水库GIS智能巡检系统研究与应用

陈 剑，毛才传，严吉皞，王志敏

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

水库大坝安全巡视检查是安全管理工作的重要组成内容，具有实时性、多样性、全面性等特点，是仪器监测无法替代的。我国现有水库 9.8 万多座，大、中型水库只占不到 5%，绝大多数是小型水库，《水利部建管司关于开展全国水库大坝安全监测情况调查的通知》（建管函〔2016〕12 号文）的函调结果说明[1]，近一半的小型水库巡视检查是其主要的安全监测手段。据国内外有关资料统计，通过巡视检查发现大坝的重大安全隐患，约占出险水库总数的 70%[2]。随着三级责任人分级负责原则确立，不断强化与落实大坝安全责任制，严格日常管理工作[3]，加强巡视检查和安全监测等工作成为强化水库工程日常管理的主要内容。

国内外水库巡视检查方式无论在法规上，还是在监管体系上都有明显的差异。国外通常采用有专业资格的工程师按手册完成水库日常检查；我国由于水库众多，智能巡检成为当前水库巡视检查的主流方向。相较于传统的人工巡检，智能巡检主要针对我国水库巡视检查工作的难点、要点设计，贯彻大坝仪器监测和巡视检查相结合的原则，严格规范大坝巡检工作全过程，努力降低巡检人员的使用门槛，提高巡检中对发现问题的准确判断和及时响应的能力，在确保大坝安全运行的前提下提高效率，降低工作强度。

水库 GIS 智能巡检系统（以下简称智能巡检系统）利用物联网、元素化、GIS 平台、4G 网络、移动开发和数字仿真等技术手段，对使用手机 App 的日常巡检人员和后台巡检管理技术员进行不同的角色及功能设定，把普通的巡检工作和专业的水库巡检监督管理进行有效地分离和融合，可初步解决水库安全巡检中人为因素突出、工程情况复杂、工作高强度、管理难度大等不可避免的问题。

1 智能巡检系统需求

智能巡检系统是加强水库信息化能力，提升水库安全监督管理的重要手段。2019 年全国水利工作会议上水利部领导明确指出应开发推广水库大坝安全智能巡检系统。

传统巡检工作管理中的主要难点是指令下达无法简短明晰，巡检目标情况复杂多变，巡检元素定位困难，巡检过程无法监督，巡检报告难以规范，另外，工程情况复杂，工作强度高，管理多头化等问题均让巡检工作不著见效。巡检智能化的要点是结合不同时期的日常、年度、特殊等巡检要求，明确工作内容，制定切合实际的工作制度，可从以下3 个方面完成巡检智能化：1）将巡检工作标准化、元素化；2）让巡检过程属性化、空间化、可视化；3）让巡检管理信息化、阶段化、制度化。

随着近年来科技进步，水利工程管理要求和水平的不断提升，从 3 个方面实现巡检工作智能化的技术条件日趋完善，从根本上促使水库巡检采用新型通信方式、地理信息系统、大数据、移动互联、数字仿真等技术手段，构建具有感知、诊断、处置、反馈等完整智能体系的一体化巡检系统，可以预见智能巡检系统也必将成为大坝安全监测监督管理的重要手段。

一般来说，智能巡检系统应满足以下 4 点需求：

1）水库巡检要素元素化和标准化，要求可定位、识别、感知、记录；

2）巡检功能应满足实际工作、多人与多任务操作、前端操作与后台管理、过程监管等的要求；

3）巡检效果应满足事务管理与过程智能化要求（任务管理，缺陷诊断，应急处置等）；

4）应实现信息展示与共享，系统操作简单，使用门槛低，便于扩展。

2 智能巡检系统结构

智能巡检系统由运行巡检 App 的移动终端和管理信息系统的服务器及网络等组成，结构如图 1 所示。简单地说，智能巡检系统是通过前端的移动应用终端和后台的服务器，构成的一套基于无线网络的实时监控平台。

图1 智能巡检系统结构

巡检人员通过移动终端（PDA、智能手机等）实现感知，将巡检信息通过互联网发送至水库局域网的巡检服务器上；服务器根据巡检规则进行智能化处理；专业技术人员使用服务器端的系统应用服务完成后续诊断、处置、反馈；水库管理人员通过访问服务器，查询、统计巡检信息，审核并完成处置。

智能巡检系统中手机上的 App 应用软件（以下简称智能巡检 App）将巡检工作标准化、模块化、元素化，在确保有效性的前提下，简化操作，极力弱化操作者的使用难度。操作界面主要以点选为主，操作过程包含任务下载提醒、巡检到位提醒、巡检部位指标勾选、巡检多媒体记录、任务完成度提示、任务提交等，操作点位上通常设置有显著标志、仪器设备附加信息说明等一系列提高巡检过程效率的手段。在线情况下与后台实时交流，跟踪巡检状态、轨迹，监视巡检效果，确保人员安全。

