基于云架構的“智慧水庫”改建方案探討

王 菂 ，鄭 凱，賈真真

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.山東傳媒職業學院，山東 濟南 250200；3.泰安市水利勘測設計研究院，山東 泰安 271000）

大河水庫位于山東省泰安市西部郊區，為泰山抽水蓄能電站的下水庫，在黃河下游大汶河二級支流泮汶河中游，樞紐工程主要由均值土壩、溢洪閘、放水洞等主要建筑物組成，其任務以發電為主，兼顧防洪、灌溉和城市用水。水庫壩址以上控制流域面積84.53 km2，正常蓄水位165.00 m，死水位154.00 m，設計洪水位166.80 m，校核洪水位l67.20 m，按l00 年一遇洪水設計、2000 年一遇洪水校核，總庫容2 997.10 萬m3，興利庫容2 030.10 萬 m3，死庫容 204.72 萬 m3。

水庫大壩安全事關人民生命財產安全和社會穩定，極為重要。隨著“智慧+”新時代的到來，水庫安全監測及運行管理工作應該充分利用現有資源，依托新一代信息化技術，順應“智慧水利”發展趨勢，在水庫傳統安全監測設施的基礎上，逐步實現“物聯感知、信息傳輸、數據管理、平臺支撐、功能應用”的網絡化、智能化和標準化提升，構建“智慧水庫”安全監測運行管理一體化平臺。

1 水庫安全監測設施現狀

大壩現有 0+100、0+300、0+310 和 0+400 四個監測斷面，分別在0+100 斷面和0+300 斷面設壩基測壓管6 根，在0+310 斷面和0+400 斷面設壩體測壓管6 根；測壓管內置滲壓計在溢洪閘橋頭堡內設置數據采集器（MCU）1 臺，采集大壩滲壓數據，數據通過有線光纜上傳至水庫中控室，展示于中控室計算機和會商大屏幕上。目前，該系統多數斷面監測數據異常，若干滲壓計已無數據上傳，主要通過每年進行2 次人工位移觀測和36 次測壓管觀測的資料，綜合分析大壩運行情況。

經現場檢測分析認為：多數斷面監測數據異常或無數據上傳，系MCU 數據采集主板故障所致；中控室計算機也經常出現故障。現大壩安全監測資料分析軟件僅能夠實現數據采集、報表、曲線描繪等簡單的功能，缺少必要的數據分析、資料整編等功能；且大多基于C/S 開發，只能在特定的電腦上進行操作，應用很不方便。

溢洪閘和放水洞沒有設置相應的變形、滲流、應力、應變、溫度等安全監測設施。

2 需求分析

根據《土石壩安全監測技術規范》（SL 551－2012）《水閘安全監測技術規范》（SL 768-2018）等相關規范規程的要求，結合大河水庫的實際情況，水庫安全監測系統應該具有巡視檢查、變形監測、滲流監測、壓力（應力）監測、環境量監測、水利學和冰凌等項目的專項監測，具備上述監測資料的整編與分析系統。

根據山東省水利廳頒布的《全省水利工程標準化管理工作推進方案》等相關文件的要求，水庫管理單位應該建立標準化運行管理平臺，其主要功能包括基本信息管理、水庫調度運行、工程安全檢查、日常養護維修、病害隱患處理、應急事件處置、員工考核培訓、日常事務管理等運行管理事項。運行管理平臺需根據管理級別設置相應操作權限。

安全監測數據從一維、二維到三維都有；運行管理數據種類極為復雜，既有結構化數據，也有半結構化數據，還有許多非結構化數據。傳統的大壩安全監測管理信息系統無法滿足上述需求，唯有設置基于云架構的“智慧水庫”系統，才能夠將上述分散、異構的各子系統集成，應用大數據技術匯集和處理通過物聯網獲得的海量數據，通過 GIS 技術（提供宏觀地理信息）、數模分析組件（基于云計算的計算模型類決策輔助程序）以及數據挖掘等技術，找出安全監測數據中的客觀規律，以指導水庫調度運行。

3 “智慧水庫”改建方案

3.1 預期目標

“智慧水庫”改建方案的總體目標是保證水庫樞紐工程安全，充分發揮工程效益，更好地為社會和經濟建設服務。就水庫安全監測分析系統而言，項目實施后應能實現如下目標：一是物聯感知全面準確；二是預警信息實時更新；三是業務應用平臺全面展現；四是辦公系統便捷高效；五是統一標準互聯互通。

