黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統的設計與開發

常 興, 劉 剛, 劉 亞

(1.天水市水利工程建設質量服務中心, 甘肅 天水 741000; 2.西北農林科技大學,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的地區之一，也是黃河泥沙的主要來源地[1-2]。為控制該區的水土流失，諸多學者開展了大規模的實地考察和科學研究工作，取得了舉世矚目的成就。長期實踐證明，淤地壩是黃土高原地區控制溝道侵蝕最有效的工程措施之一，它不僅可以攔截入黃泥沙、保持水土，還能淤地造田、增產糧食，在生態文明建設和農民增產增收等方面發揮著重要的作用[3-6]。然而，一方面受資金和技術的限制，早期建設的淤地壩配套設施不完善，許多建成淤地壩未達到工程設計標準[7-8]；另一方面隨著近年來全球氣候變暖和日益頻繁的人類活動影響，黃河流域區域極端降雨發生頻繁導致潰壩幾率加大[9-10]。這些存在安全隱患的淤地壩一旦失事，將嚴重危害下游群眾的生命財產安全。因此，加強淤地壩監管顯得尤為重要。

黃土高原淤地壩數量多、分布廣，截至2019年11月統計，黃土高原地區現有淤地壩58 776座，涉及7省(區)200余縣，且多集中建設在社會經濟比較落后的地區，僅依靠單純的人力對這些淤地壩進行監管效率低下[11]。其次，由于信息不暢通，問題反饋不及時，處置方案不科學，安全隱患最終變成安全事故，不利于淤地壩效益長久發揮。此外由于部分管護人員缺乏淤地壩管護知識，致使管護工作流于形式，對工程安全運行帶來不利影響。王敏[12]指出強化水土保持監管需要創新監管手段，要采取有效的措施不斷提高水土保持監管的信息化水平。通過大數據、互聯網等現代化技術對淤地壩進行智慧監管可以大幅提升監管效率，提升淤地壩安全運用管理水平。李想[13]基于物聯網技術及GPRS數據終端研發了一種淤地壩安全管理系統，實現了對淤地壩汛情的及時了解及遠距離監控。王彥武等[14]利用低空無人機遙感技術自動、高效獲取壩控區域影像數據，為淤地壩的安全管理和汛期預警提供支持。內蒙古自治區鄂爾多斯市于2015年開始建設淤地壩監控預警系統，該系統主要包括野外監控攝像頭和雷達水位計及信息管理平臺，可以自動上傳淤地壩實時圖像，既可實現對淤地壩的實時監測也便于后臺人員高效管理[15]。但以上這些系統的建設需要耗費大量的人力及物力，難以進行推廣應用。隨著移動互聯網和IT業的高速發展，移動辦公已經成為繼電腦無紙化辦公、互聯網遠程化辦公之后的新一代辦公模式，可以擺脫空間和時間的束縛，高效迅捷地開展工作[16-17]。此外，智能手機的普及也使得推行基于移動應用的信息化管理成為可能。因此，為了給淤地壩各級監管單位和工作人員提供便捷、智能、直觀的業務支撐工具，引入移動通信、人工智能、大數據分析等技術，以移動終端為載體，開發黃土高原淤地壩安全巡查智慧移動終端應用，實現淤地壩“3個責任人”實時反饋巡查情況，便于各級監管人員隨時掌握轄區范圍淤地壩防汛安全情況，便捷、高效地開展淤地壩專項管理、隱患問題處置與相關信息統計。

1 理論與方法

1.1 功能需求與設計目標

1.1.1 管理人員多層級、跨區域、多角色 淤地壩管理人員涉及水利部及黃河水利委員會、黃河上中游管理局等部委管理部門，各相關省、市、縣水行政主管部門，工程所在鄉鎮、村莊的淤地壩工程管理責任主體，管理人員從上至下落實淤地壩監管責任。黃土高原淤地壩工程涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南等7個省(區)，幾乎遍布整個黃土高原水土流失嚴重地區，分布范圍廣泛。管理人員根據責任不同，區分了多種角色，“3個責任人”制度是淤地壩的基層監管人員，擔負著淤地壩防汛安全的第一道責任，是淤地壩監管體系中的重要角色。縣級水行政主管部門是絕大部分淤地壩工程的建設單位，也是工程信息管理部門，掌握著全縣轄區內淤地壩工程的全部信息，負責協調各方力量共同落實轄區內的淤地壩安全運用責任。而上級管理人員主要是負責督促落實淤地壩管護責任，掌握全流域淤地壩工程運行情況。因此，系統應覆蓋各級、各地、各部門淤地壩管理人員，依據管理角色和管理級別分配相應任務。