智能巡检系统中服务器的巡检管理信息系统（以下简称后端管理系统）采用 B/S 架构，所有功能模块均以 Web 方式呈现。通过将水库巡检信息与其他大坝安全监测信息进行平台级大数据融合，实现巡检工作的感知与诊断升级；结合时空数据对巡检的内容、方法及评价标准进行挖掘，提炼出适合各水库的巡检系统智能化应用规则，使巡检信息的有效利用最大化。

智能巡检系统总体框架如图 2 所示。

图2 总体框架

环境层、数据层、支撑层具体分析如下：

1）环境层。为智能巡检系统运行提供硬件和网络环境，包括服务器、通信模块等。

2）数据层。采用 MySQL 数据库存储巡检信息等。

3）支撑层。为应用层提供支撑平台，GIS 为地图服务应用提供支撑，Web Service 为巡检 App 提供数据访问接口，Tomcat 为 Web 信息发布提供支撑，用户管理为应用系统提供用户认证和管理。

3 智能巡检系统关键技术

后端管理系统采用 B/S 开发模式，基于 J2EE 架构及相关技术开发。巡检 App 目前是一款 Android App，选用的是 Native App（原生）开发模式。

3.1 Web 开发框架

后端管理系统 Web 开发采用 Spring MVC 框架，Spring MVC 框架基于 Spring 技术经过多年的积累，已经是当前非常成熟的一种技术框架，可以让使用者只关心核心业务开发而忽略大部分与业务无关的技术问题。

Spring 是一种分层的 JavaSE/EEfull-stack（一站式）轻量级开源框架。Spring 框架由 Spring Core，Context，AOP，DAO，ORM，Web，MVC 等 7 个模块组成，组成 Spring 框架的每个模块（或组件）都可以单独存在，或者与其它模块联合运行。Spring MVC 属于 Spring Framework 的后续产品，融合在Spring Web Flow 里面。Spring MVC 是一个典型的MVC 构架，不像 Struts 等都是变种或者不是完全基于 MVC 系统的框架，且是一个纯正的 Servlet 系统，容易理解和实现。

采用 Spring 技术能极大地提高智能巡检系统数据层适应和业务扩展的能力。

3.2 Web Service 数据服务

巡检 App 和后端管理系统数据交互是基于 Web Service 的数据服务，数据服务包括巡检 App 从后端管理系统下载巡检任务及上传巡检结果，提供巡检轨迹等，后端管理系统应为巡检 App 提供与业务相关的各种数据服务。智能巡检系统 Web Service 数据服务采用 Apache CXF 方式实现。

Web Service 是一种 Web 应用技术和规范，运用 Web 和组件技术，使用标准的互联网协议（如HTTP 和 XML）描述、发布、发现、协调和配置应用程序，在局域网和互联网上实现软件复用。Web Service 一旦部署，其他应用程序可以发现并调用它部署的服务。

Apache CXF 是一个开源 Services 框架，能利用Frontend 编程 API 构建和开发 Services，像 JAXWS（Java API for XML Web Services）。Services 可以支持多种协议，如 SOAP，XML/HTTP，RESTful HTTP 等，并且可以在多种传输协议上运行，如HTTP，JMS 或 JBI。CXF 极大简化了 Services 的创建，同时继承 XFire（新一代的 Java Web 服务引擎）传统，可以和 Spring 无缝集成。

3.3 GIS 地图信息服务

智能巡检系统通过 WebGIS 对巡检过程空间位置有关的地理分布数据进行采集、存储、显示、分析，是支撑层的内容之一。

水库现场巡查工作人员带上巡检终端进行操作时，可通过移动端的 GIS 服务完成空间可视化及精确空间定位功能，并可轻松地为巡查内容打上空间标记。

后台管理人员可以在 WebGIS 地图上总览巡检情况，实时跟踪现场巡查人员当前工作位置和巡检过程，快速完成隐患诊断审核、人员工作考核和安全保障等。

典型的地图服务包括：

1）在 GIS 地图中展示单个巡检任务中各巡检点的执行情况，包括位置、信息检索等；

2）在巡检线路管理中使用 GIS 地图模拟巡检线路，查看巡检任务及执行情况；

3）巡检 App 基于地图服务任务状态，展示和辅助 GPS 及 LBS（基于位置的服务）信号进行到位判断等。

3.4 物联网技术

智能巡检系统可结合物联网技术用于室内定位、设备状态获取等，通常采用以下物联网技术：

1）RFID。RFID（射频识别）定位的基本原理是，通过手持式阅读器读取目标 RFID 标签的特征信息（如标点位置、巡检要点等），主要采用邻近探测法确定标签所在位置。

