大坝安全监测云服务系统的研发与应用

牛广利 ，李天旸 ，何 亮 ，李端有

（1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，430000，武汉；2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，430000，武汉；3.国家大坝安全工程技术研究中心，430000，武汉）

大坝的安全运行是水库发挥工程效益的基本保障，也关系着其影响范围内人民群众的生命财产安全及社会经济发展。大坝安全监测作为大坝安全的耳目，直接反馈工程的客观作用与演变，及时发现异常并采取措施，确保工程安全运行，在水库大坝建设期和运行期安全管理中具有举足轻重的作用；《水库大坝安全管理条例》规定：“大坝管理单位必须按照有关技术标准，对大坝进行安全监测和检查；对监测资料应当及时整理分析，随时掌握大坝运行状况”。

大坝安全监测技术经历了原型观测阶段（1891—1964年）、原型阶段向安全监测过渡阶段（1965—1985年）和安全监测阶段（1985年至今）。近年，随着自动化技术的进步，大坝安全自动化监测得到了广泛应用；几乎所有的大中型水库大坝均建立了大坝安全监测系统，也不同程度地实现了安全监测自动化。但总体来说，大坝安全监测普遍存在以下问题：①“重建轻管”现象严重，重视大坝安全监测系统的建设，但在运行期对安全监测系统的管理维护不够重视，造成设备过早老化失效，无法正常发挥作用；②通过大坝安全监测系统采集获取的监测数据大多只进行了简单的整编，缺乏系统性和综合性的资料分析工作；③现场安全监测专业人员缺乏，管理水平较低；④大坝安全监测软件多为配套采集软件，仅停留在数据采集与数据管理阶段，未深入开发资料分析功能，缺少大坝安全监控方面的应用，无法发挥实时监控预警的作用；⑤针对每个水库大坝开发和部署安全监测软件系统，缺乏通用化系统平台，导致投资较大，软件、硬件均存在较大的资源浪费。

借助物联网、云计算、大数据、移动互联网的快速发展，针对大坝安全监测工作的实际需求，笔者设计与研发了CK-DSM大坝安全监测数据管理及分析云服务系统 （以下简称“大坝安全监测云服务系统”），系统基于云计算平台开发和部署，包括PC端Web应用、智能终端APP应用和微信小程序应用，系统功能涵盖数据采集、仪器管理、数据管理、资料分析、报表报告、巡视检查、系统管理等，能够为各类水利工程、岩土工程提供全生命周期全方位的安全监测服务。

一、云服务系统架构

大坝安全监测云服务系统基于SaaS模式和SOA体系结构进行开发，采用B/S模式三层架构作为系统架构。

1.SaaS模式

云计算的核心服务通常分为基础设施即服务层（IaaS）、平台即服务层（PaaS）和软件即服务层（SaaS）三个层次，大坝安全监测云服务系统基于SaaS模式开发。

基于SaaS模式开发的大坝安全监测云服务系统，通过互联网以服务的形式开放给购买服务的用户，用户无需再购买软件以及部署软件所需的软硬件资源，只需使用浏览器即可随时随地使用软件上所有功能，以低成本、低门槛和低风险的方式使用服务；而对于软件开发者，基于SaaS模式可以借助互联网高效的传播能力，快速推广软件服务，并且避免重复性的工作，专注提高服务质量，提升核心竞争力。

2.SOA服务体系

大坝安全监测云服务系统采用SOA（Service Oriented Architecture，面向服务的架构），根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用，将各个功能模块封装成独立的Web服务，各项服务间利用标准接口进行通信和交互，通过合理组织和调用服务来完成业务功能；所有业务逻辑均以服务形式进行封装，服务可以被共享、重用和配置，实现了服务的复用性和系统的松耦合；应用系统由服务提供者、服务消费者和服务代理组成。

云计算的关键特征是按需提供服务，能够向各类用户及应用提供其所需的服务；SOA则是依靠服务间良好的接口和契约将应用程序联系起来，两者之间紧密联系，互为补充。

3.B/S模式三层架构

大坝安全监测云服务系统采用B/S 模式（Browser/Server，浏览器/服务器模式）进行开发，用户只需安装浏览器，系统核心业务与数据库管理系统部署在服务器端上，浏览器通过Web Server与数据库进行数据交互。大坝安全监测云服务系统采用B/S模式通用的三层架构（见图1），将软件系统划分为界面表示层、业务逻辑层和数据访问层三个层面，其中，界面表示层主要提供用户界面，实现用户与系统之间的交互；业务逻辑层主要实现系统业务逻辑的处理，如资料分析、模型计算等；数据访问层主要实现对数据库操作的封装，为业务逻辑层提供数据服务。

二、云服务系统功能架构

大坝安全监测云服务系统主要包括数据采集、仪器管理、数据管理、资料分析、报表报告、巡视检查、系统管理等功能，功能结构图如图2所示。

1.数据采集

主要是集成各类自动化采集单元的数据采集功能，包括数据采集、采集设备管理、采集策略设置等功能，支持在线测量、巡回测量等多种模式，同时提供采集服务供其他系统调用。

2.仪器管理

主要包括传感器考证信息管理（测点编号、出厂信息、位置信息、参数信息等）、仪器编组（多测点仪器自定义组合）、仪器布置图（支持热键交互）以及仪器统计。

图1 云服务系统三层架构

3.数据管理

主要包括数据录入 （人工录入、批量导入、自动化系统数据导入等）、误差处理分析（莱茵达准则、罗曼诺法斯基准则、Grubbs准则、Dixon准则等数据准则以及基于统计模型的误差综合分析方法）、数据整编（数据、图表批量整编成册）、环境量数据管理（气温、上下游水位等）。

