0 引言

我國(guó)是世界上水庫(kù)大壩數(shù)量最多的國(guó)家，水庫(kù)大壩在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用。要讓水庫(kù)大壩充分發(fā)揮效益，除了正確的調(diào)度和高效的管理，還必須保障大壩的安全，因?yàn)橐坏┐髩纬霈F(xiàn)事故將給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和人民安全帶來(lái)不可估量的損失。應(yīng)用實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件平臺(tái)可以保障大壩安全，為大壩調(diào)度、管理提供決策信息。

為了監(jiān)測(cè)水庫(kù)大壩的安全狀態(tài)，水庫(kù)大壩中都布置有應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度、傾斜、沉降、滲流、水雨情等多種監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往成百上千個(gè)，甚至上萬(wàn)，采集的數(shù)據(jù)處理、分析工作量大，并且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。[1]

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化采集設(shè)備在大壩行業(yè)中大量普及應(yīng)用。自動(dòng)化采集設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)一定的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至本地部署的服務(wù)器中，用戶打開安裝在本地電腦上的軟件客戶端操作設(shè)備、查看數(shù)據(jù)。這種軟件方式替代了人工測(cè)量，一定程度上實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化，但是也有一定的不便利性，例如運(yùn)維成本大、軟件升級(jí)困難等。特別是對(duì)流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)，這種軟件所帶來(lái)的局限性極為明顯。

流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)難點(diǎn)主要有：

（1） 分布范圍廣：流域多庫(kù)大壩一般分布在多個(gè)流域，分布較為分散；

（2） 結(jié)構(gòu)物數(shù)量多：共擁有多個(gè)多種結(jié)構(gòu)物，每種類型數(shù)量不等；

（3） 結(jié)構(gòu)物存在差異：無(wú)論是結(jié)構(gòu)物的外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu),還是監(jiān)測(cè)要求等均存在差異。

因此，針對(duì)流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)，需要一種更切實(shí)有效的監(jiān)測(cè)軟件。近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興技術(shù)的高速發(fā)展，一種新的軟件形式-云平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，云平臺(tái)可完美應(yīng)用于流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)，解決上述監(jiān)測(cè)難點(diǎn)，讓各個(gè)水庫(kù)大壩之間的數(shù)據(jù)有效互通，從而提高管理效率。

1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的局限性

1.1 運(yùn)維成本大

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)軟件需要購(gòu)置一系列服務(wù)器、交換機(jī)、路由器等基礎(chǔ)設(shè)施硬件，這類硬件設(shè)備不僅安裝繁瑣，更需要配備專業(yè)人員進(jìn)行持續(xù)維護(hù)。在很多水庫(kù)大壩，需要額外建造一個(gè)機(jī)房來(lái)放置這些硬件設(shè)備。因此在項(xiàng)目中會(huì)產(chǎn)生一定的設(shè)備購(gòu)置成本，并且在項(xiàng)目持續(xù)運(yùn)行的階段也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的人員運(yùn)維成本。此外，自建機(jī)房存在著潛在的人員操作故障風(fēng)險(xiǎn)，這也給大壩安全監(jiān)測(cè)帶來(lái)了不穩(wěn)定因素。

1.2 軟件整合困難

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件帶來(lái)更大的問(wèn)題是軟件多而零散，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)整合存在困難。一個(gè)個(gè)軟件猶如一個(gè)個(gè)封閉的孤島，用戶很難將數(shù)據(jù)融合在一起。

如果只有一個(gè)大壩工程，用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件也許并不能立刻看出這個(gè)問(wèn)題，但是一旦大壩工程多起來(lái)，例如流域多庫(kù)多個(gè)大壩，或不同地區(qū)的多個(gè)大壩，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)。由于用戶無(wú)法有效將數(shù)據(jù)打通，因此無(wú)法更好的將數(shù)據(jù)應(yīng)用起來(lái)。

1.3 軟件功能固定

從軟件功能上來(lái)看，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件一般功能都比較固定。如用戶在使用了一段時(shí)間以后，想對(duì)軟件功能進(jìn)行升級(jí)是非常困難的，往往需要投入很大的成本。

