基于云架构的“智慧水库”改建方案探讨

王 菂 ，郑 凯，贾真真

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2.山东传媒职业学院，山东 济南 250200；3.泰安市水利勘测设计研究院，山东 泰安 271000）

大河水库位于山东省泰安市西部郊区，为泰山抽水蓄能电站的下水库，在黄河下游大汶河二级支流泮汶河中游，枢纽工程主要由均值土坝、溢洪闸、放水洞等主要建筑物组成，其任务以发电为主，兼顾防洪、灌溉和城市用水。水库坝址以上控制流域面积84.53 km2，正常蓄水位165.00 m，死水位154.00 m，设计洪水位166.80 m，校核洪水位l67.20 m，按l00 年一遇洪水设计、2000 年一遇洪水校核，总库容2 997.10 万m3，兴利库容2 030.10 万 m3，死库容 204.72 万 m3。

水库大坝安全事关人民生命财产安全和社会稳定，极为重要。随着“智慧+”新时代的到来，水库安全监测及运行管理工作应该充分利用现有资源，依托新一代信息化技术，顺应“智慧水利”发展趋势，在水库传统安全监测设施的基础上，逐步实现“物联感知、信息传输、数据管理、平台支撑、功能应用”的网络化、智能化和标准化提升，构建“智慧水库”安全监测运行管理一体化平台。

1 水库安全监测设施现状

大坝现有 0+100、0+300、0+310 和 0+400 四个监测断面，分别在0+100 断面和0+300 断面设坝基测压管6 根，在0+310 断面和0+400 断面设坝体测压管6 根；测压管内置渗压计在溢洪闸桥头堡内设置数据采集器（MCU）1 台，采集大坝渗压数据，数据通过有线光缆上传至水库中控室，展示于中控室计算机和会商大屏幕上。目前，该系统多数断面监测数据异常，若干渗压计已无数据上传，主要通过每年进行2 次人工位移观测和36 次测压管观测的资料，综合分析大坝运行情况。

经现场检测分析认为：多数断面监测数据异常或无数据上传，系MCU 数据采集主板故障所致；中控室计算机也经常出现故障。现大坝安全监测资料分析软件仅能够实现数据采集、报表、曲线描绘等简单的功能，缺少必要的数据分析、资料整编等功能；且大多基于C/S 开发，只能在特定的电脑上进行操作，应用很不方便。

溢洪闸和放水洞没有设置相应的变形、渗流、应力、应变、温度等安全监测设施。

2 需求分析

根据《土石坝安全监测技术规范》（SL 551－2012）《水闸安全监测技术规范》（SL 768-2018）等相关规范规程的要求，结合大河水库的实际情况，水库安全监测系统应该具有巡视检查、变形监测、渗流监测、压力（应力）监测、环境量监测、水利学和冰凌等项目的专项监测，具备上述监测资料的整编与分析系统。

根据山东省水利厅颁布的《全省水利工程标准化管理工作推进方案》等相关文件的要求，水库管理单位应该建立标准化运行管理平台，其主要功能包括基本信息管理、水库调度运行、工程安全检查、日常养护维修、病害隐患处理、应急事件处置、员工考核培训、日常事务管理等运行管理事项。运行管理平台需根据管理级别设置相应操作权限。

安全监测数据从一维、二维到三维都有；运行管理数据种类极为复杂，既有结构化数据，也有半结构化数据，还有许多非结构化数据。传统的大坝安全监测管理信息系统无法满足上述需求，唯有设置基于云架构的“智慧水库”系统，才能够将上述分散、异构的各子系统集成，应用大数据技术汇集和处理通过物联网获得的海量数据，通过 GIS 技术（提供宏观地理信息）、数模分析组件（基于云计算的计算模型类决策辅助程序）以及数据挖掘等技术，找出安全监测数据中的客观规律，以指导水库调度运行。

3 “智慧水库”改建方案

3.1 预期目标

“智慧水库”改建方案的总体目标是保证水库枢纽工程安全，充分发挥工程效益，更好地为社会和经济建设服务。就水库安全监测分析系统而言，项目实施后应能实现如下目标：一是物联感知全面准确；二是预警信息实时更新；三是业务应用平台全面展现；四是办公系统便捷高效；五是统一标准互联互通。

