基于云平臺的湖北省小型水庫水雨情自動測報系統設計與實踐

代春蘭，湯文華 ，湯 宏

(1.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070；2.黃岡市水利規劃設計院，湖北 黃岡 438000)

0 引 言

湖北省共有小型水庫六千余座，其中小(1)型約占1/4，小(2)型約占3/4，絕大部分水庫修建于20世紀五六十年代，受當時歷史條件的限制，工程建設標準低，施工質量差，配套設施簡陋不全，經過幾十年的運行，工程老化、失修失管現象嚴重，安全隱患十分突出，嚴重地威脅著下游人民生命財產的安全[2]。

近幾年，通過小型水庫除險加固工程的建設，部分小型水庫的工程安全得到改觀，但由于小型水庫庫容有限，部分地區局地暴雨，小型水庫安全度汛存在極大問題。再加上管理人員不足、監管手段落后，如準備不充分、措施不到位、搶險不及時，很可能會造成垮壩失事的重大事故，后果將不堪設想。這關系到水庫下游人民群眾生命財產安全，關系到當地經濟社會穩定和發展，是一個重要的民生問題。

根據小型水庫的工程特點和管理現狀，吸取數十年來的經驗教訓，設計實現了一套先進、可靠高及低成本的解決方案，實現小型水庫的水雨情采集規范化、自動化，為決策和災害評估等提供準確、及時和充分的依據，最大限度避免或較少發生小型水庫失事。

1 設計思路

雨量、水位是防汛抗旱的重要數據依據，小型水庫大多呈現庫容小、數量多、分布廣、管理落后等特點；因此，針對小型水庫的水雨情測報系統應具有低成本、高可靠、易維護、使用簡單等特性。

從分析小型水庫實時監測方面存在的問題入手，解決以下關鍵技術問題：①采用聲波式水位、雨量監測技術，解決低成本、高精度的水雨情監測問題。②采用隔絕式防雷等技術，保證系統設備在惡劣自然條件下的安全運行。③研究應用基于云平臺的海量并發數據并行接收處理和同步技術，提高了系統并發處理能力，保障了系統的可靠性和可用性。④利用云平臺的資源管理及動態伸縮、小型水庫洪水預報、動態監管及預警和3D GIS及潰壩仿真等關鍵技術，保證監管和預警的高效、實時和可靠。

2 總體框架結構

系統架構分為采集層、數據層、支承層、應用層和用戶層，如圖1所示。

采集層：實時準確地采集小型水庫的庫水位、降雨量、實時現場圖像等信息，遙測終端機存儲、加密后實時或定時發送到管理部門的服務器。遙測終端機必須同時兼容多種信道傳輸，包括GPRS網絡及衛星傳輸。

圖1 小型水庫水雨情自動測報系統結構

數據層：數據接收、入庫服務負責實時接收遙測終端機發送來的數據。必須能夠快速、穩定、準確地處理、解析實時水雨情、圖像、視頻等數據，且在3 000數量級以上終端并發傳輸時依然能夠保證期性能不出現明顯下降。小型水庫動態監管數據庫是整個系統的核心，除了圖像之外的所有數據包括小型水庫基礎數據、實時水雨情數據、歷史水雨情數據、地理信息數據、用戶安全管理數據等均存儲在云數據庫中。

支撐層：主要包括應用系統運行所必須的支撐服務。主要有Web應用服務器、GIS服務、數據訪問服務等等。

應用層：包括小型水庫動態監管系統的Web應用系統以及Web服務。其中Web應用系統也就是業務管理系統，在此系統中可以監測、查詢、分析、統計小型水庫的運行狀況等信息。Web服務主要是對外提供數據接口，供其他應用系統調用，以無縫接入到其他系統中去。保證系統的擴展性和可移植性。

角色層：角色有三類，一是管理人員，主要包括水務局、防汛辦的業務管理人員和領導，具有管理權限；二是公眾，他們可以查看一些公開的小型水庫信息；三是其他應用系統，可以通過Web服務調用、抽取小型水庫動態監管系統的實時水雨情數據。

