旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统设计研究

刘光彪 李少林 吴双利 纪传波 戴领 沈明毅

摘要：为提高安全监测作业工作效率，满足其快速、高效、可靠地掌握工程性态的需要，需通过信息化手段设计与研发旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统。依据旭龙水电站安全监测需求，以工程安全监测具体业务为导向，综合考虑各参建单位的使用场景，开发了监测管理系统，包含定制化首页、工程管理、施工管理、在线采集、环境信息、仪器管理、监测管理、资料分析、监测预警、巡视检查、报表报告、三维展示等功能，并在监测管理系统中保留符合智慧工程、智慧电厂系统要求的接口，满足相关数据传输与信息推送要求。通过使用监测管理系统，提升了工作效率，降低了工程安全隐患风险。研究成果可为类似大坝安全监测系统设计提供参考。

关键词：安全监测； 安全监测信息综合管理系统； 智慧工程； 旭龙水电站

中图法分类号：TV698.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.019

文章编号：1006-0081（2024）05-0105-06

0 引言

20世纪80年代初，意大利和法国等率先开展了大坝自动化监测系统开发研究和监测数据分析研究，并于1980年开发了MIAMS大坝监测系统、MISTRAL系统、DAMSAFE大坝安全管理决策支持系统等大坝安全监测信息化管理系统，实现了大坝的实时监控和信息化管理。随后，日本、美国和加拿大等国也相继开发了Waleach大坝监测自动化系统、Monticello集中式数据采集系统等。国际主要应用的大坝安全监测与数据处理系统主要有：意大利ISMES的GPDAS系统，美国Geomation公司的2300系统［1］以及后续2380系统等迭代更新系统、Sinco公司的IDA系统等。

中国于20世纪80年代开始开展大坝安全监测及信息化管理的研究。1980～1983年，中国在龚咀和葛洲坝大坝上布设了监测传感器，对大坝安全监测进行信息化管理。南京自动化所开发了具有监测数据的自动化采集、传输、分析处理等功能的大坝自动监测系统（DAMS）和大坝安全信息管理系统（DSIMS）。随后，中国众多监测仪器设备研发制造厂家、高校和科研单位等相继开发了自动化监测系统软件和信息化管理平台［2］。

上述自动化监测系统多采用数据采集管理、数据统计分析、图表可视化等二维技术手段对数据进行展示。随着大坝安全监控理论方法研究不断深入、人工智能理论方法在水利领域的深层应用，信息化技术、BIM技术与应用、无人机近景摄影技术等发展日新月异，大坝安全监测管理系统不应仅仅停留在图表可视化的数据分析层面，更应借助当前先进计算机技术，赋能大坝安全监测信息化、智慧化发展。

为积极响应国家“十四五”水利发展规划智慧水利建设等政策，对旭龙水电站工程安全监测技术及其自动化提出更高的要求。旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一库十三级”梯级开发方案中的第12级，是西电东送骨干电源点之一。工程开发任务以发电为主，并促进地区经济社会发展。坝址多年平均流量为990 m3/s，多年平均径流量为313亿m3。水库正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，设计洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，总库容约8.47亿m3。水电站装机容量2 400 MW，多年平均年发电量约105.14亿kW·h。

本文结合旭龙水电站安全监测管理运行需求，设计研发了旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统。通过搭建“一中心多服务”的层级数据汇聚融合架构，适配了安全监测数据多源服务，实现了多源异构数据的高效汇聚融合［3］；在此基础上，提供了安全监测信息管理系统基础数据管理功能，充分融合人工智能算法，异常数据智能识别［4］，大数据与云计算等智能化、智慧化技术手段，开展了旭龙水电站大坝安全监测成果有效性检查、数据异常识别、现场检查信息异常判别等研究；利用BIM+GIS技术，以3DE设计平台为依托，构建了旭龙水电站安全监测三维可视化场景，实现了旭龙水电站工程可视化、安全监测成果可视化、预警可视化等，丰富了水电站安全监测业务表达形式，提升了业务管理直观能力，更加清晰地表达了业务场景［5-6］。

1 系统总体架构设计

1.1 总体框架

依据旭龙水电站安全监测需求，以工程安全监测具体业务为导向，综合考虑业主单位、监测中心、监理单位、监测实施单位等各方参建单位使用场景，配合监测自动化采集系统独立开发旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统，用于数据整编、资料归档、数据分析、监测预警等功能，形成一套数据汇集、展示、管理、分析、预警为一体的应用系统。系统结合WebGIS、数据交换、大数据等技术，建立统一的数据交换标准，建成可覆盖各工程统一、实时的安全监测数据管理分析平台，并为如智慧工程等其他相关业务系统预留接口，实现整个工程中数据的有序交换及统一管理，提升安全监测数据的管理和利用效率，为工程建设的决策提供支持。

旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统软件拟采用一体化架构搭建，分布式面向服务的组件模型设计思想，统一规划设计，将各类应用功能划分为不同服务模块，模块间具有数据交互、事件发布、应用调用等功能，同時可实现各类数据源共享，在此基础之上建立信息互动、综合联动、智能决策的应用系统。总体框架如图1所示，将系统共分为资源层、数据层、服务层、应用层以及展示层［7-8］。

1.2 总体数据流程设计

旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统总体数据流程设计分为安全监测数据，环境量监测、专项监测及工程运行特征数据，巡视检查数据，安全监测管理信息，可视化环境建设数据流程以及外部系统数据。具体业务数据流程如图2所示。

1.2.1 安全监测数据

本项目安全监测数据包含自动化采集数据和人工录入数据。

（1） 自动化监测数据通过“数据采集功能”完成入库。

（2） 人工观测数据采用增量模式完成入库，同时系统提供单表和批量导入2种方式，实现快速导入数据。

（3） 项目中安全监测数据处理过程如下：① 人工数据首先通过人为初步筛选与粗差检验后，通过系统平台导入原始数据库，经过数据转换、数据校核，形成成果数据库；② 自动化数据，由系统通过“安全监测数据采集服务”在线导入到原始数据库中，经过数据转换、数据校核后导入成果数据库。

1.2.2 环境量监测、专项监测及工程运行特征数据

（1） 环境量监测数据，如大坝上下游水位、气温、降水量、出入库流量等，采用外部数据库接入方式入库，或经过人工使用系统功能导入数据库。

（2） 专项监测数据，如水力学原型观测数据，采用录入或导入方式入库。

（3） 工程运行特征数据，如闸门启闭、机组运行等数据，采用外部数据库接入方式入库。

1.2.3 巡视检查数据

安全监测巡视检查成果，采取录入和导入方式入库。

（1） 结构化电子巡检数据，如安全监测巡检，通过移动设备采集信息，采取在线上传或离线接入方式导入安全监测数据库中。

（2） 巡检相关文档（电子、纸质）成果，采取从外部数据库接入或批量导入方式入库。

1.2.4 安全監测管理信息

规程规范、管理制度、技术资料与档案等采用批量导入方式入库。

1.2.5 可视化环境建设数据流程

通过外业采集，获取影像、三维地形等空间地理信息制作数字正射影像，构建三维地形地貌场景；收集水工枢纽建筑物图纸，结合现场拍照，建设工程建筑物三维模型；融合道路、水系等基础空间数据，叠加专题矢量数据，构建系统三维可视化环境。

1.2.6 外部系统数据

按照外部系统数据推送接口要求，对外部系统提供的数据接口进行封装，实现旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统推送指定数据至外部系统中。

1.3 与外部系统的关系

旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统与旭龙智慧工程管理平台、旭龙水电站安全监测自动化系统边界如图3所示。

旭龙水电站大坝安全信息综合管理系统主要与安全监测自动化系统进行数据对接，实现自动化数据采集，同时向旭龙智慧工程管理平台和国家大坝中心等外部系统进行数据共享。

（1） 系统与旭龙水电站安全监测自动化系统对接数据。旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统与安全监测自动化系统实现对接工程安全监测数据，主要包含变形、渗流、温度及应力应变监测数据和相应成果等数据。

（2） 系统与智慧工程管理平台和大坝中心共享信息。安全监测信息综合管理系统与旭龙智慧工程信息管理平台（智慧工程、智慧电厂）主要共享工程安全监测成果信息，包含监测数据、成果分析信息等。向大坝中心报送监测信息，包含大坝运行安全基础信息、监测数据以及监测年度报告等信息。

2 系统功能设计

根据旭龙水电站大坝安全监测应用需求，针对三维展示、仪器管理、巡视检查、报表报告等功能进行进一步的研发和优化设计。在此基础上，建立旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统。