3.2 总体架构

“智慧水库”总体架构由物联感知、信息传输、数据服务、平台支撑和业务系统5 个层面组成。

3.3 主要建设内容

1）水库枢纽工程与泰山西湖景区三维立体可视模型。大河水库枢纽工程与泰山西湖景区三维立体可视模型是“智慧水库”最顶端的平台，与水库安全监测、综合分析与运行管理系统浑然一体，组成了一个三维立体可视化信息集成系统，把大坝、溢洪闸和放水洞的变形、渗流和压力（应力）等安全监测系统，降水、气温、水位、流速、流量、水温、水质等环境量监测系统，视频监控、闸阀控制、智能巡检等系统融为一体，通过三维可视化的方式展现运行。

2）水库安全监测系统。该系统主要由如下7个子系统组成。（1）补充、完善大坝、溢洪闸和放水洞渗流监测子系统；（2）补充、完善大坝、溢洪闸和放水洞变形监测子系统；（3）补充、完善水质在线监测子系统；（4）补充、完善溢洪闸、放水洞闸、阀自动化监控子系统；（5）新建入库河流水位、流速、流量监测子系统；（6）新建水库气象监测子系统，实现对库区、流域降水、温度、湿度、风向风速等气象要素的自动化监测；（7）补充、整合、完善视频监控子系统。通过上述诸多实时监测系统，对库水位、渗压、变形、水文、气象、水质、入库洪水及泄洪流量等，实现远程实时监测、视频监控和多级预警等功能，为水管部门及时掌握水库与河道的运行状况，提供实时可靠的数据支撑。

3）信息传输系统。各监测点根据不同的监测项目类别和现场实际工况，组合各自的无线局域网，利用上位机网关采用物联网公共网络进行信息传输，各观测点均具备较强的独立性，可有效避免因雷击、断电等意外因素造成系统整体瘫痪事件的发生，易于维护维修。

4）数据服务系统。数据服务层在存储物联感知并传输过来的所有信息的同时，还要对数据进行过滤、清洗、加工、整合等管理与服务工作。

5）平台支撑系统主要包括：

一是新建洪水预报子系统。通过具体研究入库河流的洪水特点以及河床变化规律，综合水文学、水力学、河流动力学等相结合的技术方法，建立符合当地实际情况的洪水预报经验模型和数学预报模型。届时，将流域实时降水过程、水情、工情等各类实时信息输入洪水预报经验模型和数学预报模型，对洪水过程、洪峰水位（流量）、洪量等洪水要素进行实时预报，为相关部门防洪减灾调度提供决策依据。

二是新建水库安全综合分析子系统。通过对大坝、溢洪闸和放水洞渗流、变形等指标的实时监测数据，综合分析计算，科学、客观地评价其实时安全状态和变化趋势。

三是新建水文分析子系统。通过对入库径流的还原分析和雨型分析，获得洪水径流的特征数据，为水库洪水调节计算、兴利调节计算、下闸蓄水时间分析，提供数据支撑。

6）业务综合办公和移动办公系统。该系统建设的主要目标：一是水库调度方案和度汛方案的编制与执行；二是负责日常大坝、溢洪闸和放水洞的巡视检查和安全监测工作；三是及时掌握、传递、处理水情和水库运行等信息，与政府主管部门建立水情自动测报信息系统；四是协助相关部门做好水库安全运行；五是组织水库日常养护修理和除险加固工作；六是负责水库观测、监测、监控等设施的日常运行、管理和养护工作；七是负责相关技术资料的收集、梳理、整编、汇总、分析及归档等工作。该系统可以为水库提供一套现代化的PC 终端和移动端办公平台。

基本信息管理、水库调度运行、工程安全检查、日常养护维修、病害隐患处理、应急事件处置、员工考核培训、日常事务管理等运行管理事项，运行管理平台需根据管理部门和级别，设置相应操作权限。

4 结 语

基于云架构的“智慧水库”改建方案成功地实现了既有与新建安全监测系统的有机融合，整体规划，分布实施。既可满足水库安全运行和标准化管理的需要，又避免了重复投资，造成不必要的浪费。安全监测数据从物联感知、信息传输、数据服务到安全运行综合分析评价，全程远程操控、信息共享，解决了监测设施难以集中、数据分析不深入、安全预警不及时等难题。基于云架构的“智慧水库”系统，能够将既有与新建的安全监测运行系统有机地融合为一体，有一定的推广应用价值。