1 引言

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截止2019年新疆已建、在建和計劃建設(shè)達(dá)578座，這些水庫有力地保障了農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)生活供水需求。而水利水電工程一旦失事帶來的將是一場災(zāi)難，國內(nèi)外均曾經(jīng)歷慘痛教訓(xùn)，如：青海省溝后水庫失事造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1.53億[1]，意大利的瓦伊昂大壩（VajontDam）事故造成5座村莊被淹沒，2000人死于洪水[2]。因此，保證水利工程安全運(yùn)行至關(guān)重要。近年來，國家亦是高度重視水利信息化工作的推進(jìn)，加大智慧水利的建設(shè)力度，為積極響應(yīng)國家號召，新疆地區(qū)擬將境內(nèi)中小型水庫信息集中管理，分層分級地對各水庫實施安全監(jiān)管，保證各水庫安全運(yùn)行。

本研究采用調(diào)查法、功能分析法、經(jīng)驗總結(jié)法等多種研究方法，為新疆地區(qū)水庫信息化工作推進(jìn)提供一個適應(yīng)當(dāng)?shù)夭块T實際業(yè)務(wù)需求的水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺，徹底解決新疆地區(qū)水庫信息分散、安全監(jiān)測工作難、消耗人力資源高等一系列問題。

2 現(xiàn)狀及需求分析

2.1 新疆地區(qū)水庫管理現(xiàn)狀

新疆地區(qū)一部分水庫現(xiàn)已有基礎(chǔ)的信息化系統(tǒng)，配備有智能感知系統(tǒng)感知水庫大壩各項關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，但仍然存在不足。

安全監(jiān)測設(shè)施方面：許多中小水庫監(jiān)測設(shè)施不完善，尤其建設(shè)年代久遠(yuǎn)的水庫，沒有配備大壩位移、滲漏等安全監(jiān)測設(shè)施以及水雨情測報監(jiān)測設(shè)施，經(jīng)過多年的運(yùn)行，工程老化，失修失管現(xiàn)象嚴(yán)重，存在安全隱患，嚴(yán)重威脅下游人民的生命財產(chǎn)安全[3]。

監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析方面：根據(jù)去現(xiàn)場實際調(diào)查的結(jié)果，現(xiàn)階段新疆各地區(qū)水庫所采用的安全監(jiān)測設(shè)備并不是出自同一廠家，鑒于各廠家儀器的差異，各個水庫的信息基本相互獨(dú)立，每個水庫必須使用與采集設(shè)備配套的數(shù)據(jù)管理客戶端軟件來監(jiān)管和分析采集的數(shù)據(jù)。分隔式的信息管理方式數(shù)據(jù)在各地區(qū)部門之間不能互通有無，形成信息孤島，不能全面掌握水庫基本信息及實時運(yùn)行情況，另外各軟件的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和分類不一致，導(dǎo)致已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能得到有效利用[5]。

水庫監(jiān)管人員日常工作上：水庫監(jiān)管人員只能定期去水庫現(xiàn)場的監(jiān)測站點(diǎn)查看和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，然而新疆地域廣闊，每個水庫相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析嚴(yán)重滯后，耗費(fèi)人力資源的同時得到的確是較低的安全監(jiān)管效率。

2.2 新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺需求分析

根據(jù)新疆地區(qū)地域特征及當(dāng)?shù)刂行∷畮旃芾憩F(xiàn)狀，新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺需實現(xiàn)如下特性：

1) 兼容并包性。即能兼容已有智能感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，又能將各個水庫之間的壁壘打通，方便整合各水庫采集的數(shù)據(jù)，降低水庫管理難度，提高水庫管理效率以及安全監(jiān)管水平。

2) 相對獨(dú)立性。大型的水庫可以根據(jù)需求建設(shè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但中小型水庫考慮財力消耗與實際價值，往往不建議建設(shè)[4]。因此統(tǒng)一的云服務(wù)平臺上則需要虛擬隔離，保證各地區(qū)相對獨(dú)立，實現(xiàn)水庫分地區(qū)，人員分層分級，上級人員可為下級人員指派不同的地區(qū)或水庫，分工明確，出現(xiàn)問題可快速追溯到地區(qū)乃至責(zé)任人。

3) 數(shù)據(jù)完整性和安全性。采集數(shù)據(jù)可長期存儲不丟失，自動采集設(shè)備遇到故障時可通過補(bǔ)讀機(jī)制保證數(shù)據(jù)完成。

4) 實時性與及時性。即采集數(shù)據(jù)實時存儲，發(fā)現(xiàn)異常狀況需及時預(yù)警。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，將系統(tǒng)劃分為云服務(wù)平臺基礎(chǔ)架構(gòu)層、監(jiān)測感知層、數(shù)據(jù)資源層、系統(tǒng)服務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)終端層。