系统主要是对自动和人工采集的监测数据进行计算、图表制作、初步分析、测值预报、超限报警以及监测信息三维展示，以便实时掌握枢纽工程的状态。

系统作为监测大坝及其他主要建筑物安全的工具，既要对工程日常安全性状进行监测和分析，又要快速提供大坝及其他主要建筑物在遇到洪水、水库高水位、地震等情况下的监测资料和实时的安全评价，使工程管理者能及时掌握工程的安全性态。旭龙水电站工程安全监测的测点多且分散，监测系统若以传统的人工观测方法为主，一方面需要投入大量的人力资源，另一方面仪器观测频次和观测精度也受到限制，特别是汛期、高洪水、地震等紧急情况下，很难及时提供大量的实时有效数据供分析和决策，不能满足实时监测和快速反馈的要求。因此，建立高效的安全监测信息管理系统，实现监测数据的快速汇聚、融合、分析和反馈十分必要。

系统具有工程管理、施工管理、数据采集、环境信息、监测管理、仪器管理、资料分析、监测预警、巡视检查、报表报告、三维展示和系统管理等功能，且需要与旭龙水电站安全监测自动化系统进行数据对接，从而实现自动化数据采集，同时还需将工程安全监测成果数据推送至旭龙水电站智慧工程平台和国家大坝中心等外部系统，实现安全监测数据共享。系统主要具备以下功能内容：

（1） 工程管理功能实现工程基础信息、工程部位和工程施工与运行相关文档资料管理。

（2） 施工管理功能包含采购审签、埋设审签、仪器考证信息等，实现安全监测仪器采购管理、埋设安装管理以及仪器考证信息的综合管理。

（3） 数据采集功能主要对接各监测实施标自动化采集系统，接入监测自动化数据，并对自动化数据进行预处理。

（4） 环境信息用于管理旭龙水电站工程的环境量信息，如降雨量、库水位、气温等。

（5） 监测管理模块对各类监测数据进行整理存储，并将采集到的数据进行物理量的转换，达到可用级别。

（6） 仪器管理模块主要存储管理工程的测点信息数据，对整个安全监测系统的监测点情况进行存储管理。

（7） 资料分析实现监测数据快速整编分析，批量生成过程线、分布图等，同时具备相关性分析和统计分析能力。

（8） 监测预警主要实现监测预警预报管理，具备录入预警指标，预警人员、预警事件、预警等级和报警流程处理等功能。

（9） 巡视检查可实现旭龙水电站全周期巡检过程管理，实现巡检计划制定、成果管理和统计等功能。

（10） 报表报告模块实现可自定义报表结构，并提供报表数据时段选择，快速生成给定报表结构的周报、月报、年报报表，进一步通过给定报告模板实现报告自动生成。

（11） 三维展示模块以三维GIS空间为全景展示单元，实现空间虚拟视图下测点分布与数据可视化和监测成果模拟仿真，并结合实时预警预报，构建旭龙工程区直观的安全监测空天地综合一体化场景。

（12） 系统管理主要提供用户管理、权限管理、日志管理等功能。

3 系统研发技术架构

旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统基于微服务系统架构，结合旭龙水电站安全监测实际业务需求，充分吸收IT行业先进技术，提出了一种有效的安全监测信息化管理系统服务集群化方法。采用前后端分离开发模式，实现了前端开发与后端开发同步进行。前端主要基于Vue全家桶以及相关组件进行开发，后端主要基于Spring Boot、Spring Cloud & Alibaba框架进行开发。后台系统中包含了负载均衡、熔断降级、认证授权以及限流，同时具备统一权限认证功能，可实现不同用户权限控制，异常日志的统一管理，同时采用主流的容器技术实现专业功能模块的横向扩展［9］。

本系统基于微服务的服务治理平台的底层技术框架，用户发起业务请求，该请求被Nginx转交给API网关，网关根据当前请求动态路由到指定的服务。若请求过多，负载均衡便发挥作用，减少某块业务对应具體服务的压力，达到负载均衡状态，当某个服务调用链中部分服务出现了问题，在网关层面就可以对该服务进行熔断或者降级，本系统采用Sentinel组件完成熔断降级功能。前端请求到达服务器后进行具体业务的计算和调用，服务与服务之间会进行调用，该调用过程主要通过Open-Feign组件完成。系统安全设计主要使用Spring Security实现权限认证和授权与防护外部攻击。服务与服务之间使用消息队列（RabbitMQ）完成异步通信，实现服务之间的解耦，进一步提升松耦合性。服务通信过程中，为提升数据通信效率，采用Redis技术缓存重复使用数据。

在该技术架构设计下，旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统具备强鲁棒性与稳定性、强松耦合与安全性等特点。

4 典型功能应用

（1） 旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统集成了以3DE安全监测三维设计成果为基础的工程安全监测三维可视化场景，为旭龙水电站工程安全管理提供更加直观的决策支持。