并且，在這類軟件交付使用后，軟件廠商和用戶之間并無(wú)耦合關(guān)系。因此，不僅是軟件廠商后期對(duì)軟件的維護(hù)，還是后期需要對(duì)軟件功能進(jìn)行更新都非常困難。

2 云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

2.1 低成本免運(yùn)維

云平臺(tái)基于SaaS的云計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。SaaS全稱為Software-as-a-service，意思是“軟件即服務(wù)”。 SaaS是一種基于互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的應(yīng)用模式，它打破了傳統(tǒng)軟件概念，SaaS模式隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用軟件的成熟不斷完善，是軟件科技發(fā)展的最新趨勢(shì)。[2]

圖1[3]中可看出單機(jī)版軟件、IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PasS（平臺(tái)即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）的區(qū)別。從圖中可看出，在最后一列SaaS軟件架構(gòu)中，完全沒有用戶在軟件部署中需要關(guān)注的部分(左邊標(biāo)注有“You manage”的部分)。因此，應(yīng)用云平臺(tái)時(shí)，需要用戶使用門檻和用戶投入成本均為零。

圖1 不同軟件架構(gòu)的對(duì)比

基于SaaS架構(gòu)的云平臺(tái)低成本免運(yùn)維，云計(jì)算使得云平臺(tái)可動(dòng)態(tài)提供可伸縮的計(jì)算、存儲(chǔ)、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(yàn)和軟件的有用性。

2.2 系統(tǒng)擴(kuò)展性

云平臺(tái)整套架構(gòu)采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中目前最先進(jìn)的微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅保證系統(tǒng)的松耦合度，并且能夠最大程度的保證系統(tǒng)的彈性。云平臺(tái)整套系統(tǒng)采用模塊化和分布式設(shè)計(jì)，為整個(gè)系統(tǒng)提供極大的擴(kuò)展性。

云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得云平臺(tái)可在流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中對(duì)多個(gè)大壩工程進(jìn)行復(fù)制并推廣應(yīng)用。并且，云平臺(tái)兼容多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，軟件采用標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，可方便用戶與其他平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接。對(duì)于大型系統(tǒng)及工程，可方便的實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.3 輕松升級(jí)

云平臺(tái)負(fù)責(zé)管理所有的更新和升級(jí)，用戶無(wú)需自行下載或安裝補(bǔ)丁。同時(shí)，云平臺(tái)還管理著應(yīng)用程序的可用性，所以用戶無(wú)需添加硬件和軟件，也不必隨著用戶或業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)而增加網(wǎng)絡(luò)資源。[4]

用戶一旦應(yīng)用了云平臺(tái)，可輕松享有后續(xù)的升級(jí)服務(wù)，用戶完全不需擔(dān)心軟件的后續(xù)維護(hù)、升級(jí)更新等問(wèn)題。

2.4 可靠安全性

大壩安全監(jiān)測(cè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事情，因此保障平臺(tái)的安全性是云平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)。云平臺(tái)部署在與國(guó)內(nèi)知名高校大學(xué)合作搭建的機(jī)房及服務(wù)器集群，采用運(yùn)營(yíng)商獨(dú)享專線以及國(guó)外專業(yè)廠商安全認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行加密，最大程度的保證系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)的安全性。

2.5 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

在大壩安全監(jiān)測(cè)中，用戶往往最關(guān)心的是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)的獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)安全監(jiān)測(cè)情況做出預(yù)估，在大壩安全監(jiān)測(cè)中是至為關(guān)鍵的一環(huán)。云平臺(tái)中運(yùn)用以傳感器和自動(dòng)化采集系統(tǒng)為主體的在線采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的從云端對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，全方位的了解大壩安全監(jiān)測(cè)情況。

用戶可直接通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或小程序等多種方式查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便快捷。通過(guò)在云平臺(tái)上設(shè)置的多種報(bào)警策略，用戶可接收到短信、微信、郵件等不同方式發(fā)送的報(bào)警推送，方便用戶實(shí)時(shí)排查問(wèn)題。

