基于B/S结构的南水北调中线工程安全监测自动化应用系统设计与实现

2019-08-23郝泽嘉姜云辉聂鼎

中国水利 2019年15期

郝泽嘉，姜云辉，聂鼎

（1.南水北调中线干线工程管理局，100038，北京；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

南水北调中线工程安全监测是获取南水北调工程工作性态的有效手段，对于保障南水北调中线工程的正常运行具有重要意义。

在安全监测学科范畴，长距离调水工程具有建筑物类型多、监测项目多以及测量数量多等特点，产生海量多源安全监测数据。因此，亟须配套建设包含信息采集、整编计算与分析统计的软件系统进行支撑。据调研，我国在大坝安全监测系统建设方面已经取得了一定成果，引调水工程安全监测系统建设虽然起步较晚，但也具有一定的基础。目前，随着软件信息技术与信息化基础设施建设的快速发展，采用 B/S（Browser/Server）结构建设安全监测系统，结合地理信息技术（GIS）、BIM技术、深度学习等人工智能技术，可以充分提升安全监测系统“高效、精准、直观”等优势，通过信息化技术手段带动安全监测业务全面提升。

本研究基于南水北调中线工程的安全监测业务深度剖析，充分考虑监测数据采集、处理、设备状态监控等安全监测日常重点工作，研究设计适用于南水北调中线工程的安全监测自动化应用系统。通过SOA服务体系、数据库读写分离、数据缓存与负载均衡等手段，确保系统稳定、高效运行；引入大数据平台和深度学习技术，提高系统的智能化水平，为南水北调中线工程安全监测工作提供全面支撑。

一、软件平台结构选型研究

随着互联网基础设施建设和浏览器技术水平的提升，越来越多的信息系统软件从传统C/S结构向便捷的B/S结构转变。采用B/S结构，用户使用浏览器即可实现原有复杂专用软件的各类功能，且提高了系统维护、升级的便捷性。通过B/S系统构件的灵活更换，实现系统的无缝升级，提升系统的可扩展性和重复利用性能。此外，由于应用软件、数据等项目集中在服务器端管理，有效降低系统安全性维护的难度和工作量。

近10年来，国内一些大坝安全监测、水库调度系统尝试采用B/S结构进行软件开发，并在实际工程中得到了较好的应用。高学平等人针对水质监测的海量数据，设计了水质监测数据管理系统，应用B/S系统结构实现了水质监测与评价。胡康等基于B/S模式开发了梯级水库调度自动化系统，极大提高了梯级水库联合调度的水平。郭江等采用B/S结构模式进行系统开发，将集中管理与分布应用有机结合，设计和开发了水电站大坝巡检系统。根据当前信息化软硬件发展水平和用户使用行为习惯，基于B/S模式设计和开发行业自动化监测和管理系统，已经成为未来发展趋势。虽然其响应速度较C/S软件结构略有不及，但随着前端技术例如AJAX技术、VUE.js框架等的快速发展，B/S结构前端的加载速率已经有了很大的提升，可以满足用户绝大部分操作的速度需求。综上，基于对软件平台结构选型的综合分析结果，本文设计的南水北调中线工程安全监测自动化应用系统软件结构选型确定为B/S结构。

二、系统开发架构研究

针对南水北调中线工程安全监测系统监测点多、数据量大以及全天候监测等特点，在系统开发架构的设计方面，需要考虑大数据量引发的系统消息阻塞问题。因此基于系统的总体建设目的和应用目标，设置缓存并在整体架构层级中增加通信层，使软件前后端彻底分离并实现负载均衡。系统总体架构优化设计如图1所示。

①采集层：实现安全监测数据的采集。南水北调中线工程安装了大量不同类型的安全监测仪器设备，包括温度计、水位计、渗压计、位移计、土压力计、应力应变计等。其中，绝大部分内观监测仪器接入布设于现场的测量控制单元（Measurement Controller Unit，MCU）实现数据自动化采集与传输；少部分内观监测仪器和外部变形观测数据，由人工进行数据采集。所有监测数据采集后以统一的格式存储到对应的数据库中。

②数据层：实现系统中所有数据的分类、逻辑性关联、编码、存储等功能。为了提高数据查询效率和实现数据管理，数据层主要包括基础数据库、安全监测业务数据库、非结构化文件类数据库和日志数据库等。

③组件层：各类组件为系统提供软件开发资源，向下连接数据层资源，向上通过通信层支撑应用界面。在数据访问方面，由于系统需要大量的数据读写服务，首先采用Redis等存储技术设置缓存层，提高系统整体性能。通过异步消息队列，降低各类业务请求的并发量、加速系统响应。在业务逻辑方面，设计业务服务集群，实现原始监测数据的物理量整编计算、数据分析、监控预警、报表报告等业务功能。

