基于云服務(wù)架構(gòu)的水電站安全管理移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)踐

李冠軍 張玉炳 柏海駿

摘要：隨著智能移動(dòng)終端設(shè)備的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)如何進(jìn)一步提升水電站數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換效率、促進(jìn)信息融合與共享、降低運(yùn)行成本、保證生產(chǎn)運(yùn)行安全等方面提出了新的要求。提出了一套基于云服務(wù)架構(gòu)的水電站安全管理移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，將多源異構(gòu)的監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)在云端，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)快速獲取、實(shí)時(shí)同步及高效利用。該系統(tǒng)在湖南省白云水電站得到了初步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該水電站公共數(shù)據(jù)的全面整合與共享，為水電站工程管理、生產(chǎn)管理、日常管理和應(yīng)急指揮等核心業(yè)務(wù)提供了智慧化的管理手段，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：水電站安全管理;移動(dòng)終端;云服務(wù)架構(gòu);移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);白云水電站

中圖法分類號(hào)：TV737文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.015

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0074 - 06

水庫大壩安全運(yùn)行是水電站發(fā)揮功能效益的最基礎(chǔ)保障[1]。在水電站運(yùn)行的整個(gè)生命周期中，各類監(jiān)測(cè)儀器采集的數(shù)據(jù)源源不斷地輸送至水電站數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)真實(shí)反映著水庫大壩和機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)，能為其安全運(yùn)行與管理決策提供輔助支持。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及其在水利水電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，移動(dòng)智能終端逐漸成為水電站管理工作中必不可少的工具。本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了手機(jī)端移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，并描述了系統(tǒng)在湖南省城步縣白云水電站的應(yīng)用情況。

1 水電站信息化管理存在的問題

水電站在運(yùn)行管理中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)繁雜，其來源不同、形式各異，存在信息無法融合、不能共享等問題，嚴(yán)重制約著水電站運(yùn)行管理效率的提升。目前，水電站信息化管理中普遍存在以下問題。

（1）數(shù)據(jù)整合難度大。各類監(jiān)測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)頻次、存儲(chǔ)格式與下發(fā)的規(guī)律復(fù)雜多樣，給數(shù)據(jù)整合帶來了較大困擾與挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)主要涵蓋水雨情、安全監(jiān)測(cè)、機(jī)組運(yùn)行、防洪預(yù)報(bào)、發(fā)電調(diào)度及巡視檢查等方面。

（2）數(shù)據(jù)孤立化、碎片化。各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間存在交互壁壘，缺乏統(tǒng)一的運(yùn)行服務(wù)管理，數(shù)據(jù)分散在多個(gè)平臺(tái)，數(shù)據(jù)種類多，管理復(fù)雜。

（3）巡檢效率亟待提高。巡檢人員任務(wù)繁重、效率低下，巡檢流程和巡檢項(xiàng)有待規(guī)范，巡檢修改缺乏相應(yīng)的提示與審計(jì)記錄。

（4）各類應(yīng)用系統(tǒng)繁多且相互獨(dú)立。在水電站信息化管理中，各種類別的應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能單一且獨(dú)立，缺乏一個(gè)一體化綜合管理系統(tǒng)。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用專業(yè)性低。無法將水庫來水預(yù)報(bào)、水庫管理、大壩安全管理和水電站生產(chǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，也不支持預(yù)警信息的發(fā)布與消息的推送，實(shí)用性較低。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合白云水電站當(dāng)前的信息化現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)需求，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，基于云服務(wù)“5個(gè)層級(jí)”，打造白云水電站智慧化、標(biāo)準(zhǔn)化移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫參考水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照“一個(gè)應(yīng)用集群，一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境，一套統(tǒng)一的運(yùn)行管理體系”進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)部署，為白云水電站安全運(yùn)行與科學(xué)調(diào)度提供智慧化管理手段。

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云服務(wù)計(jì)算的架構(gòu)設(shè)計(jì)共5層，即IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、DaaS（數(shù)據(jù)即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）和Users （用戶服務(wù)），主要架構(gòu)設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