2.6 支持大數(shù)據(jù)場(chǎng)景

云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎng)景，可完美支撐大壩安全監(jiān)測(cè)的不同場(chǎng)景。

2.7 彈性的服務(wù)及收費(fèi)模式

云平臺(tái)采用即用即付，按需付費(fèi)的形式，用戶可隨時(shí)在云平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)資源的購(gòu)買，這種收費(fèi)方式不僅節(jié)省成本，并且十分靈活方便。

并且，云平臺(tái)提供定制功能，用戶可在云平臺(tái)上按需購(gòu)買，以滿足特定需求。

3 云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2 所示，用戶通過(guò)Web端、小程序、定制數(shù)據(jù)展板或接口的方式訪問(wèn)云平臺(tái)，方便用戶在不同場(chǎng)合下隨時(shí)隨地對(duì)平臺(tái)進(jìn)行使用。云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)主要分為以下十二個(gè)部分：

(1) 采集設(shè)備：通過(guò)自動(dòng)化采集設(shè)備，將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)以一定的傳輸方式，一般為無(wú)線傳輸方式（4G/NB-IoT/WiFi等）傳輸至云平臺(tái)；

(2) 數(shù)據(jù)采集服務(wù)：通過(guò)數(shù)據(jù)采集服務(wù)，接收不同的設(shè)備及傳感器的采集數(shù)據(jù)，服務(wù)自動(dòng)擴(kuò)容支持海量設(shè)備連接，可支撐大數(shù)據(jù)場(chǎng)景；

(3) 消息隊(duì)列集群：在系統(tǒng)中承擔(dān)負(fù)載均衡、消息通知、流量削峰等角色；

(4) 數(shù)據(jù)分析：通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義公式計(jì)算、數(shù)據(jù)閾值報(bào)警判斷等一系列分析計(jì)算；

(5) 日志中心：通過(guò)日志中心模塊管理日志，包括操作、報(bào)警、登錄、推送日志等；

(6) 基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)：包括推送中心、充值中心、文件中心等，為云平臺(tái)提供技術(shù)支撐；

(7) 工程管理：管理工程內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)及資源，包括工程、設(shè)備、測(cè)點(diǎn)、報(bào)表及數(shù)據(jù)等；

(8) 外部數(shù)據(jù)接入：外部數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、接口的方式導(dǎo)入云平臺(tái)，靈活的與其他系統(tǒng)進(jìn)行整合；

(9) 數(shù)據(jù)持久化：不同類型的數(shù)據(jù)以不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，支撐不同使用場(chǎng)景；

(10) 系統(tǒng)權(quán)限中心：采用基于用戶組角色的多級(jí)訪問(wèn)系統(tǒng)和基于樹狀的數(shù)據(jù)權(quán)限控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理的靈活性、安全性；

(11) 服務(wù)網(wǎng)關(guān)：動(dòng)態(tài)管理用戶的調(diào)用請(qǐng)求，對(duì)接口訪問(wèn)進(jìn)行管理控制；

(12) 系統(tǒng)安全：通過(guò)流量監(jiān)控、日志監(jiān)控等方式對(duì)惡意訪問(wèn)進(jìn)行攔截，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，最大程度的保證系統(tǒng)的安全性。

4 應(yīng)用案例

自云平臺(tái)正式上線以來(lái)，已廣泛應(yīng)用在大壩、橋梁、房屋、工民建等各個(gè)工程領(lǐng)域。

4.1  黔江長(zhǎng)江流域多個(gè)水電站安全監(jiān)測(cè)

黔江長(zhǎng)江流域多個(gè)水電站分布在長(zhǎng)江支流烏江流域，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括內(nèi)部和外部監(jiān)測(cè)。內(nèi)部主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：滲流（繞壩滲流）、滲壓、水位、應(yīng)力（鋼板）、測(cè)縫（基巖、縫間、壩口）、內(nèi)部溫度、環(huán)境量（大氣溫度、水庫(kù)水溫）。外部主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：引張線（倒垂）、GPS、沉降等。