基礎(chǔ)架構(gòu)層：是一種集成了虛擬計算資源和存儲設(shè)備的信息基礎(chǔ)架構(gòu)，為整個平臺系統(tǒng)提供運(yùn)行所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、服務(wù)器等。在本層通過虛擬化技術(shù)將資源池化，以實現(xiàn)資源的按需分配和快速部署。

監(jiān)測感知層：主要由各種智能傳感器、攝像機(jī)、水雨情監(jiān)測站等數(shù)據(jù)感知設(shè)備構(gòu)成，用于感知采集監(jiān)測結(jié)構(gòu)物的相關(guān)物理量或環(huán)境量，采集的數(shù)據(jù)以一定的傳輸方式，一般為無線傳輸方式（4G/NB-IoT/WiFi等）傳輸至平臺的數(shù)據(jù)資源層。

數(shù)據(jù)資源層：采用分布式數(shù)據(jù)存儲策略，存儲與平臺相關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如監(jiān)測感知層采集的數(shù)據(jù)、手動錄入的數(shù)據(jù)（用戶信息，工程信息等）以及平臺內(nèi)置的系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)服務(wù)支撐層：是連接數(shù)據(jù)資源層與業(yè)務(wù)應(yīng)用層之間的紐帶，系統(tǒng)服務(wù)支撐層服務(wù)層只知道一系列可行的相互作用的協(xié)議，它通過事務(wù)、資源管理、協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)消息等處理細(xì)節(jié)將數(shù)據(jù)資源抽象轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)應(yīng)用層所需的類型。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：是實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的核心邏輯層，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景設(shè)計編寫不同的處理邏輯精細(xì)處理加工數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過一系列接口交由服務(wù)終端層展示呈現(xiàn)。系統(tǒng)服務(wù)支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層對數(shù)據(jù)的處理不會影響數(shù)據(jù)資源層存儲的數(shù)據(jù)。

服務(wù)終端層：是與用戶交互的人機(jī)交互層，根據(jù)用戶的輸入呈現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在本層使用時序數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、并行可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)對比分析技術(shù)、數(shù)據(jù)組合分析技術(shù)等多種數(shù)據(jù)可視化技術(shù)來展現(xiàn)數(shù)據(jù)。

圖1 整體系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 業(yè)務(wù)功能

根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門實際的業(yè)務(wù)需求，新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺主要包括平臺管理和具體水庫數(shù)據(jù)管理兩部分，其中平臺管理包括水庫基礎(chǔ)信息維護(hù)、水庫人員及權(quán)限管理、外部數(shù)據(jù)源模塊、系統(tǒng)基本設(shè)置與監(jiān)控模塊；具體水庫數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)管理與分析模塊、監(jiān)測測點(diǎn)管理模塊、文件模塊、工程巡檢模塊、實時預(yù)警模塊、自動化監(jiān)測設(shè)備管理模塊。新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺功能架構(gòu)圖

用戶管理模塊：實現(xiàn)用戶賬號管理，采用多種加密和保護(hù)機(jī)制保證賬號安全。

權(quán)限管理模塊：實現(xiàn)用戶權(quán)限按職責(zé)實際分配，可給不同的用戶分配不同的水庫及系統(tǒng)權(quán)限。

水庫信息維護(hù)：管理水庫基本信息及地理位置信息實現(xiàn)，支持按區(qū)域劃分水庫。

數(shù)據(jù)源配置模塊：針對外部數(shù)據(jù)源做相關(guān)配置，保證平臺對老的采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)的兼容。

系統(tǒng)管理模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)默認(rèn)公式庫等系統(tǒng)默認(rèn)信息配置與管理。

系統(tǒng)監(jiān)控模塊：實現(xiàn)對系統(tǒng)使用人員的使用記錄、各項功能操作日志管理與分析、系統(tǒng)內(nèi)部多項服務(wù)模塊監(jiān)控等功能。

數(shù)據(jù)管理模塊：實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的整編與管理，提供數(shù)據(jù)校驗、重新計算、手動數(shù)據(jù)錄入等功能。

數(shù)據(jù)分析模塊：通過組合、對比、特征值等多種手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的分析處理。

監(jiān)測測點(diǎn)管理模塊：實現(xiàn)對具體水庫的監(jiān)測測點(diǎn)基本信息、安裝位置、監(jiān)測項目、計算公式等內(nèi)容配置管理。

自動化監(jiān)測模塊：實現(xiàn)自動化設(shè)備添加、配置和組網(wǎng)，設(shè)置自動采集與上報頻次，監(jiān)測自動化設(shè)備的電壓、溫濕度、上線情況等多項功能。