（1）IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）。水電站提供支撐平臺(tái)運(yùn)行的服務(wù)器或虛擬機(jī)、磁盤、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。

（2）DaaS（數(shù)據(jù)即服務(wù)）。水電站根據(jù)信息化建設(shè)的需求，通過對(duì)各類監(jiān)測(cè)儀器采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、梳理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速獲取、快速利用，便于實(shí)時(shí)掌握水庫大壩的安全運(yùn)行信息，為水電站的工程管理決策提供必要依據(jù)。

（3）PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）。水電站為用戶提供操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、消息中間件等軟件，為系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行搭建良好平臺(tái)。

（4）SaaS（軟件即服務(wù)）。水電站主要通過搭建私有云，采用SaaS服務(wù)的模式，通過數(shù)據(jù)信息為用戶提供服務(wù)。

（5）Users （用戶服務(wù)）。水電站工作人員使用安裝好的智能化移動(dòng)端系統(tǒng)，可以進(jìn)行水庫的日常巡檢，掌握水庫基本信息、水雨情、安全監(jiān)測(cè)、防洪調(diào)度等數(shù)據(jù)，以提高工作效率。

軟件應(yīng)用通過內(nèi)部云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行部署。由于相關(guān)數(shù)據(jù)的保密性要求，為保證各類數(shù)據(jù)對(duì)外Internet網(wǎng)絡(luò)的訪問安全與可靠性，內(nèi)部云平臺(tái)通常會(huì)映射相關(guān)對(duì)外端口，供用戶統(tǒng)一訪問。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的主體使用《國家防汛指揮系統(tǒng)工程實(shí)時(shí)水雨情庫表結(jié)構(gòu)》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有SL 323-2011《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》、DL/T 1321-2014《電力大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》、SL 324-2005《基礎(chǔ)水文庫數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》、SL 478-2010《水利信息數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》等。依據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)3級(jí)范式，先繪制水電站安全管理移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)的E-R圖，再使用Power Designer創(chuàng)建表結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證其具有一定的冗余結(jié)構(gòu)以便于將來擴(kuò)展。

基于云服務(wù)架構(gòu)的水電站安全管理移動(dòng)端應(yīng)用，用戶可以瀏覽基本信息、水雨情、安全監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)調(diào)度等主要功能以及上傳、查看移動(dòng)巡檢記錄等，主要數(shù)據(jù)庫E-R圖見圖2。

2.3 技術(shù)路線選擇

移動(dòng)端采用UNI-APP模式開發(fā)，UNI-APP支持通過不同的編譯模式打包生成不同終端的應(yīng)用程序（Android/IOS/H5/各類小程序），抹平了各種模式下的差異性，縮短了應(yīng)用的開發(fā)周期且節(jié)約了開發(fā)成本，極大保證了用戶跨端體驗(yàn)的一致性[2]。

云端服務(wù)體系采用JAVA+MySQL+MyBatis- Plus +SpringBoot+SpringCloud架構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)，數(shù)據(jù)最終存儲(chǔ)主要采用MySQL，訪問層主要通過MyBatis- Plus，服務(wù)提供主要采用SpringBoot框架進(jìn)行開發(fā)，云端架構(gòu)采用SpringCloud集成[3]。

基于云服務(wù)的水電站技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用云服務(wù)模式，并充分考慮了系統(tǒng)的可伸縮性、擴(kuò)展性?？傮w架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，主要包括資源層、服務(wù)層、接口層、負(fù)載均衡（NGINX）、WEB層以及用戶訪問層等。

（1）資源層。主要提供云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來源，主要包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MySQL）、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫以及媒體文件數(shù)據(jù)庫等。

