(fèi)。安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從物聯(lián)感知、信息傳輸、數(shù)據(jù)服務(wù)到安全運(yùn)行綜合分析評(píng)價(jià)，全程遠(yuǎn)程操控、信息共享，解決了監(jiān)測(cè)設(shè)施難以集中、數(shù)據(jù)分析不深入、安全預(yù)警不及時(shí)等難題。基于云架構(gòu)的“智慧水庫”系統(tǒng)，能夠?qū)⒓扔信c新建的安全監(jiān)測(cè)運(yùn)行系統(tǒng)有機(jī)地融合為一體，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。