2）Zigbee。Zigbee 主要用于测控单元近距离通信，测控单元本身携带设备位置、状态等相关信息。

3）LoRa。LoRa 是 LPWAN 通信技术中的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

3.5 三维仿真技术

三维仿真是智能巡检系统加强隐患识别、巡检信息展示与感知的主要方向。通过采集水库建筑结构、影像等方法，将水库大坝建筑结构通过计算机仿真构造成三维、仿真的虚拟场景，为使用者提供全方位的感官模拟和空间信息展示平台。主要技术包括以下 3 种：

1）影像数据获取。影像数据包括航空和卫星影像地图。倾斜摄影技术是目前较为普遍的水库影像数据获取方式，可采用多旋翼无人机搭载多台传感器，按照预先设置的航摄计划，选择有利的飞行时机获取测量水库的影像数据和 pos 文件。

2）三维建模。三维建模技术主要利用影像数据进行三维重建、精细化修复，是三维场景产生的关键性技术。较主流的建模软件包括 Smart3D，Pix4D mapper，PhotoScan，3D Max 等，三维建模完成后可以实现对 DSM（数字表面模型），DOM（数字正射影像图）和三维模型等成果的输出。建模流程如图 3 所示[4]。

图3 三维建模流程图

3）三维仿真。三维仿真技术基于后台数据服务、3D 场景、WebGL 三维仿真框架等构成。通常三维仿真环境可以与 GIS 平台叠加形成更为逼真的 3D GIS 环境。Cesium 是一款面向三维地球和地图的 JavaScript 开源产品，Cesium 框架可以实现基于时空数据的实时可视化应用，只要浏览器支持WebGL1.0 标准，也就是 OpenGL ES 2.0 规范即可。Cesium 有 3 种视图模式：三维地球（3D），二维地图（2D）及 2.5 D 哥伦布视图（2.5D）。

4 后端管理系统

后端管理系统采用 B/S 架构，部署在服务器上，主要为巡检管理人员完成巡检任务、线路、报告等巡检管理工作，提供 Web 服务。后端管理系统应依据水库管理模式，充分考虑人力资源因素，从提升后台业务智能化、专业化的角度出发，进行功能设置。

智能巡检系统将后端管理系统按照业务逻辑设计以下功能：

1）3 项事务功能。包含设置、管理、执行等功能，其中设置功能包括巡检任务、线路等业务设置相关的内容，以及系统管理内容，由智能巡检系统中管理员角色的水库技术人员完成；管理功能包括巡检任务设计、任务审核、隐患排查、工程管理等功能，由智能巡检系统中专业与管理技术角色的水库管理人员完成；执行功能主要包括理解、完成巡检任务，上传巡检信息等功能，由智能巡检系统中普通使用者角色的水库工作人员完成。

2）1 项后台服务功能。后台服务是指包含 Web Service 在内的平台服务，包括 Web 服务、信息共享等功能，主要依靠协助角色的有关人员完成。

实践中为了有更好的操作体验，根据操作逻辑结构智能巡检系统设置以下功能：

1）巡检管理功能。包含巡检计划、任务、记录（轨迹）的管理，以及缺陷管理、巡检统计等功能。

2）线路管理功能。包含巡检线路、区域、点、部位的管理等功能。

3）系统管理功能。包含人员和部门管理等功能。

4）Web 服务功能。为智能巡检 App 提供数据服务，通过数据服务智能巡检 App 可查询、下载、同步、提交巡检任务信息，与后端管理系统进行数据交互。

智能巡检系统的巡检过程展示均通过 GIS 地图或三维方式进行，包括巡检中的对象组织、分类，线路确认、巡检轨迹等。巡检任务总览界面，可展示巡检工作的完成情况和任务信息。

巡检记录按照元素化要求，分类、分层进行展示。实际巡检过程能实时更新到服务器中，后台专业人员可及时查看巡检现状，发现问题隐患，进行审核或应急处置。

5 智能巡检 App

智能巡检 App 可以安装到智能手机、平板、PDA 等移动设备中，设计理念是尽可能降低实际巡检人员的使用难度，通过物联网、GIS 等技术手段提高巡检效率，采用提醒、帮助等方式降低操作难度，适应单人、多人模式，多任务并发执行等。