（2）服務(wù)層。建立與移動(dòng)端相關(guān)數(shù)據(jù)交互的服務(wù)，是用戶提供服務(wù)的核心。主要包括基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)2個(gè)模塊?；A(chǔ)服務(wù)模塊包含公共的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)模塊，主要包括權(quán)限管理、用戶管理、文件管理及任務(wù)調(diào)度等相關(guān)基礎(chǔ)服務(wù)。業(yè)務(wù)服務(wù)模塊處理與實(shí)際業(yè)務(wù)功能相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶在消費(fèi)服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)時(shí)，主要為RESTFUL風(fēng)格的API。服務(wù)管理主要為對(duì)服務(wù)的治理與配置，包括服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)、相互間調(diào)用以及相關(guān)熔斷處理。通過服務(wù)管理搭建各數(shù)據(jù)、各服務(wù)之間的橋梁。

（3）接口層。負(fù)責(zé)所有對(duì)內(nèi)訪問API的統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)。所有業(yè)務(wù)的請(qǐng)求服務(wù)首先經(jīng)過網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證后才進(jìn)行相關(guān)路由。

（4）負(fù)載均衡。通過NGINX解決服務(wù)跨域請(qǐng)求，分擔(dān)大量請(qǐng)求帶來的壓力和高并發(fā)產(chǎn)生的問題。通過接口層與負(fù)載均衡NGINX相互結(jié)合，分別處理所有對(duì)內(nèi)部訪問與對(duì)外部訪問的負(fù)載均衡。

（5）WEB層。通過利用服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)，建立各移動(dòng)端APP的軟件應(yīng)用。

（6）訪問層。用戶通過硬件設(shè)備訪問相應(yīng)的應(yīng)用。

2.4 功能設(shè)計(jì)

2.4.1 一級(jí)功能

移動(dòng)端功能主要包括用戶管理、核心功能、三方應(yīng)用集成和常用管理辦公等功能模塊，具體如圖4所示。

（1）用戶管理。該模塊為移動(dòng)端識(shí)別用戶身份信息以及授權(quán)的關(guān)鍵。用戶可通過賬戶或手機(jī)指紋登錄進(jìn)入的移動(dòng)端應(yīng)用。

（2）主要功能。覆蓋水庫基本信息、水雨情、安全監(jiān)測(cè)、防洪調(diào)度、視頻監(jiān)控、移動(dòng)巡檢等水庫安全管理功能，為水庫安全管理提供支撐。

（3）三方應(yīng)用集成。通過集成或建立其他應(yīng)用的導(dǎo)航目錄，解決水庫各應(yīng)用繁多、查找入口困難等問題，從而提升水庫管理人員工作效率。

（4）常用管理辦公。該模塊通過信息化手段結(jié)合移動(dòng)端特性提供日常管理信息化功能，包括水庫日常管理、通訊錄、值班管理等功能。

2.4.2 二級(jí)功能

二級(jí)功能點(diǎn)主要包括登錄、個(gè)人信息、基本信息、水雨情、安全監(jiān)測(cè)、移動(dòng)巡檢、防洪調(diào)度、視頻監(jiān)控、預(yù)報(bào)預(yù)警、企業(yè)要聞、消息推送、在線天氣、氣象監(jiān)測(cè)、通訊錄等[4]，具體如圖4所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過建立規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，更利于各類數(shù)據(jù)的交互與融合。主要數(shù)據(jù)庫表實(shí)現(xiàn)如表1所示。

3.2 移動(dòng)端功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)用戶需求分析與移動(dòng)端功能設(shè)計(jì)，各功能模塊成果主要通過友好的圖形報(bào)表與簡(jiǎn)潔的風(fēng)格對(duì)外展示，可劃分為主體功能與核心功能兩個(gè)模塊，主體功能可為應(yīng)用提供入口性功能展示，核心功能是可為移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)安全管理的核心模塊，兩者相輔相成，共同完成水電站安全管理移動(dòng)端應(yīng)用[5]。