④通信层：实现软件前后端彻底分离和负载均衡。采用Nginx高性能反向代理服务器，实现服务器的负载均衡；采用TCP/HTTP/HTTPS 3种通信方式，实现前后端数据通信。

⑤展现层：实现用户的请求接受，以及数据的返回，为用户提供交互式的界面。目前除了基于各类浏览器的Web应用界面，随着移动互联技术的发展和大屏终端展示需求，展现层还包含移动APP和大屏终端界面。

图1系统整体架构图

三、系统重点内容设计和实现

1.设计原则

安全监测自动化应用系统是支撑南水北调中线工程安全运行的重要信息系统，其安全性、可靠性需要放在首位进行考虑，系统采用面向服务的体系结构，实现软件各层架构间松耦合。数据同步方向为数据库到缓存单向同步，确保系统安全可靠。对于日益增长的安全监测数据和不断更新的现场监测仪器，软件在设计时还需充分考虑功能便于扩展和易于维护等性能。目前，以人工智能为代表的新技术正不断投产应用，给行业用户带来了诸多便利。软件设计过程中可考虑应用人工智能、大数据技术等实现粗差、监测异常的判断和预警，为用户提供易用性便利。

2.系统功能需求分析

遵循《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）和《混凝土大坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）等标准要求，结合工程实践调研成果，充分挖掘南水北调中线工程维护管理人员的日常安全监测业务工作需求。南水北调中线工程安全监测自动化应用系统需要实现以下功能：全线基础数据管理，建筑物状态、仪器设备监控，监测数据导入和粗差判别、数据分析和统计、异常报警、报表报告编撰和其他辅助类工具功能。

3.数据库设计和实现

对于处于运行管理阶段的南水北调中线工程，监测断面、监测项目和站点、监测仪器设备一般情况下不会出现变动；日常采集的安全监测、实时监控、分析计算、异常报警、统计模型等数据，其特性上会有较多的读写操作。因此数据库设计根据上述两部分内容区分为静态类基础数据库和动态类业务数据库。为进一步确保系统性能，采用 Oracle RAC（real application clusters）数据库实时应用集群技术实现数据库读写分离，进一步优化数据库服务。

4.组件层设计和实现

在组件层中，重点设计包括数据访问层与业务服务组件的设计。在数据访问层方面，为提高程序性能，在数据库基础上增加redis缓存层实现数据层的持久化，增加各类数据接口，把原本需要通过对数据库表进行的操作，简化为对类和方法函数的调用，降低业务服务组件和数据库之间的耦合度，提高系统的扩展性和可维护性。数据同步方向为数据库到redis单向同步，有效保证数据的安全性。在业务服务组件方面，包括安全监测业务功能类组件，例如数据导入、在线监控、整编计算、粗差判别、数据查询、数据分析、报表报告、全文检索等，还包括公共服务类组件，如统一用户管理、统一日志管理、算法仓库、GIS地图服务等。对所设计的各类组件进行有效管理和充分利用，可提高系统的开发效率和维护速度，也便于系统功能进行调整和扩展。

5.展现层设计和实现

展现层直接与用户实现交互，涉及用户对监测结果的实时了解、多元化展示技术、安全性问题等内容。系统展现层基于Bootstrap进行开发，具有较好的自适应性，用户通过IE、Google、Firefox等主流浏览器均可以实现兼容访问。在监测结果掌控方面，对于仪器设备状态监控模块等实时性较强的功能，通过Jason数据和ajax动态表格加载技术，实现异步监测数据更新，极大程度提高访问速度；在安全监测数据的多元化展示方面，除了基于Highcharts工具进行多元化图形绘制展示外，进一步结合用户实际需要，开展各类分析、统计图形的二次开发。系统还引入工程三维BIM（Building Information Modeling）模型以及GIS信息系统，更直观、便捷地为管理者提供数据信息的展示和查询，方便根据位置信息实现快速决策响应。其他功能设计和实现，区别于传统的MD5加密方法，本系统在设计中根据高级加密标准进行双向加密，确保用户通过Web浏览器、APP客户端、大屏幕访问系统的安全性。

6.安全性设计和实现

南水北调中线工程安全监测自动化应用系统依据《网络安全等级保护基本要求》（GB/T 22239—2019）国家规范进行系统安全性设计，重点考虑了系统部署有关的安全物理环境、安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境，以及系统本身保密性、完整性、漏洞检测评估、可用性、抗毁性以及防病毒入侵能力，使系统满足网络安全等级保护二级要求。