1 引言

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截止2019年新疆已建、在建和計(jì)劃建設(shè)達(dá)578座，這些水庫(kù)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(lái)的將是一場(chǎng)災(zāi)難，國(guó)內(nèi)外均曾經(jīng)歷慘痛教訓(xùn)，如：青海省溝后水庫(kù)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(méi)，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(lái)，國(guó)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(guó)家號(hào)召，新疆地區(qū)擬將境內(nèi)中小型水庫(kù)信息集中管理，分層分級(jí)地對(duì)各水庫(kù)實(shí)施安全監(jiān)管，保證各水庫(kù)安全運(yùn)行。

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

2 現(xiàn)狀及需求分析

2.1 新疆地區(qū)水庫(kù)管理現(xiàn)狀

新疆地區(qū)一部分水庫(kù)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(kù)大壩各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，但仍然存在不足。

安全監(jiān)測(cè)設(shè)施方面：許多中小水庫(kù)監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善，尤其建設(shè)年代久遠(yuǎn)的水庫(kù)，沒(méi)有配備大壩位移、滲漏等安全監(jiān)測(cè)設(shè)施以及水雨情測(cè)報(bào)監(jiān)測(cè)設(shè)施，經(jīng)過(guò)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(cái)產(chǎn)安全[3]。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理分析方面：根據(jù)去現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查的結(jié)果，現(xiàn)階段新疆各地區(qū)水庫(kù)所采用的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備并不是出自同一廠家，鑒于各廠家儀器的差異，各個(gè)水庫(kù)的信息基本相互獨(dú)立，每個(gè)水庫(kù)必須使用與采集設(shè)備配套的數(shù)據(jù)管理客戶(hù)端軟件來(lái)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(mén)之間不能互通有無(wú)，形成信息孤島，不能全面掌握水庫(kù)基本信息及實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，另外各軟件的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和分類(lèi)不一致，導(dǎo)致已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能得到有效利用[5]。

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

2.2 新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)需求分析

根據(jù)新疆地區(qū)地域特征及當(dāng)?shù)刂行∷畮?kù)管理現(xiàn)狀，新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)需實(shí)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(gè)水庫(kù)之間的壁壘打通，方便整合各水庫(kù)采集的數(shù)據(jù)，降低水庫(kù)管理難度，提高水庫(kù)管理效率以及安全監(jiān)管水平。

2) 相對(duì)獨(dú)立性。大型的水庫(kù)可以根據(jù)需求建設(shè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但中小型水庫(kù)考慮財(cái)力消耗與實(shí)際價(jià)值，往往不建議建設(shè)[4]。因此統(tǒng)一的云服務(wù)平臺(tái)上則需要虛擬隔離，保證各地區(qū)相對(duì)獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)分地區(qū)，人員分層分級(jí)，上級(jí)人員可為下級(jí)人員指派不同的地區(qū)或水庫(kù)，分工明確，出現(xiàn)問(wèn)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(zhǎng)期存儲(chǔ)不丟失，自動(dòng)采集設(shè)備遇到故障時(shí)可通過(guò)補(bǔ)讀機(jī)制保證數(shù)據(jù)完成。

4) 實(shí)時(shí)性與及時(shí)性。即采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)異常狀況需及時(shí)預(yù)警。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)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(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)層、監(jiān)測(cè)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(jì)算資源和存儲(chǔ)設(shè)備的信息基礎(chǔ)架構(gòu)，為整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)提供運(yùn)行所依賴(lài)的基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器等。在本層通過(guò)虛擬化技術(shù)將資源池化，以實(shí)現(xiàn)資源的按需分配和快速部署。

監(jiān)測(cè)感知層：主要由各種智能傳感器、攝像機(jī)、水雨情監(jiān)測(cè)站等數(shù)據(jù)感知設(shè)備構(gòu)成，用于感知采集監(jiān)測(cè)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(wú)線傳輸方式（4G/NB-IoT/WiFi等）傳輸至平臺(tái)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(chǔ)策略，存儲(chǔ)與平臺(tái)相關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如監(jiān)測(cè)感知層采集的數(shù)據(jù)、手動(dòng)錄入的數(shù)據(jù)（用戶(hù)信息，工程信息等）以及平臺(tái)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(guò)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(lèi)型。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：是實(shí)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(chǎng)景設(shè)計(jì)編寫(xiě)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(guò)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(duì)數(shù)據(jù)的處理不會(huì)影響數(shù)據(jù)資源層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

服務(wù)終端層：是與用戶(hù)交互的人機(jī)交互層，根據(jù)用戶(hù)的輸入呈現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在本層使用時(shí)序數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、并行可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)對(duì)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(lái)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(mén)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)主要包括平臺(tái)管理和具體水庫(kù)數(shù)據(jù)管理兩部分，其中平臺(tái)管理包括水庫(kù)基礎(chǔ)信息維護(hù)、水庫(kù)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(kù)數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)管理與分析模塊、監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)管理模塊、文件模塊、工程巡檢模塊、實(shí)時(shí)預(yù)警模塊、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備管理模塊。新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)功能架構(gòu)圖