主體功能主要包括以下5個(gè)分析模塊，如圖5所示。

（1）登錄。打開移動(dòng)端應(yīng)用程序后可直接進(jìn)入主頁面，每點(diǎn)擊一個(gè)模塊需進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證。權(quán)限驗(yàn)證包括指紋登錄與賬號(hào)密碼登錄兩種方式。當(dāng)用戶登錄驗(yàn)證成功后會(huì)獲得各模塊權(quán)限。

（2）首頁功能。首頁主要包括主TAB頁、天氣信息、企業(yè)要聞、預(yù)報(bào)調(diào)度信息、預(yù)警信息。其中，主TAB頁功能包括基本信息、水雨情信息、安全監(jiān)測(cè)信息、移動(dòng)巡檢、防洪調(diào)度、視頻監(jiān)控等，也是大壩安全運(yùn)行管理的核心功能。

（3）通訊錄。通訊錄是落實(shí)水庫責(zé)任人及提升應(yīng)急管理效率的重要手段之一，包括各工作人員的聯(lián)系方式、短信、郵件及添加聯(lián)系人等;支持拼音、電話、漢字搜索，查看個(gè)人通訊錄，點(diǎn)擊后可直接進(jìn)行通話、短信、郵件、添加聯(lián)系人等相應(yīng)操作。

（4）應(yīng)用。鏈接相關(guān)工程運(yùn)行人員的常用功能，整合其他手機(jī)端或APP端應(yīng)用入口，如企業(yè)要聞、日歷及羅盤等。

（5）個(gè)人中心。主要對(duì)個(gè)人相關(guān)信息的展示、退出登錄操作以及相關(guān)發(fā)票管理填寫與備忘等。

移動(dòng)端核心功能主要包括基本信息、水雨情信息、安全監(jiān)測(cè)信息、移動(dòng)巡檢、防洪調(diào)度、視頻監(jiān)控等[6]。

（1）基本信息。對(duì)水庫基本信息的展示。

（2）水雨情信息。包括水庫各雨量站與水位站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)。雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)包括各時(shí)間段內(nèi)小時(shí)雨量、日雨量、月雨量數(shù)據(jù)以及時(shí)間段內(nèi)雨量變化過程線等;水位站點(diǎn)的數(shù)據(jù)包括各時(shí)間段內(nèi)的水位數(shù)據(jù)及變化過程線。

（3）安全監(jiān)測(cè)模塊。包括變形、滲流及環(huán)境量等實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。依據(jù)各建筑物、各監(jiān)測(cè)斷面布置的觀測(cè)點(diǎn)，反映各儀器數(shù)據(jù)變化。變形監(jiān)測(cè)主要包括水平位移、垂直位移、接裂縫等監(jiān)測(cè);滲流監(jiān)測(cè)包括滲流量與滲流壓力等監(jiān)測(cè);環(huán)境量監(jiān)測(cè)包括水位、降雨量、出入庫流量等監(jiān)測(cè)。

（4）移動(dòng)巡檢。移動(dòng)端高效便捷快速的巡檢，是保證大壩安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段之一。用戶可在巡檢模塊查看歷史巡檢記錄以及實(shí)時(shí)上報(bào)巡檢記錄;在巡檢中支持多人同時(shí)巡檢，多人通過一致口令形成一次有效的巡檢任務(wù)。巡檢內(nèi)容發(fā)生修改時(shí)會(huì)提醒相關(guān)人員是否修改記錄，采用Diff算法檢測(cè)沖突內(nèi)容，具體流程如圖6所示。

（5）防洪調(diào)度。主要包括實(shí)時(shí)天氣與水位信息或預(yù)警信息的滾動(dòng)播放;逐小時(shí)自動(dòng)預(yù)報(bào)未來24 h面雨量、出庫流量以及發(fā)電流量、電站出力等信息，并展示整個(gè)預(yù)報(bào)與調(diào)度過程變化以及峰現(xiàn)時(shí)間與峰值。

（6）視頻監(jiān)控。集成其他應(yīng)用功能，通過調(diào)用Schema喚起視頻監(jiān)控軟件，當(dāng)用戶沒有安裝時(shí)自動(dòng)默認(rèn)軟件下載安裝視頻軟件。