图2 云服务系统功能结构

4.资料分析

主要包括相关分析（监测物理量之间、监测物理量与环境量之间的相关性）、分布图分析（监测物理量分布图，如位移分布、渗压分布、温度分布等）、统计模型（位移、应力应变、渗流等各类统计模型，支持多元回归、逐步回归、BP神经网络等多种算法）、监控预警（基于典型小概率法拟定监控指标、实时监控预警）、安全评价（确定大坝安全评价体系，基于层次分析法实现大坝安全评价）；另外，针对不同坝型开发不同的分析模块，比如混凝土坝的应力应变计算分析模块、土石坝的位势分析和浸润线分析模块等。

5.报表报告

主要包括报表模板设置、统计报表（基于报表模板进行极值统计）、报告模板设置、报告生成（基于报告模板生成报告）。

6.巡视检查

主要包括巡检方案管理、巡检报告管理、巡检考核统计、巡检设置（设置巡检人员、巡检路线等）等。

7.系统管理

主要包括工程管理 （工程基本信息、监测工程结构、监测仪器类型等）、用户管理、权限管理及日志管理。

大坝安全监测云服务系统提供单库版和库群版2个版本，其中，库群版为同时管理多个水库大坝工程的流域开发公司、水行政主管部门提供集中管控平台，便于管理各个监测系统下的仪器信息及监测数据。

三、云服务系统关键技术

在构建大坝安全监测云服务系统的过程中主要采用了通用化程序设计及实现、专业化分析模型、云计算与大数据等关键技术。

1.通用化程序设计及实现

设计及实现过程中，充分应用面向对象的系统开发方法，运用抽象、封装、继承、多态等机制与方法，抽象出各种实体类、工具类、模型类、输入输出类等类别，并遵循模块化和层次化原则，重建结构化、灵活性和可复用的通用化程序模块，同时，采用MVC设计模式，运用Spring MVC开发框架，实现了软件系统层间高内聚与层内低耦合，最大程度地保证了大坝安全监测云服务系统的通用化与可扩展性，从而为各类水利工程、岩土工程提供通用化安全监测云服务奠定了基础。

2.专业化分析模型

大坝安全监测云服务系统作为安全监测专业分析系统，对工程多个关键效应量建立多种模型分析方法，包括统计模型、确定性模型、混合性模型以及智能算法模型等，以便进行更精确的预测和监控，为工程安全提供可靠的模型分析服务；另外，系统可结合安全监测成果、设计成果、各种计算和分析成果、巡视检查成果、各类规程规范要求，综合分析评价大坝安全状况，拟定监控指标，实现预警分级管理。

3.云计算与大数据技术应用

系统基于云计算平台部署，既可以选择阿里云等公有云计算平台，也可以构建基于Open Stack或CDH的私有云计算平台，从而能够实现根据系统接入的工程数量及规模，动态调整软件、硬件及网络资源，保证系统稳定、流畅运行。

大坝安全监测云服务系统应用HDFS分布式文件系统、Map Reduce并行计算框架与Spark计算引擎等大数据技术，为大坝安全监测数据存储、分析计算提供基础支撑，另外，基于决策树、随机森林、GBDT等机器学习算法，构建了安全监测大数据分析模型，实现了安全监测信息的大数据挖掘。

四、云服务系统特点

1.部署方式灵活

系统可以在公有云、私有云、混合云以及普通服务器等多种场景下进行部署。

2.系统接入快速

购买服务的用户可以在系统上自助完成新建工程、添加仪器及数据、开展资料分析、导出报表报告等操作，无需软件开发者协助，更不用修改系统源代码。

3.自定义功能强大

系统支持自定义工程特性、自定义监测工程结构（建筑物、部位、断面等）、自定义仪器类型、自定义仪器计算公式、自定义仪器组合方式、自定义统计报表报告、自定义统计分析模型等。

4.资料分析功能丰富

涵盖了安全监测资料分析中的绝大部分功能，并针对不同坝型进行了专题分析功能开发，满足实际工程应用需求。

5.兼容各类自动化系统

各类自动化监测系统可以快速接入本系统，基于其自动化采集的安全监测数据，能够便捷地应用本系统开展数据管理及分析工作。

6.支持大规模应用场景

系统基于B/S模式开发，采用分布式技术框架，适合大规模应用，可以根据系统接入的工程数量及规模，动态调整软件、硬件及网络资源，保证系统的稳定、流畅运行。

7.购买费用低

用户通过购买服务的形式使用本系统，无需支付系统开发、部署、维护等费用，性价比较高。

五、实际应用

大坝安全监测云服务系统自研发以来，陆续在溪洛渡水电站、乌东德水电站地下工程、大藤峡水利枢纽、吉林中部城市供水工程、江垭水库、皂市水库等几十个中大型水利水电工程中获得了成功应用，能够有效提升大坝安全监测数据管理及资料分析水平，具有良好的应用效果和推广前景。

六、结 语

详细论述了大坝安全监测云服务系统的开发背景、系统架构、功能结构、系统特点以及系统实际应用情况。实际应用情况表明，本系统技术先进、功能丰富，能够很好地应用在大坝安全监测领域，有助于提升大坝安全监测数据管理及资料分析水平，具有很好的推广前景。