實時預(yù)警模塊：實現(xiàn)多報警級別的實時監(jiān)控預(yù)警模式，報警區(qū)間可根據(jù)實際需求自定義。

遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試模塊：實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線對監(jiān)測設(shè)備調(diào)試、故障診斷等功能。

工程巡檢模塊：實現(xiàn)巡檢表單自定義、巡檢內(nèi)容上傳、巡檢結(jié)果跟蹤評定等功能。

文件模塊：實現(xiàn)對系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)文件以及用戶上傳到平臺的相關(guān)文檔、報告管理進(jìn)行管理。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)與平臺優(yōu)勢

平臺采用基于SaaS的云計算架構(gòu)、時序數(shù)據(jù)庫、關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)傳輸使用4G、NB-IoT、WiFi等無線傳輸技術(shù)；部署方式采用私有云部署方式；總體來說新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺具有以下優(yōu)勢：

1)低成本、免運(yùn)維、易使用?；赟aaS架構(gòu)的云服務(wù)平臺低成本免運(yùn)維，云計算使得云平臺可動態(tài)提供可伸縮的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化資源，并以服務(wù)的方式提供 給用戶。用戶不需要關(guān)注底層的硬件資源，從而可讓用戶把重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)整合、軟件功能上，大大提高用戶體驗和軟件的可用性。

2)數(shù)據(jù)實時性。平臺運(yùn)用以傳感器和自動化采集系統(tǒng)為主體的在線采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候不間斷的從云端對大壩進(jìn)行實時監(jiān)控，發(fā)生報警時可主動推送預(yù)警信息。

3)支持大數(shù)據(jù)場景。采用時序數(shù)據(jù)庫、關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式，適合大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)、高吞吐量的數(shù)據(jù)場景，可完美支撐大壩安全監(jiān)測的不同場景。

4)安全可靠性。該平臺采用私有云部署方式，可確保數(shù)據(jù)信息牢牢掌控在用戶手中，杜絕外界干擾，同時避免在接入公有云時偶遇不兼容的尷尬情形。

5)靈活權(quán)限控制體系。新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺的權(quán)限可按照操作界面、不同地區(qū)、不同水庫進(jìn)行靈活劃分，既適用于高權(quán)限級別的省級和地區(qū)管理人員，也適用于某水庫管理人員乃至某水庫里的專職人員使用。

4 平臺應(yīng)用

新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺自正式上線以來，已應(yīng)用于新疆各地區(qū)20多座中小水庫中，在現(xiàn)階段安全監(jiān)測工作取得顯著成效。

平臺借助地理信息系統(tǒng)（GIS）將新疆各地區(qū)水庫分縣、分區(qū)，以形象化可視化的方式展示水庫地理位置（如圖3）。在左上角可按地區(qū)搜索目標(biāo)水庫，點(diǎn)擊水庫可查看到具體水庫相關(guān)主要信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖3 平臺“一張圖”總覽頁面

針對具體水庫，平臺集中整合其主要數(shù)據(jù)信息，做成可視化數(shù)據(jù)展板，分水庫信息、實時數(shù)據(jù)、過程線、數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、監(jiān)測點(diǎn)分布圖、報警信息幾個板塊內(nèi)容展示（如圖4）。測點(diǎn)分布板塊可點(diǎn)擊圖紙上的點(diǎn)查看最新一條數(shù)據(jù)，也可點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)查看其過程線；實時數(shù)據(jù)板塊分監(jiān)測項目展示測點(diǎn)最新一條，也可與過程線聯(lián)動查看。水庫首頁內(nèi)容豐富且操作方便，基本展示了該水庫監(jiān)測工作中最重要的最核心的內(nèi)容。

圖4  具體工程數(shù)據(jù)展板

5 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了新疆中小型水庫安全監(jiān)測云服務(wù)平臺的研發(fā)背景與需求，闡述了平臺架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，介紹了平臺功能與實際應(yīng)用情況。實際水庫應(yīng)用結(jié)果表明本平臺結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H管理流程，對新疆地區(qū)中小水庫數(shù)據(jù)整合，解決了新疆地區(qū)中小水庫安全監(jiān)管難題，極大程度上提高了水庫安全監(jiān)管效率，具有較高的使用價值和推廣前景。推進(jìn)水利信息化是一個逐步完善的過程，在未來，本系統(tǒng)將堅持“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的總基調(diào)，并結(jié)合具體業(yè)務(wù)需求，繼續(xù)提升和完善平臺功能，從而更好的為大壩安全監(jiān)測工作服務(wù)。

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