基于云平台的水库安全管理信息化方案研究

谭 界 雄高 大 水杨 明 化胡 林

(1．国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010； 2．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 3. 重庆市开州区水务局, 重庆 500234)

我国是水利大国，已建设水库9.8万座，居世界第一[1]。但我国水库存在先天不足、后天失调的问题，为工程的安全运行带来挑战[2]。针对水库存在点多面广量大的突出特点，如何保障水库安全运行，发挥工程效益，一直是水利人探索的主要议题。近年来，极端天气等因素时有发生，2018年出现了内蒙古增隆昌水库副坝决口、新疆射月沟水库溃坝、湖北东方山水库渗漏险情等安全问题，引起了广泛的社会关注，水库尤其是小型水库的整体安全形势仍不乐观。

解决水库管理面临的难题，需要工程措施和非工程措施并举，管理思路、管理模式以及管理手段均需突破传统，加强创新。近年来，移动互联网、物联网、云计算等现代信息技术的迅速发展，为解决水库的安全运行提供了新的思路。目前，国内已有学者开展了水利工程建设管理云平台等相关研究，并取得了较好的效果[3-6]。本文提出一种基于云服务的安全管理设施建设+运维技术服务的模式开展水库大坝安全管理信息化建设的整体技术方案，可解决目前信息化建设及运维中存在的主要难题。

1 现状及需求

1.1 水库安全管理设施及信息化现状

为掌握水库的运行动态，水库管理单位及主管部门根据职责和定位，分别建设了安全管理设施及信息化管理软件[7-10]。根据调研分析，目前水库信息化建设及运行管理中普通存在以下问题。

(1) 水库现场的信息化管理设施完好率较低，主要是因设备老化、运维经费不到位等多种因素致使监测系统处于瘫痪状态[11]。

(2) 信息管理系统低水平重复建设问题较广泛。各个水库分散建设，通用性、扩展性差，而且每个水库不同的业务系统均需配置多台服务器、数据库管理系统等基础软硬件，造成基础资源投入大[12]。

(3) 数据可靠性较差，整合难度大。从事水库信息化开发的单位较多，水平参差不齐，数据的真实性、准确性无法保障，且存在运行维护服务跟不上等问题。

(4) 水库管理单位专业技术人员数量有限、业务能力不足，尤其缺乏信息化等专业人员，往往不能开展安全监测分析、预报调度方案制作等，业务应用系统建成之后往往不能发挥预期作用。

(5) 小型水库的监测设施自动化程度化低。一般仅建设了水位标尺，汛期要依靠现场的巡查人员观测后上报给主管部门，其时效性和准确性均较差。

1.2 水库安全管理信息化的主要需求

目前水库管理单位及水行政主管部门急需基于现有水库大坝安全管理设施及信息化系统，进一步完善水库大坝的安全管理和运维体系。

1.2.1水库管理单位

按照现行规范要求，开展水库各类监测、监视等安全管理设施的标准化建设，主要建设内容包括：变形、渗流、应力、环境量、视频/图像、通讯网络等，每个水库的实际建设内容可根据现状而定。

为保障建成的安全管理设施能正常运行，需要按时、按需开展运行维护工作，包括定期检查监测设备工作与运行状况，监测仪器保养、率定，自动化测点人工比测等。

为掌握大坝的运行性态，满足科学调度需要，水库管理单位开展巡视检查资料、仪器监测资料整编与分析，编制/修编水库调度运用计划，水库应急预案等。

1.2.2水库主管部门

水库主管部门往往管辖多个水库，包括不同规模、不同坝型的水库，其管理工作十分复杂。为及时掌握各个水库的运行状态，特别是在汛期及水库发生突发事件时，需要将各个水库的水位、雨量、流量等水情资料，渗流、变形等大坝安全监测数据，水库巡视检查资料，视频或图像等管理信息的统一聚合、共享，实现对所管辖水库的统一监管。

2 总体方案设计

针对水库管理单位及其主管部门的安全管理信息化需求及现状，在充分利用原有信息资源的基础上，运用云计算、移动互联网、物联网等技术提出覆盖水库管理单位及其主管部门的总体解决方案。所有水库现场不需要单独建设信息化机房及管理系统，大大降低总体投资，同时解决了由不同厂家建设导致的运维困难，水库缺乏专业人员等难题。

在水库现场，基于现行规范要求，根据工程等级、坝型，在水库现有可用的监测设施的基础上，开展安全管理设施的标准化设计，完善水库安全管理体系。基于GPRS/3G/4G/光纤等方式，将水库运行的重要指标包括变形、渗流、环境量、视频/图像、巡检资料等上报主管部门统一建设的云平台。大中型水库可以根据需要建设专业业务应用系统，小型水库不宜单独建设。

基于采集的水库大坝安全管理数据，结合主管部门、运行管理单位的监管、运行管理业务，采用IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)3层结构搭建水库大坝安全管理云服务平台。其中，IaaS层由应用服务器、数据服务器、存储资源池、操作系统、数据库管理系统等基础软硬件组成；PaaS层由数据汇聚与交换服务、地图服务、报表服务、短信服务、日志服务等组成；SaaS层由大坝注册登记、水文预报、水库调度、安全监测、预警、应急处置等业务应用服务组成。