用戶(hù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)用戶(hù)賬號(hào)管理，采用多種加密和保護(hù)機(jī)制保證賬號(hào)安全。

權(quán)限管理模塊：實(shí)現(xiàn)用戶(hù)權(quán)限按職責(zé)實(shí)際分配，可給不同的用戶(hù)分配不同的水庫(kù)及系統(tǒng)權(quán)限。

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

數(shù)據(jù)源配置模塊：針對(duì)外部數(shù)據(jù)源做相關(guān)配置，保證平臺(tái)對(duì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)默認(rèn)公式庫(kù)等系統(tǒng)默認(rèn)信息配置與管理。

系統(tǒng)監(jiān)控模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)使用人員的使用記錄、各項(xiàng)功能操作日志管理與分析、系統(tǒng)內(nèi)部多項(xiàng)服務(wù)模塊監(jiān)控等功能。

數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的整編與管理，提供數(shù)據(jù)校驗(yàn)、重新計(jì)算、手動(dòng)數(shù)據(jù)錄入等功能。

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

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)具體水庫(kù)的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)基本信息、安裝位置、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、計(jì)算公式等內(nèi)容配置管理。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備添加、配置和組網(wǎng)，設(shè)置自動(dòng)采集與上報(bào)頻次，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備的電壓、溫濕度、上線情況等多項(xiàng)功能。

實(shí)時(shí)預(yù)警模塊：實(shí)現(xiàn)多報(bào)警級(jí)別的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警模式，報(bào)警區(qū)間可根據(jù)實(shí)際需求自定義。

遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試模塊：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備調(diào)試、故障診斷等功能。

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

文件模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)文件以及用戶(hù)上傳到平臺(tái)的相關(guān)文檔、報(bào)告管理進(jìn)行管理。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)與平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

平臺(tái)采用基于SaaS的云計(jì)算架構(gòu)、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)等關(guān)鍵開(kāi)發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)傳輸使用4G、NB-IoT、WiFi等無(wú)線傳輸技術(shù)；部署方式采用私有云部署方式；總體來(lái)說(shuō)新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)低成本、免運(yùn)維、易使用。基于SaaS架構(gòu)的云服務(wù)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(hù)。用戶(hù)不需要關(guān)注底層的硬件資源，從而可讓用戶(hù)把重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)整合、軟件功能上，大大提高用戶(hù)體驗(yàn)和軟件的可用性。

2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。平臺(tái)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)，可實(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，發(fā)生報(bào)警時(shí)可主動(dòng)推送預(yù)警信息。

3)支持大數(shù)據(jù)場(chǎng)景。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。

4)安全可靠性。該平臺(tái)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(hù)手中，杜絕外界干擾，同時(shí)避免在接入公有云時(shí)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(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)的權(quán)限可按照操作界面、不同地區(qū)、不同水庫(kù)進(jìn)行靈活劃分，既適用于高權(quán)限級(jí)別的省級(jí)和地區(qū)管理人員，也適用于某水庫(kù)管理人員乃至某水庫(kù)里的專(zhuān)職人員使用。

4 平臺(tái)應(yīng)用

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

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

圖3 平臺(tái)“一張圖”總覽頁(yè)面

針對(duì)具體水庫(kù)，平臺(tái)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(kù)信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、過(guò)程線、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖、報(bào)警信息幾個(gè)板塊內(nèi)容展示（如圖4）。測(cè)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(guò)程線；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)板塊分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目展示測(cè)點(diǎn)最新一條，也可與過(guò)程線聯(lián)動(dòng)查看。水庫(kù)首頁(yè)內(nèi)容豐富且操作方便，基本展示了該水庫(kù)監(jiān)測(cè)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(yǔ)

本文詳細(xì)論述了新疆中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)云服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)背景與需求，闡述了平臺(tái)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，介紹了平臺(tái)功能與實(shí)際應(yīng)用情況。實(shí)際水庫(kù)應(yīng)用結(jié)果表明本平臺(tái)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際管理流程，對(duì)新疆地區(qū)中小水庫(kù)數(shù)據(jù)整合，解決了新疆地區(qū)中小水庫(kù)安全監(jiān)管難題，極大程度上提高了水庫(kù)安全監(jiān)管效率，具有較高的使用價(jià)值和推廣前景。推進(jìn)水利信息化是一個(gè)逐步完善的過(guò)程，在未來(lái)，本系統(tǒng)將堅(jiān)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(tái)功能，從而更好的為大壩安全監(jiān)測(cè)工作服務(wù)。

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