3 關鍵技術

3.1 聲波水位計

小型水庫數量龐大，工程條件參差不齊，水位監測設計目標為死水位，因此，要求采用的水位計具有廣泛的安裝適應性，監測數據穩定可靠。本設計選用可聞聲波作為測量信號的聲波水位計。該水位計采用多點反饋差分技術進行多重綜合信號差分處理，消除了環境因素對測量精度的影響，有效避免了因大氣壓力、環境溫度等變化對監測數據產生的漂移現象。

3.2 聲波雨量計

本設計采用聲波式雨量計，設計降雨強度提高到16 mm/min，較其他雨量計所能監測的雨強強度提升一倍，進一步提高對強降雨的適應能力和監測水平。

3.3 隔絕式防雷技術

小型水庫數量多而分散，大多處于雷區，結合水雨情遙測系統的雷擊破壞特點及破壞概率，采用一體化設計。以法拉第籠原理和等位體原理為理論基礎，設備高度集成，并將電子設備和直擊雷防護系統之間進行絕緣隔離，避免直擊雷對設備的損壞。

3.4 基于云平臺的海量并發數據并行接收處理技術

本系統實時監測終端采集的信息包括：水位、雨量、溫度格式化信息和圖片、視頻圖片等非格式化數據。一般情況下設定為每隔15 min，各監測站點同時向云中心發送實時監測數據，各站點還可根據情況對監測密度進行定制，尤其是汛期，可對某些危險度較高的水利工程設定監測間隔時間加密至5 min等，另外還可人工進行召測。隨著水利工程實時監測應用的推廣，終端數量不斷增加，傳輸處理的數據信息具有規模大、傳輸頻繁、突發、并發等特點。為了確保系統安全、可靠、高效，在以下環節提高并發處理的性能：

(1)在傳輸協議上，采用單包校驗、包排序等數據一致性校驗技術，保障數據傳輸的可靠性。

(2)在接收環節上，采用多變量自適應線程池技術[3]、高可靠性分布式接收處理技術以及云服務部署，將基礎設施資源(計算、存儲、網絡帶寬等)進行虛擬化和池化管理，實現資源的動態分配、回收和再分配，提高資源利用率，提高并發處理的時效和可靠性。

(3)在I/O讀寫環節上，為解決大量非結構化文件存儲和訪問的問題，針對水利工程實時監測系統中圖像文件多且小的特點，我們研究了基于云平臺的分布式文件系統，它將大量小文件拼接然后再分割存儲，大大提高了非結構化數據的存儲訪問效率。

基于云平臺的分布式文件系統針對小文件和大文件實現了統一的分布式存儲，不過其底層實現是有所不同的。

對于大文件，通過將大文件切割成塊，然后將各個塊分別存儲到集群的各個節點上，并將文件的信息和文件切割成塊的信息(包括塊的位置等)等記錄起來，保存在元數據文件中，當要讀取時可以通過元數據文件中的索引信息讀取指定文件[4]。

而對于小文件，其實現要復雜些。首先將海量小文件組織成二進制流形式拼接成大文件，并為其建立索引表，然后分割存儲在不同的物理服務器，提高文件存儲效率。每一個數據塊都有多份備份，讀取數據時可同時從不同的服務器上讀取數據，提高I/O效率。

本系統使用的云環境：CPU總核數為16核，64 GB內存，WINDOWS系統盤100 GB，數據盤4TB，帶寬50 Mbps。

3.5 小型水庫動態監管預測預警技術

本設計基于3D GIS以及各種軟件技術，研發了水利工程動態監管及預警系統，實現了動態危險度排序、分級短信預警、降雨量特征分析、洪水預報、潰壩仿真[5]等功能，并實現了兼容iOS系統和Android系統的移動終端動態監管系統，為水利工程管理部門提供了準確、及時、動態的預警分析和決策支持服務。其中采用的主要技術有：

(1)云平臺的資源動態伸縮及管理技術：針對小型水庫動態監管系統進行云平臺部署，通過負載均衡與虛擬機遷移技術，實現資源動態伸縮、動態負載，提高資源利用率和系統可靠性。