3.2 總體架構

“智慧水庫”總體架構由物聯感知、信息傳輸、數據服務、平臺支撐和業務系統5 個層面組成。

3.3 主要建設內容

1）水庫樞紐工程與泰山西湖景區三維立體可視模型。大河水庫樞紐工程與泰山西湖景區三維立體可視模型是“智慧水庫”最頂端的平臺，與水庫安全監測、綜合分析與運行管理系統渾然一體，組成了一個三維立體可視化信息集成系統，把大壩、溢洪閘和放水洞的變形、滲流和壓力（應力）等安全監測系統，降水、氣溫、水位、流速、流量、水溫、水質等環境量監測系統，視頻監控、閘閥控制、智能巡檢等系統融為一體，通過三維可視化的方式展現運行。

2）水庫安全監測系統。該系統主要由如下7個子系統組成。（1）補充、完善大壩、溢洪閘和放水洞滲流監測子系統；（2）補充、完善大壩、溢洪閘和放水洞變形監測子系統；（3）補充、完善水質在線監測子系統；（4）補充、完善溢洪閘、放水洞閘、閥自動化監控子系統；（5）新建入庫河流水位、流速、流量監測子系統；（6）新建水庫氣象監測子系統，實現對庫區、流域降水、溫度、濕度、風向風速等氣象要素的自動化監測；（7）補充、整合、完善視頻監控子系統。通過上述諸多實時監測系統，對庫水位、滲壓、變形、水文、氣象、水質、入庫洪水及泄洪流量等，實現遠程實時監測、視頻監控和多級預警等功能，為水管部門及時掌握水庫與河道的運行狀況，提供實時可靠的數據支撐。

3）信息傳輸系統。各監測點根據不同的監測項目類別和現場實際工況，組合各自的無線局域網，利用上位機網關采用物聯網公共網絡進行信息傳輸，各觀測點均具備較強的獨立性，可有效避免因雷擊、斷電等意外因素造成系統整體癱瘓事件的發生，易于維護維修。

4）數據服務系統。數據服務層在存儲物聯感知并傳輸過來的所有信息的同時，還要對數據進行過濾、清洗、加工、整合等管理與服務工作。

5）平臺支撐系統主要包括：

一是新建洪水預報子系統。通過具體研究入庫河流的洪水特點以及河床變化規律，綜合水文學、水力學、河流動力學等相結合的技術方法，建立符合當地實際情況的洪水預報經驗模型和數學預報模型。屆時，將流域實時降水過程、水情、工情等各類實時信息輸入洪水預報經驗模型和數學預報模型，對洪水過程、洪峰水位（流量）、洪量等洪水要素進行實時預報，為相關部門防洪減災調度提供決策依據。

二是新建水庫安全綜合分析子系統。通過對大壩、溢洪閘和放水洞滲流、變形等指標的實時監測數據，綜合分析計算，科學、客觀地評價其實時安全狀態和變化趨勢。

三是新建水文分析子系統。通過對入庫徑流的還原分析和雨型分析，獲得洪水徑流的特征數據，為水庫洪水調節計算、興利調節計算、下閘蓄水時間分析，提供數據支撐。

6）業務綜合辦公和移動辦公系統。該系統建設的主要目標：一是水庫調度方案和度汛方案的編制與執行；二是負責日常大壩、溢洪閘和放水洞的巡視檢查和安全監測工作；三是及時掌握、傳遞、處理水情和水庫運行等信息，與政府主管部門建立水情自動測報信息系統；四是協助相關部門做好水庫安全運行；五是組織水庫日常養護修理和除險加固工作；六是負責水庫觀測、監測、監控等設施的日常運行、管理和養護工作；七是負責相關技術資料的收集、梳理、整編、匯總、分析及歸檔等工作。該系統可以為水庫提供一套現代化的PC 終端和移動端辦公平臺。

基本信息管理、水庫調度運行、工程安全檢查、日常養護維修、病害隱患處理、應急事件處置、員工考核培訓、日常事務管理等運行管理事項，運行管理平臺需根據管理部門和級別，設置相應操作權限。

4 結 語

基于云架構的“智慧水庫”改建方案成功地實現了既有與新建安全監測系統的有機融合，整體規劃，分布實施。既可滿足水庫安全運行和標準化管理的需要，又避免了重復投資，造成不必要的浪費。安全監測數據從物聯感知、信息傳輸、數據服務到安全運行綜合分析評價，全程遠程操控、信息共享，解決了監測設施難以集中、數據分析不深入、安全預警不及時等難題。基于云架構的“智慧水庫”系統，能夠將既有與新建的安全監測運行系統有機地融合為一體，有一定的推廣應用價值。