（2） 二维图纸关联监测数据和测点信息，通过在二维图纸相应设计监测点上点击关联对应系统中的测点编号，便可在该位置显示对应测点类型的设计图例，后续点击便可查询该测点数据，该功能更加直观的展现测点相关信息，可更好地反馈监测设计和管理。

（3） 监测数据管理提供了监测数据图表展示和查看统计特征值和测点基础信息等功能，同时图表可实现联动，并支持通过特定备注方式，实现在过程线图中进行特殊事件标注。

（4） 工程文档资料功能灵活采用了文件夹形式对相关文档进行管理，更加贴近用户日常办公操作习惯，从而提高资料整理归档效率。

（5） 系统功能快捷收藏。由于系统功能点较多，为提升系统用户体验，旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统开发了功能点收藏功能。某个功能收藏后，后续用户便可直接通过该快捷功能直接进入到相应功能界面。

5 结语

本文提出了旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统设计方案，设计研发功能包含工程管理、施工管理、数据采集、环境信息、监测管理、仪器管理、资料分析、监测预警、巡视检查、报表报告、三维展示和系统管理等功能，且与旭龙水电站安全监测自动化系统进行数据对接，实现自动化数据采集，同时将工程安全监测成果数据推送至旭龙水电站智慧管理平台和国家大坝中心等外部系统，实现安全监测数据共享。通过建立旭龙水电站大坝安全监测信息综合管理系统，实现监测数据的快速汇聚、融合、分析和反馈，为旭龙安全监测信息全过程管理和应用提供可靠保障，为旭龙水电站工程安全监测数字化、信息化提供了业务支撑。

参考文献：

［1］胡代清，蒋小钢.北美大坝自动化监测系统的发展［J］.水电与抽水蓄能，1994，18（2）：9-13.

［2］李仲雄.大坝安全监测自动化系统应用现状分析及发展趋势研究［J］.现代工业经济和信息化，2023，13（1）：153-155.

［3］李少林，刘光彪，纪传波，等.水利水电工程安全监测通用化信息管理平台［J］.水利水电快报，2022，43（9）：6-7.

［4］戴领，李少林，刘光彪，等.基于LV-DBSCAN算法的大坝安全监测数据异常检测［J］.人民长江，2024，55（1）：236-241.

［5］纪传波，李少林，刘光彪，等.水利工程安全监测测值过程线标准化集成与应用［J］.人民长江，2023，54（增1）：156-159.

［6］戴领，李少林，彭绍才，等.基于模板定制的水利工程安全监测报告自动生成技术［J］.水利水电快报，2023，44（5）：117-121.

［7］叶芳毅，王喜春.大坝安全监测信息化管理及应用［J］.电子测量技术，2018，41（9）：75-79.

［8］贾玉豪，万艳.基于BIM+3D GIS的大坝安全监测管理系统设计与实现［J］.陕西水利，2020（5）：149-151.

［9］HORSTMANN C S.JAVA核心技术（卷1）［M］.北京：机械工业出版社，2019.

编辑：李晗

Design and development of comprehensive management system for dam safety monitoring information of Xulong Hydropower Station

LIU Guangbiao1，2，LI Shaolin1，2，WU Shuangli3，JI Chuanbo1，2，DAI Ling1，2，SHEN Mingyi1，2

（1.Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China；

2.ChinaResearch Center on National Dam Safety Engineering Technology  Wuhan 430010，China；

3. CHN Energy Jinshajiang Xulong Hydropower Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China）

Abstract：

Traditional manual methods for safety monitoring operations cannot meet the needs of fast，efficient，and reliable grasp of engineering conditions for safety monitoring.It is necessary to design and develop a comprehensive management system for dam safety monitoring information of Xulong Hydropower Station through information technology.Based on the safety monitoring requirements of Xulong Hydropower Station，guided by the specific business of engineering safety monitoring，and taking into account the usage scenarios of various participating units，a customized homepage，engineering management，construction management，online collection，environmental information，instrument management，monitoring management，data analysis，monitoring and early warning，inspection and inspection，report reporting，3D display and other functions had been developed，and smart engineering was retained in the monitoring management system.The interface required by the smart power plant system can meet the requirements for data transmission and information push.By monitoring and managing the system，work efficiency had been improved and engineering safety risks had been reduced.

Key words：

safety monitoring； comprehensive management system for dam safety monitoring information； smart engineering； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-23

基金項目：长江勘测规划设计研究有限责任公司自主科研项目（CX2022Z16-2，CX2022Z01-3）

作者简介：刘光彪，男，工程师，博士，主要从事工程安全监测信息化及智慧水利研究工作。E-mail：547850941@qq.com