巡检 App 具体功能如下：

1）巡检任务下载。查询并下载新的巡检任务，显示任务信息，可通过地图查询巡检点的巡检信息。

2）巡检任务更新。与智能巡检管理系统同步更新巡检任务。

3）巡检任务执行。通过地图提示巡检路线，提供到位提醒，巡检内容提示，巡检信息规范内容录入等辅助巡检任务的执行。

4）巡检信息提交。向后台管理系统提交巡检信息。

5）巡检任务查询。通过任务列表查询当前巡检任务及任务完成情况，当存在未完成的任务时，App 会高亮闪动该记录以提醒巡检人员有未完成任务，从而提高任务完成效率。

6 智能巡检系统工程应用

某水库控制流域面积为 2 060 km2，总库容为15.59×108m3，是一座以防洪、城市供水为主，兼顾农业灌溉、发电、水产养殖等综合利用的大（1）型水利枢纽工程。

水库枢纽工程包括大坝、放水洞（泄洪洞）、溢洪道和发电站等，工程等别为 I 等，主要建筑物为 1 级。

现场巡检工作经过元素化处理后，巡检元素包括设置巡检线路 1 条，巡检点 29 个，巡检部位69 个，异常判断条件 334 条。

巡检仪运行环境为 Android 系统，利用 GPRS方式实现网络接入功能，相比 Wi-Fi 等传输方式，在保证良好可扩展性的同时，可大大节约建设投资。室外定位使用 GPS 辅助 GIS 地图服务方式，室内定位采用 RFID + 二维码方式。

水库巡检路线为：监控中心站（闸坝所）→左坝肩→副坝下游坝坡与下游坝脚→放水洞出口→主坝下游坝坡与坝脚→右坝肩→主坝坝顶与上游坝坡→放水洞进水塔→副坝坝顶与上游坝坡→溢洪道闸室与金属结构→交通桥→溢洪道。

采用水库 GIS 智能巡检系统后，单次巡检时间小于 3 h，巡检频次现阶段为 1 次/周，时间为上午8:00—11:00。水库遭遇库水位骤变、大洪水、地震等特殊情况时，可酌情加密巡检频次。

实际应用时，水库现场巡查工作人员带上巡检仪巡视工作地区，管理专业人员可以在 GIS 地图上实时清晰地查看现场巡查人员当前工作位置并追踪工作路线。如现场巡查人员发现在某个检测点有异常情况，通过智能巡检 App 实时将坐标、图片、异常描述等信息传输至后台管理系统，监控中心技术人员能及时看到异常提醒并进行诊断和处置。通过使用智能巡检系统，水库的日常巡检规范性和应急处置能力都得到了很大提升。

7 结语

智能巡检系统是目前解决水库巡检工作不足的主要技术手段，但水库管理体系仍是巡检工作的根本。智能巡检系统通过信息化、规范化、元素化等技术手段提升了水库巡视检查的能力，使智能巡检系统成为确保水库安全运行的重要抓手。智能巡检系统利用不同的业务功能设置让复杂的巡检工作得以有效分解，不同的水库人员可以分别完成各自擅长的部分，可通过 GIS，4G 通信，移动 App 等技术手段将巡检工作合为一体，设置、管理、执行并重，完美地解决了传统巡检的不足。巡检信息在三维 GIS 平台中展示和分析，提高了大坝巡视检查的规范性和资料的完整性。

智能巡检系统是水库安全管理的发展方向，特别对监测手段相对较少的小型水库尤其重要。在对1954—2006 年的小型水库溃坝情况进行统计后[5]，发现有工程质量问题的水库占水库总数的 32.0%，运行管理不当的水库占水库总数的 10.6%，这些水库中有一些水库其实可以通过安全巡视检查，及早发现问题并提早进行处置。近年来随着水库管理水平的提高，运行管理不当造成的溃坝、险情逐步减少，但有些客观情况依旧存在，尤其是小型水库巡检人员的能力参差不齐，巡检工作中存在不足等。因此小型水库的智能巡检系统应重点关注以下内容：

1）巡检要素与处置。应统一进行规划和培训，消除对巡检要素理解和处置上存在的偏差。

2）巡检过程规划与管理。合理规划和规范化管理，解决覆盖不全、重点不突出、安全特征缺失等问题。

3）监督与应急处置。简单有效的监督反馈与应急响应功能，能充分发挥不同层级管理者作用，避免异常故障等处理存在滞后和对水库安全影响认识不足等情况。

总的来说，智能巡检系统是符合当前水库“补短板、强监管”管理基调的重要手段，但是用好智能巡检系统还需要不断的探索研究，并与水库管理发展相适应。相信不久的未来，智能巡检系统一定对水库的安全监管起到更加重要的作用。