对基于物联网技术与云技术的大坝安全管理分析

2018-09-13张小洋

建材与装饰 2018年39期

关键词：大坝联网管理

张小洋

（中国葛洲坝集团试验检测有限公司湖北宜昌 443002）

引言

物联网技术与云技术的应用能够实现大坝安全管理的“防”“治”并重，提高大坝安全管理的信息化、智能化和数字化，以提高水库建设的生态效益、经济效益和社会效益。

1 物联网技术与云计算技术

1.1 物联网技术

物联网（The Internet of things）是一种通过传感技术、无线数据通信技术、位置定位技术等多种手段，实时采集物体各种信息，以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，促进“管理、控制、营运”一体化的一种数据网络系统。其目的解决物品与物品（Thing to Thing，T2T），人与物品（Human to Thing，H2T），人与人（Human to Human，H2H）之间的互连问题，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂；核心技术为传感器技术、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术、无线传感网络（WirelessSensorNetwork，WSN）技术、嵌入式系统（Embedded system）技术等，目前中国的“物联网”已经进入实际建设阶段，并被广泛的应用到各个领域[1]。

1.2 云技术

云技术（Cloud technology）对基于云计算商业模式应用的网络技术、信息技术、整合技术、管理平台技术、应用技术等的总称，是对分布式处理（Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）的延伸和发展，其关键技术为虚拟化技术（Virtualization Technology，VT）、分布式海量数据存储、海量数据管理技术、编程方式以及云计算平台管理技术（Cloud Management Platform，CMP），根据服务对象的不同，可以将云技术分为私有云、公有云和混合云（表1）。

2 我国水库大坝安全管理存在的问题

我国的大坝安全风险管理工作有紧迫性、长期性、复杂性、艰巨性的特征，一方面，受到历史遗留问题以及资金技术问题等因素的影响，我国大部分的的水库工程存在先天不足、后天严重失调的问题，对于工程管理工作存在加大的困难，大部分的水库存在病险问题，亟需加固处理，此外，水坝的溃坝现象频发也造成了水库安全与社会公共安全及发展间的矛盾和冲突。另一方面，“重建设，轻管理”的传统工程建设观念，导致了相关部门缺乏高素质的风险监控和安全管理人员，对水坝的安全监测设计缺乏针对性，对工程失事模式考虑较少，并且缺乏必要的基础性设施，预警、预报系统不健全，其水库大坝的管理模式已不能满足现代管理的需要。

表1 云技术类型及特征

3 基于物联网技术与云技术的大坝安全管理系统建构——以F大坝为例

3.1 工程概况

F大坝属于梯级大坝，共分为四级，位于亚热带湿润季风气候区，该区域内河流密布，水利资源丰富，年平均降水量800～1900mm，水力理论蕴藏量可达1046万kW，F大坝的基岩岩性坚硬且岩体新鲜完整，不存在较大的地质缺陷[2]。

3.2 系统开发原则

F大坝的安全管理系统以高级编程语言Delphi为开发工具，由水利专网和公共网组成的典型的“混合云”应用，能够有效实现人机交互和系统的可视化。其开发原则为：①实用性原则，严格按照大坝风险管理流程，提供多个可独立使用的数据计算、实时数据通信、结果的图形显示等程序；②可靠性原则，利用分布式设计，提高系统总体构架的灵活性和网络访问的吞吐量，并通过一定规模的模块化调试和整合调试，排除编译和运行错误；③鲁棒性与可扩充性原则，该系统具备较高的容错量和抗干扰性，并具备多个软件接口，能够根据实际情况自动提示或消除错误操作，实现内容的增加或分析算法的改进；④安全性原则，采用先进的硬件设备和软件技术，保障系统的可靠性、保密性和数据的一致性；⑤模块化原则，F大坝安全管理系统的开发采用了模块化的理念，各模块具备较强的封闭性和开放性，能够在满足各个模块之间耦合需要的同时，最大限度促进模块的独立运行功能。

3.3 系统总体结构

基于物联网技术与云技术的大坝安全管理平台架构，包含了三个层次，即物联网感知层、数据传输层以及混合云应用层（图1）。

物联网感知层是F大坝安全管理平台的基础层，主要负责对信息的集成、监控和预警反馈。利用物联物联网技术，F大坝可以通过光纤通信，将降雨信息和水位涨势等信息输入到数据库，并通过事例推理、决策树、规则推理、模糊集以及神经网络等数据挖掘技术，实现对风险源的预判，从而为大坝安全管理的科学调度提供数据支持。当溃坝风险事件已经出现时，相关的技术人员和管理人员可以利用位移传感器、湿度传感器、振动传感器等技术手段获取洪灾应急疏散路线和最佳的避难点。与此同时，F大坝还对区域内水生动物植入了无源的RFID标签，并在大坝下游建立了相应的读写阵列，以便于采集生态信息，在保障大坝生物安全的同时，为水生动物的科学研究工作提高便利。

图1 安全平台架构

数据传输层是安全管理平台的重要环节，负责将传感器节点的数据传输，以及将多种信息整合通过无线短波通信传递给混合云应用层，并将管理机构的指令反馈给物联网感知层[3]。F大坝的短波通信技术采用的Zigbee技术，该技术能够有效降低环境对信息传输的影响力，剔除冗余数据，提高数据的吞吐量。混合云应用层主要负责将水坝的安全监测数据存储在云平台，并利用云计算的强大计算能力对洪峰流量进行快速分析和及时预测，与此同时，该层面能够利用硬件平台的各级服务器对水流压力以及防护堤负荷量进行建模，并保障用户可以突破时空限制和设备限制，随时进行模型计算。例如，F大坝河道两岸的防护堤内埋入了压力和湿度传感设备，这些设备能够为溃坝洪水数值的模拟和生命损失估计方法提供实时的数据，对于生命损失的估计方法，F大坝改进了原有的Graham法，在其基础计算公式上增加了风险人口死亡率修正系数α，其改进后的公式如下：

LoL=PAR×f×α

此外，混合云应用层的资源共享功能还能促进多主体协同管理的落实，实现法人负责制、工程项目监理制、招投标制、第三方监督制的合力效应。

3.4 系统功能实现

F大坝的系统功能主要包括大坝信息管理功能，大坝安全风险评估、预警与应急决策支持功能以及数据库管理功能。大坝信息管理功能实现的对大坝基本工程资料、检测仪器资料以及检测信息的收集和整理，对于这些资料，系统对其进行系统误差识别、异常数据识别和疑点识别，在对符合要求的数据进行再测和剔除之后，实现数据资料的整编入库。与此同时，还要利用灰色理论分析、模糊信息分析、神经网络分析技术建立相应的数据模型，对大坝的变形、裂缝、渗流、有限元应力变形进行实时分析，以形成大坝安全的综合评价。大坝安全风险评估、预警与应急决策支持功能是基于大坝工程资料库的诸多数据，结合相应的风险指标，对大坝失事概率及损失概率进行估计，自动发布相关警情，并通过编制数字洪水风险图（图2），完善洪水调控措施和避难迁安对策，以最大限度地减小人身财产损失以及社会环境影响。数据库管理功能实现的是对项目所有数据库进行统一的管理和控制，提高用户访问的便捷性，维护数据的安全性和完整性，减少对专业管理人员的工作负担，提高管理质量和效率。