1.1.2 問題反饋需要及時、準確、智能 淤地壩安全運用巡查的主要職責是發現安全隱患、消除隱患，確保工程安全運行。“巡查責任人”是淤地壩監管的最前沿哨兵，是發現問題、反饋問題的關鍵人，是“技術責任人”提出問題解決方案的前提。當前淤地壩水毀往往是因為隱患發現不及時，積小成大造成。因此需要“巡查責任人”反饋問題及時，對問題描述準確并加以現場圖片輔證，反饋問題的方式還要簡單易操作，達到智能化或半智能化，降低巡查責任人操作難度。“技術責任人”是處理隱患的關鍵和核心，需要準確認定發生的隱患，科學制定處置方案，及時反饋到管理系統，有利于各級監管部門做出決策。

1.1.3 數據信息規范、多樣、全面 為便于統計分析，所填報的數據信息要有統一規則和統一格式，問題描述要規范。為了提高問題識別度，每一個隱患描述要附圖片印證，通過大量圖片庫，借助機器深度學習，實現圖像自動判別工程隱患。淤地壩一般由兩大件或三大件組成，結構相對比較簡單，安全隱患風險點相對固定，巡查部位明確，為方便巡查責任人對照檢查，應把全部風險點列舉出來。

1.1.4 系統架構穩定、開放、安全 系統架構要穩定，應保證多用戶同時訪問不卡頓，數據查看流暢；系統功能還要具備升級空間，功能模塊可以拓展淤地壩信息化管理、智能化監測、防汛預警等功能模塊；系統平臺需要保證數據存儲安全，除硬件安全外，還要保證不因為意外操作而丟失數據，對用戶權限進行嚴格按需分配。

1.2 設計思路與總體框架

1.2.1 設計思路 系統的設計應滿足多用戶、多角色管理及跨平臺使用，還要建立3個基礎數據庫，包括淤地壩工程概況數據庫、淤地壩工程監管機構及監管人員數據庫、淤地壩常見安全隱患數據庫，以實現定點打卡、巡查反饋、數據統計分析3個功能。系統要依據淤地壩安全應用、“3個責任人”相關制度和規范標準設置巡查規則，滿足通訊安全、信息安全、系統安全、數據規范統一，保證整體安全及后期的升級迭代。

1.2.2 總體框架 根據功能需求及設計思路，黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統由一個系統搭建、3個數據庫平臺建設，3個功能模塊擴展及5個依據標準參考4個部分組成。這4部分互相關聯，共同構成了黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統的主體框架，系統框架如圖1所示。

圖1 黃土高原淤地壩安全運用巡查管理系統總體框架

1.3 關鍵技術與實現方法

1.3.1 移動終端+PC端多平臺設計 隨著移動互聯網的快速發展，智能手機普及率越來越高，已經成為工作生活常用工具。

近年來微信小程序的頻繁使用，為移動終端功能開發與推廣奠定了基礎。該系統于2021年12月開發完成，硬件服務器支持php，mysql，web服務(支持IE8-IE10版本、谷歌、火狐等瀏覽器)。系統包括一款界面簡潔、功能明確、實用易用的微信小程序，輔助淤地壩工程安全運用巡查管理，實現巡查打卡、問題反饋、拍照上傳、信息查詢等主要功能。配合PC端數據管理，完成淤地壩工程信息數據庫、各級淤地壩監管體系人員數據庫及淤地壩常見安全隱患數據庫，可以實現工程信息錄入、查詢、導出，管理人員賬戶創建、修改、刪除等功能。微信小程序界面及PC端操作界面如圖2—3所示。

圖2 淤地壩巡查管理系統微信小程序操作界面

圖3 淤地壩巡查管理系統PC端操作界面

1.3.2 建立基礎數據庫 ①建立淤地壩工程數據庫：主要包括工程名稱、地理位置、所屬河流、經緯度、工程規模指標及運行狀況評價等主要指標，滿足淤地壩安全運用巡查數據統計分析。②建立各級管理人員數據庫：涵蓋全部和淤地壩管理相關的人員姓名、性別、職務(職稱)、單位、聯系電話、角色分類。可以隨時查詢各級責任人，方便即時聯系。③建立淤地壩常見安全隱患數據庫：把淤地壩3個重要樞紐組成常見安全隱患情況列舉出來，并形成問題描述清單。一方面提示巡查責任人照單查看，另一方面統一問題描述，方便匯總分析問題類型。

1.3.3 智能精準匹配信息 利用手機終端自帶定位功能，智能匹配工程坐標，實現巡查責任人定位打卡，督促巡查責任人定期完成巡查任務。各級監管人員檢查工程時，通過移動終端定位當前位置，準確查詢工程名稱和相關信息。對于個別無手機信號覆蓋的工程，可以在后臺設置離線打卡，或擴大打卡半徑。

1.3.4 統一數據格式與規則 為實現大數據統計與云計算，提高淤地壩風險評估水平，對系統收錄的工程信息和反饋的隱患問題，統一數據格式與填報規則。使數據信息既符合工程運行管理要求，又符合信息化管理交互規則，提高數據分析成果精準度和大數據挖掘潛力。