(2)小型水庫洪水預報技術：針對小型水庫的防洪特點[6]，利用聲波雨量計和聲波水位計測量的實時水雨情數據，基于DEM自動提取水庫流域信息，建立了多種水庫洪水預報模型，根據水庫所在地區的產匯流特點自動選擇相應的洪水預報模型，模型參數根據洪水資料自動優化率定，再配合實時校正模型進行水庫洪水實時預報。

(3)動態監管及預警技術：根據工程實時水雨情，計算其危險度，按照危險度自高至低的順序將工程進行排序顯示，對于超汛限工程，以紅色柱狀標示其危險程度，并根據實時信息的變化動態計算更新。

(4)3D GIS及潰壩仿真技術：采用面向對象編程技術(OOP)、插件式平臺體系結構、服務器端金字塔三維數據引擎和客戶端高速緩存技術，研發了網絡環境下對全球海量空間數據無縫組織、管理、可視化與仿真的3D GIS平臺。在此平臺之上集成了二維潰壩洪水演進模型[5,7]，實現了潰壩洪水演進模擬及三維場景展示。

4 系統應用與實踐

通過集成上述關鍵技術，開發并建設了湖北省小型水庫水雨情自動測報系統(如圖2～圖4所示)。該系統是一套由信息采集傳輸系統、多線程接收系統以及小型水庫動態監管及預警系統構成的低成本小型水庫動態監管整體解決方案。系統的主要功能是智能化地采集水庫的水情、雨情和實時現場圖像(視頻)等信息，經加密后通過無線數據通信(GPRS)[8]網絡傳輸到服務器，由多線程接收處理軟件進行接收、解密、校驗后，存入數據庫，最后由基于GIS的水庫動態監管及預警系統對信息進行管理并提供預警、信息查詢、統計分析等服務。

圖2 小型水庫水雨情自動測報系統的構成

通過云平臺，可以獲取所有監測站點水雨情實時信息、水庫現場圖片、預警信息(超汛限告警、超大雨量預警、死水位告警等)。

截至2016年6月，湖北省已在2 484座小型水庫建有聲波式水位雨量遙測站，遍布全省襄陽、宜昌、隨州、孝感、黃石、十堰、天門和恩施等市。

5 結 語

經過2 484座小型水庫的安裝運行，小型水庫水雨情自動測報系統的應用效果得到了廣泛認可。系統整體可用性達到了99%以上，彈性可擴展的云存儲和信息管理能力達到了1.8 TB。實踐證明湖北省小型水庫自動測報系統性能穩定可靠，維護簡單方便、軟件界面直觀形象，可向各級管理部門及時提供水庫水位、雨量、現場圖片等綜合信息，為防汛抗旱、水資源管理及水利工程管理等提供有效技術支持，聲波式水位雨量自動測報系統在小型水庫中具有廣泛的推廣應用價值。

圖3 湖北省小型水庫水雨情自動測報系統實時信息界面

圖4 湖北省小型水庫水雨情自動測報系統監測站點分布及告警界面

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[1] 代春蘭，孫文平，湯文華. 一體化聲波式水位雨量遙測站在小型水庫中的應用[J]. 水電與新能源，2016,(8):51-53.

[2] 徐衛國, 龍振華, 丁雨恒，等. 湖北省小型水庫安全管理現狀、問題與對策研究[J]. 農村經濟與科技, 2011,22(5):31-33.

[3] 楊開杰，劉秋菊，徐汀榮. 線程池的多線程并發控制技術研究[J]. 計算機應用與軟件，2010,(1):168-170.

[4] 謝華成, 張昆明, 范黎林. 基于文件分割的二進制大對象存取算法[J].計算機應用，2011,(10):2 612-2 616.

[5] 胡曉張，張小峰. 潰壩洪水的數學模型應用[J].武漢大學學報(工學版)，2011,(4):178-180.

[6] 黃澤鈞, 王福喜, 孟 才,等. 湖北省小型水庫設計洪水與防洪復核方法探討[J]. 中國農村水利水電, 2012,(9):161-164.

[7] 何傳凱, 馬旭東, 黃 爾. 山區河流堤防工程對洪水演進影響研究[J]. 中國農村水利水電, 2014,(4):62-64.

[8] 李 靖, 梁嵐珍, 李 濤, 等. GPRS無線水文水生態監測系統研究[J]. 中國農村水利水電, 2009,(8):69-71.