云平臺(tái)對(duì)黔江長(zhǎng)江流域多個(gè)水電站進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。通過(guò)云平臺(tái)，用戶登錄后即可總覽整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，在地圖上查看每個(gè)工程的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)報(bào)警情況，測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)標(biāo)記會(huì)根據(jù)報(bào)警級(jí)別的不同顯示不同的顏色，用戶可隨時(shí)切換工程進(jìn)行查看具體工程對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 平臺(tái)總覽頁(yè)面

進(jìn)入具體工程，用戶可在圖4所示的工程總覽頁(yè)面實(shí)時(shí)查看具體工程里的測(cè)點(diǎn)分布圖，并通過(guò)在地圖布點(diǎn)或圖紙布點(diǎn)中點(diǎn)擊布點(diǎn)進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)。頁(yè)面右邊顯示出最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頁(yè)面聯(lián)動(dòng)，方便用戶查看更多數(shù)據(jù)。

圖4 工程總覽頁(yè)面

進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)菜單，用戶在圖6所示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)面可通過(guò)多視圖的方式查看數(shù)據(jù)最新情況，可選擇時(shí)間范圍，也可通過(guò)點(diǎn)擊“查看更多”按鈕進(jìn)入具體傳感器的歷史數(shù)據(jù)頁(yè)面查看更多數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)面

在圖6所示的數(shù)據(jù)管理頁(yè)面，用戶可根據(jù)時(shí)間范圍、多種篩選條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，精準(zhǔn)查看歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格或過(guò)程線圖片。

圖6 數(shù)據(jù)管理頁(yè)面

在圖7所示的測(cè)點(diǎn)管理頁(yè)面，用戶可添加測(cè)點(diǎn)資料并對(duì)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行管理。云平臺(tái)支持自動(dòng)獲取傳感器計(jì)算參數(shù)，自定義計(jì)算公式等，支持大壩安全監(jiān)測(cè)的不同傳感器類型和監(jiān)測(cè)要求。

圖7 測(cè)點(diǎn)管理頁(yè)面

4.2  引江濟(jì)漢工程安全監(jiān)測(cè)

引江濟(jì)漢工程，是從長(zhǎng)江荊江河段引水至漢江高石碑鎮(zhèn)興隆河段的大型輸水工程，屬于南水北調(diào)中線一期漢江中下游治理工程之一。工程的主要任務(wù)是：向漢江興隆以下河段補(bǔ)充因南水北調(diào)中線一期工程調(diào)水而減少的水量，改善該河段的生態(tài)、灌溉、供水、航運(yùn)等用水條件。[4]

云平臺(tái)和湖北省引江濟(jì)漢工程管理局進(jìn)行合作，定制的數(shù)據(jù)可視化展板方便用戶和業(yè)主已極簡(jiǎn)的方式查看測(cè)點(diǎn)分布圖，通過(guò)點(diǎn)擊測(cè)點(diǎn)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖9所示。用戶也可進(jìn)入數(shù)據(jù)詳情頁(yè)面查看歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行水平位移報(bào)表繪制及曲線圖繪制等。

圖9 引江濟(jì)漢數(shù)據(jù)展板

5 結(jié)語(yǔ)

文章主要介紹了云平臺(tái)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的區(qū)別，闡述了云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)及架構(gòu)，并通過(guò)在流域多庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用案例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明云平臺(tái)優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)云平臺(tái)，可大大減少大壩安全監(jiān)測(cè)運(yùn)維成本和管理成本，方便用戶更加有效的管理工程數(shù)據(jù)，使大壩安全監(jiān)測(cè)更有效、更便捷、更可靠。基于云平臺(tái)的多種數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示等功能，用戶可輕松將多個(gè)大壩工程的數(shù)據(jù)資源打通，讓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更好的實(shí)現(xiàn)價(jià)值，從而有效推動(dòng)大壩調(diào)度及管理決策。

參考文獻(xiàn)

[1]何勇軍.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化[M].中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2]https://www.ibm.com/cloud/learn/iaas-paas-saas

[3]https://venturebeat.com//cloud-iaas-paas-saas

[4]https://baike.baidu.com/item/引江濟(jì)漢工程