基于云服务平台，水库管理单位及主管部门可通过PC端及智能移动终端等方式访问SaaS层发布的业务应用服务，其中水库管理人员可以查看水库的运行情况，开展统计分析、图形报表制作、资料整编、报告生成、预报调度等具体业务；水库主管人员可掌握所管辖水库总体运行动态，查看各水库重要运行指标，督促规范化管理等。

3 关键技术研究

3.1 整体技术架构

基于云服务的水库安全管理技术架构包括多源数据采集、数据存储、支撑技术、接口服务以及前端页面等构成。其中多源数据采集主要是基于水库现场的监测、监视设施的数据采集、传输，经过清洗、转化等步骤，将数据入库到数据库中，为业务应用提供数据支撑；数据存储层包括分布式文件存储和数据库存储两部分，其中分布式文件存储主要存储视频/图像等资源文件，数据库主要是用于存储结构化以及非结构化数据等；技术支撑层主要是通过中间框架形成rest服务接口，对外提供rest服务；页面展示层提供图表展示、交互功能操作等(见图1)。

3.2 平台化开发技术

为提高开发效率，将水库管理业务服务开发的通用性技术，如地图服务、图表服务、报表服务以及流程服务等进行整合，基于IaaS层的基础设施服务，采用平台化开发模式形成具有高扩展性的业务开发运行环境，作为服务提供给SaaS应用开发者使用，同时使应用开发人员可根据用户业务需要的不同状况，进行扩展开发(见图2)。

图1 基于云架构的总体方案Fig.1 The overall solution based on cloud platform

图2 整体平台技术架构Fig.2 The IT technical architecture

3.3 面向多租户的服务化开发模式

因水库具有任务、规模、大坝坝型等差异明显的特征，而且管理人员纵向分为运行管理、监督管理两个层级，横向分为安全监测、水文等业务科室，需要将水库业务应用进行梳理整合，以服务化的方式进行开发、部署和管理，以多租户的模式提供给水库管理单位。各个水库管理单位可以根据业务按需选择相应的业务服务，如水文预报、渗流分析、结构安全分析等，仅只需对所使用的服务付费；不同层级的主管部门，可以按需对其所监管的水库进行监管，选择相应的查询、报表、预警等服务。服务提供商可专注针对不同的业务需求，开发、升级和维护好各类业务应用服务，从而实现从传统的定制开发模式转向服务供需模式转变。

3.4 多级热点缓存数据交互方案

为满足水库管理人员并发访问需要，保障系统高效稳定运行，在系统架构的不同层级进行数据缓存，降低对数据库的压力，提升访问效率。通过对水库管理的业务数据分析，筛选出需要频繁访问的热点数据，在应用层部署一级缓存，由中间件实现二级缓存。同级缓存采取分布式缓存架构，通过订阅发布模式进行数据同步，避免当前缓存不存在需要访问的数据，而进一步向下级缓存或数据库发起请求，而导致数据库压力很大的问题。

4 工程应用

目前，本文提出的基于云服务的水库安全管理信息化解决方案已在我国湖北、安徽等地开展试点运用，得到项目业主的一致认可和高度评价，应用前景十分广阔。

通过试点单位对现有监测设施的标准化升级改造，实现对水库的各类监测数据、视频/图像等的规范化采集、上报和统一管理，并以市级水库主管部门为主体开展云服务的管理平台统一建设，面向主管部门、大中小型水库管理提供不同的业务功能，各个水库管理单位按需选择业务服务即可使用，并可根据管理需要灵活进行服务扩展或删减。

大坝安全管理云平台的主要业务功能包括：水库注册登记管理、大坝安全鉴定管理、水文预报(包括新安江模型、水箱模型、API模型等集总式水文模型、分布式水文模型、水动力学模型等)、水库调度(包括发电、防洪、供水等多目标、多库联合调度)、大坝安全监测(包括数据统计分析、图表制作、报告编制等)、安全诊断与预警等。

通过该平台，不同层级的水行政主管部门可掌握水库的运行状态，指导水库的安全管理，大大提高了对所辖水库的监管能力；各个水库管理单位可以完善水库的安全管理体系，根据业务需要开展安全监管、预报调度以及日常管理等具体业务，促进其运行管理规范化。

5 结 语

水利信息化十三五规划明确提出要运用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，实现水利信息采集、传输、存储、管理和服务的数字化、网络化与智能化，全面提升水利工作的效率和效能。随着国家对提高自然灾害防治能力的日益重视，以及我国治水的工作重点不断向水利工程补短板、水利行业强监管模式转变，水库大坝的安全管理信息化建设将成为主要趋势。本文提出的基于建设+运维IaaS、PaaS和SaaS三层结构的新模式开展水库大坝安全信息化管理建设将是区域性水库大坝信息化建设的主要趋势，可有效解决目前利用信息化手段开展水库安全监管、运行管理和运维等工作中存在的主要问题，具有良好的推广应用价值，可为水库大坝信息化建设提供借鉴。