依據(jù)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范將每次巡視任務(wù)類型劃分為日常檢查、年度檢查、定期檢查、應(yīng)急檢查4個(gè)類別[7]。巡檢點(diǎn)可劃分為壩體、壩基與壩區(qū)、輸泄水洞（管）、泄洪道以及近壩岸坡5個(gè)大類。在巡檢點(diǎn)的子項(xiàng)中，水庫管理單位可依據(jù)自身實(shí)際情況適當(dāng)配置增加額外的巡檢內(nèi)容或刪除與水庫實(shí)際條件不符的巡檢子項(xiàng)。對(duì)巡檢子項(xiàng)的巡檢內(nèi)容可劃分為正常與異常兩種互斥狀態(tài)，當(dāng)巡檢人員發(fā)現(xiàn)巡檢子項(xiàng)異常時(shí)必需填寫異常信息并拍照上傳異常點(diǎn)，具體移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)界面如圖7所示。在整個(gè)巡檢過程中會(huì)定期實(shí)時(shí)自動(dòng)上報(bào)用戶的定位信息，供管理人員實(shí)時(shí)分析巡檢狀態(tài)等。

4系統(tǒng)部署方案

基于云服務(wù)架構(gòu)的移動(dòng)端手機(jī)應(yīng)用，需充分考慮兼容各移動(dòng)端手機(jī)分辨率，確保不同終端展示的一致性，采用云服務(wù)架構(gòu)與部署更利于各類數(shù)據(jù)信息的融合與交互[8]，如圖8所示。

白云電站系統(tǒng)部署的軟硬件環(huán)境如表2 所示。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)在湖南省白云水電站取得初步應(yīng)用，并根據(jù)使用反饋結(jié)果進(jìn)行了多次優(yōu)化升級(jí)。通過整合數(shù)據(jù)解決了數(shù)據(jù)融合困難、交互復(fù)雜等問題。建立了規(guī)范的、可擴(kuò)展的巡檢體系;集成了常用三方應(yīng)用的入口索引;整合部分日常管理功能。系統(tǒng)安全管理信息化程度更高、管理更精細(xì)化。運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)提高了水電站安全管理運(yùn)行效率，確保了水電站安全運(yùn)行。

基于云服務(wù)架構(gòu)的水電站安全管理移動(dòng)端具有高度集成與可擴(kuò)展性，通過融合水庫安全運(yùn)行管理核心功能，形成了一個(gè)初具規(guī)模的體系應(yīng)用。在突破時(shí)間與空間限制下，操作更方便、更加實(shí)用、信息量更加豐富，對(duì)探索水電站現(xiàn)代化安全管理模式具有借鑒意義，值得推廣。

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（編輯：李 慧）

Research and development of mobile application system for hydropower station safety management based on cloud service architecture and its practice

LI Guanjun1， ZHANG Yubing2， BAI Haijun1

（1. Guodian Hunan Wushui Hydropower Development Co.， Ltd.， Shaoyang? 4225000， China;? ?2. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research，Wuhan 430074， China）

Abstract： With the popularization of intelligent mobile terminal equipment and the development of mobile Internet technology， new requirements on how to further improve the efficiency of data acquisition and conversion， promote information fusion and sharing， reduce operating costs， and ensure the safety of production and operation of hydropower stations was put forward. A mobile application system for hydropower station safety management based on cloud service architecture was proposed. The multi-source heterogeneous monitoring information was stored in the cloud， which realized the rapid acquisition， real-time synchronization and efficient utilization of data. The system was applied in Baiyun Hydropower Station in Hunan Province， which realized the comprehensive integration and sharing of public data， and provided intelligent management means for the engineering management， production management， daily management， emergency command and other core business.

Key words： safety management of hydropower stations; mobile terminal; cloud service architecture; mobile Internet technology; Baiyun Hydropower Station