1.3.5 借助穩定云存儲平臺 由于本系統涉及的部門多、用戶多、數據多、用戶范圍廣、地點分散，設計采用云端部署模式，降低運維管理難度，并為對接云計算、大數據分析打下基礎。為了確保平臺安全穩定運行，賬戶采用分配制，由管理員創建，訪問權限嚴格控制，只對轄區內工程數據可見，各用戶數據在云端有存儲，全面進行數據備份，確保數據資料安全。

2 系統功能

2.1 淤地壩工程信息錄入(PC端)

淤地壩工程信息在本系統中需要錄入基本概況，主要包括以下指標：工程名稱、工程編號(自動編號)、地理位置、所屬河流、經緯度、工程規模指標及運行狀況等。該部分信息由縣級管理員根據淤地壩防汛要求填寫，或用標準格式整理數據批量導入(表1)。

表1 淤地壩工程信息錄入操作示范

2.2 用戶賬號獲取與人員信息錄入(PC端)

(1) 賬號創建。分為各級管理賬號、監管人員賬號、行政責任人、巡查責任人、技術責任人共五大類。賬號采用分配制創建，上級管理員創建相鄰下級管理員賬號，不能越級創建；各級管理員創建同級監管人員賬號；縣級管理員創建3個責任人賬號。賬號默認為用戶手機號，密碼默認為身份證號末6位，密碼可以修改。

(2) 角色權限分類。角色分類包括1至4級管理員，對應流域機構、省(區)級、市級、縣級四級管理員和同級水行政主管部門淤地壩監管人員及淤地壩工程“3個責任人”，即行政責任人、巡查責任人、技術責任人，系統賬戶共有11個角色權限分類。各級管理員為相應層級的最高權限，可以登錄PC端進行數據操作。其余人員只能使用移動終端完成巡查反饋信息，查詢淤地壩工程基本信息、安全狀況、巡查次數、隱患問題及處置結果等信息。

(3) 賬號層級。根據管理權限按行政層級劃分賬號層級，管理員層級分為流域機構、省區級、市級、縣級共4個層級，其中流域機構監管人員包含水利部、黃河水利委員會、黃河上中游管理局等主要淤地壩管理機構的相關工作人員，縣級監管人員包括縣、鄉鎮、村三級淤地壩管理人員和3個責任人。

(4) 人員信息采集。各級人員信息包括：姓名、性別、職務、單位、聯系電話、角色分類。其中職務為所在單位職務，技術負責人需要填職稱。

2.3 巡查責任人信息填報(移動端)

根據淤地壩巡查要求，巡查責任人在汛期每周至少巡查一次工程，巡查重點部位包括壩體、放水工程、泄洪建筑物、周邊環境及附屬設施情況，填報內容針對每一個巡查對象常見隱患對照填寫，問題描述從標準內容單選，同一部位超過一個隱患問題分次反饋，每個問題要配相應照片說明(詳情見表2)。

2.4 技術責任人信息填報(移動端)

(1) 技術責任人可以從巡查記錄列表中打開對應的“待處置”工程，也可以從工程地圖展示界面中，點擊閃動的浮標打開對應的工程(若巡查責任人對某工程有問題反饋，相應的工程浮標在地圖展示界面會閃動提醒)，添加處置方案。

(2) 根據巡查責任人反饋的問題描述和照片，提出針對性的處理意見。若無法看清，可到現場進行詳查，并做出處置方案，重大問題請相關機構進行技術論證后確定處置方案。

(3) 市、縣兩級管理員有權審核技術負責人提交的處置方案，并決定是否要退回、審核通過。

(4) 處置方案被退回來后，需要按審核意見重新填報處置方案。

2.5 行政責任人處理(移動端)

(1) 進入途徑同技術責任人，在技術責任人提出處置方案后，可以按技術方案組織實施。對于小問題，可以直接組織村民實施，把處置結果上報。

(2) 對于暫時處理不了的問題，可以填寫具體困難和需求。

(3) 對于巡查責任人反饋的隱患，必須按規定，限期組織處置，并反饋結果。

表2 巡查責任人巡查部位及隱患描述

2.6 工程信息查詢功能(PC端+移動端)

工程信息查詢與篩選功能分為列表查詢與地圖查詢，既滿足單個工程技術指標查詢，也可以進行分類統計，可極大地提高淤地壩工程管理效率。

(1) 列表查詢可以按行政區域、工程規模、樞紐組成、運行狀況等分類指標進行篩選與統計分析，隨著淤地壩工程信息數據庫逐步完善，各工程所在的河流水系、工程水沙調蓄能力、攔泥淤地效益等信息都可以方便地統計出來，滿足科研分析需求，為下一步工程規劃布局及除險加固等政府決策提供數據支撐。

(2) 地圖查詢可以按圖標顏色、形狀查看工程規模，還能以指定地點為中心設置半徑，查詢相應范圍內的工程分布情況，結合氣象部門雨情預報，提供可視化的防汛預警分布圖。

(3) 每一個工程有一個信息詳表，點擊列表或浮標，都可進入詳情頁面。

(4) 篩選后的工程信息，可以在PC端批量導出為Excel格式文件。

2.7 巡查工作監管

(1) 巡查責任人巡查記錄。歷次巡查時間與反饋的問題向上級管理部門用戶公開。

(2) 技術責任人處理方案。對巡查出來的問題要有明確的、科學的、經濟的處置方案，并對處置方案的技術可行性負責。

(3) 行政責任人處置結果。對巡查問題要有處置結果，一是組織村民消除問題與隱患，二是對重大安全問題通過報告形式，向當地水行政主管部門或淤地壩監管部門提出除險加固申請。

(4) 所有工作流程的時限設置。根據淤地壩安全運用相關規定執行，系統可以幫助各級有權限的管理人監督 “三個責任人”按要求完成工作。

3 系統應用評估

本系統開發完成后，選擇甘肅省天水市武山縣防汛重點淤地壩工程進行試運行，錄入7個淤地壩監管機構、5級系統管理員、15個系統用戶及13座重點淤地壩工程，其中大(2)型淤地壩6座，中型淤地壩7座。試運行期間，系統運行流暢，信息反饋及時，上傳圖片能夠滿足安全隱患識別與判斷。各級監管機構和工作人員，可以對3個責任人工作狀態實時查看，對轄區內所有工程運行狀況進行查詢，按行政區、規模、運行狀況等條件進行篩選導出，全面實現了預期目標。該系統全面推廣后可極大提高黃土高原淤地壩工程安全運用管理能力。

3.1 監管人員全覆蓋，巡查信息全公開，壓實淤地壩工程防汛責任

本系統涵蓋了黃土高原淤地壩工程有關的所有管理機構和工作人員，縱向從部委到省(自治區)市縣鄉(村)5個層級，橫向包括全部工程所在7省區。系統為每級淤地壩監管人員分配一個賬戶，每個用戶能夠看到轄區內的工程信息和人員工作動態，可以隨時查詢轄區內防汛責任落實情況，及時做出安排部署，調整工作方案，布置防汛工作任務。安全隱患反饋時間可以實現即時反饋，全系統人員各級監管人員均可看到，大大提高工作效率和監管效果。

3.2 限時定位打卡，簡化數據填報，協助3個責任人履職盡責

本系統開啟巡查人員定點打卡功能，根據淤地壩3個責任人巡查管理相關要求，可以動態設置巡查頻次，提醒巡查責任人完成巡查任務，技術責任人制定除險方案，行政責任人及時處置，全程接受各級監管人員監督和指導，保證工作科學高效，切實做到對淤地壩安全隱患“及時發現，及時反饋，及時處置”。系統運行后，可以提高淤地壩工程隱患及時清除速度，避免小隱患拖成大問題，每年可以節省或減少除險加固投資超千萬元。

3.3 規范信息統計，借助大數據云計算，推進淤地壩管理智慧化

本系統可規范巡查要求，實現巡查常態化。統一問題反饋方式，自動記錄工作時間、存儲文字、照片等資料，實現巡查時間記錄、事件上報等功能，支撐淤地壩巡查工作日常管理。借助大數據云計算，實現問題分類統計，數據系統分析，提出淤地壩管理對策，為淤地壩管理智慧化奠定基礎。

4 結 論

本文提出了基于信息化技術和微信小程序平臺的“淤地壩工程安全運用巡查管理系統”的設計與開發，從總體架構、功能需求、界面設計及操作方法等方面詳細介紹了該系統的總體解決方案與應用效果評價。該系統的應用，可以確切落實淤地壩“3個責任人”管護責任，大幅縮短巡查責任人安全問題上報和主管部門處置反應時間，提升淤地壩工程安全管理信息化水平，對于解決當前淤地壩管理存在的問題具有重大的現實意義。同時，該系統還可嵌入智慧水利體系，完善水利工程監管的信息化水平，為淤地壩工程實現“四預”奠定基礎，提供重要的借鑒和應用價值。

通過本系統推廣應用，可以快速準確統計淤地壩安全隱患，形成黃土高原淤地壩運行管理大數據平臺，結合新一代人工智能技術和持續累積的學習樣本數據，進一步優化擴充隱患圖片庫，進行淤地壩相關大數據的深度挖掘，提升圖像智能判別安全隱患的準確性，全面實現黃土高原淤地壩安全巡查管理智能化、便捷化、高效化，促進黃河流域生態保護和高質量發展。