旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統設計研究

劉光彪 李少林 吳雙利 紀傳波 戴領 沈明毅

摘要：為提高安全監測作業工作效率，滿足其快速、高效、可靠地掌握工程性態的需要，需通過信息化手段設計與研發旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統。依據旭龍水電站安全監測需求，以工程安全監測具體業務為導向，綜合考慮各參建單位的使用場景，開發了監測管理系統，包含定制化首頁、工程管理、施工管理、在線采集、環境信息、儀器管理、監測管理、資料分析、監測預警、巡視檢查、報表報告、三維展示等功能，并在監測管理系統中保留符合智慧工程、智慧電廠系統要求的接口，滿足相關數據傳輸與信息推送要求。通過使用監測管理系統，提升了工作效率，降低了工程安全隱患風險。研究成果可為類似大壩安全監測系統設計提供參考。

關鍵詞：安全監測； 安全監測信息綜合管理系統； 智慧工程； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.019

文章編號：1006-0081（2024）05-0105-06

0 引言

20世紀80年代初，意大利和法國等率先開展了大壩自動化監測系統開發研究和監測數據分析研究，并于1980年開發了MIAMS大壩監測系統、MISTRAL系統、DAMSAFE大壩安全管理決策支持系統等大壩安全監測信息化管理系統，實現了大壩的實時監控和信息化管理。隨后，日本、美國和加拿大等國也相繼開發了Waleach大壩監測自動化系統、Monticello集中式數據采集系統等。國際主要應用的大壩安全監測與數據處理系統主要有：意大利ISMES的GPDAS系統，美國Geomation公司的2300系統［1］以及后續2380系統等迭代更新系統、Sinco公司的IDA系統等。

中國于20世紀80年代開始開展大壩安全監測及信息化管理的研究。1980～1983年，中國在龔咀和葛洲壩大壩上布設了監測傳感器，對大壩安全監測進行信息化管理。南京自動化所開發了具有監測數據的自動化采集、傳輸、分析處理等功能的大壩自動監測系統（DAMS）和大壩安全信息管理系統（DSIMS）。隨后，中國眾多監測儀器設備研發制造廠家、高校和科研單位等相繼開發了自動化監測系統軟件和信息化管理平臺［2］。

上述自動化監測系統多采用數據采集管理、數據統計分析、圖表可視化等二維技術手段對數據進行展示。隨著大壩安全監控理論方法研究不斷深入、人工智能理論方法在水利領域的深層應用，信息化技術、BIM技術與應用、無人機近景攝影技術等發展日新月異，大壩安全監測管理系統不應僅僅停留在圖表可視化的數據分析層面，更應借助當前先進計算機技術，賦能大壩安全監測信息化、智慧化發展。

為積極響應國家“十四五”水利發展規劃智慧水利建設等政策，對旭龍水電站工程安全監測技術及其自動化提出更高的要求。旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發方案中的第12級，是西電東送骨干電源點之一。工程開發任務以發電為主，并促進地區經濟社會發展。壩址多年平均流量為990 m3/s，多年平均徑流量為313億m3。水庫正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，設計洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，總庫容約8.47億m3。水電站裝機容量2 400 MW，多年平均年發電量約105.14億kW·h。

本文結合旭龍水電站安全監測管理運行需求，設計研發了旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統。通過搭建“一中心多服務”的層級數據匯聚融合架構，適配了安全監測數據多源服務，實現了多源異構數據的高效匯聚融合［3］；在此基礎上，提供了安全監測信息管理系統基礎數據管理功能，充分融合人工智能算法，異常數據智能識別［4］，大數據與云計算等智能化、智慧化技術手段，開展了旭龍水電站大壩安全監測成果有效性檢查、數據異常識別、現場檢查信息異常判別等研究；利用BIM+GIS技術，以3DE設計平臺為依托，構建了旭龍水電站安全監測三維可視化場景，實現了旭龍水電站工程可視化、安全監測成果可視化、預警可視化等，豐富了水電站安全監測業務表達形式，提升了業務管理直觀能力，更加清晰地表達了業務場景［5-6］。

1 系統總體架構設計

1.1 總體框架

依據旭龍水電站安全監測需求，以工程安全監測具體業務為導向，綜合考慮業主單位、監測中心、監理單位、監測實施單位等各方參建單位使用場景，配合監測自動化采集系統獨立開發旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統，用于數據整編、資料歸檔、數據分析、監測預警等功能，形成一套數據匯集、展示、管理、分析、預警為一體的應用系統。系統結合WebGIS、數據交換、大數據等技術，建立統一的數據交換標準，建成可覆蓋各工程統一、實時的安全監測數據管理分析平臺，并為如智慧工程等其他相關業務系統預留接口，實現整個工程中數據的有序交換及統一管理，提升安全監測數據的管理和利用效率，為工程建設的決策提供支持。

旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統軟件擬采用一體化架構搭建，分布式面向服務的組件模型設計思想，統一規劃設計，將各類應用功能劃分為不同服務模塊，模塊間具有數據交互、事件發布、應用調用等功能，同時可實現各類數據源共享，在此基礎之上建立信息互動、綜合聯動、智能決策的應用系統。總體框架如圖1所示，將系統共分為資源層、數據層、服務層、應用層以及展示層［7-8］。

1.2 總體數據流程設計

旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統總體數據流程設計分為安全監測數據，環境量監測、專項監測及工程運行特征數據，巡視檢查數據，安全監測管理信息，可視化環境建設數據流程以及外部系統數據。具體業務數據流程如圖2所示。

1.2.1 安全監測數據

本項目安全監測數據包含自動化采集數據和人工錄入數據。

（1） 自動化監測數據通過“數據采集功能”完成入庫。

（2） 人工觀測數據采用增量模式完成入庫，同時系統提供單表和批量導入2種方式，實現快速導入數據。

（3） 項目中安全監測數據處理過程如下：① 人工數據首先通過人為初步篩選與粗差檢驗后，通過系統平臺導入原始數據庫，經過數據轉換、數據校核，形成成果數據庫；② 自動化數據，由系統通過“安全監測數據采集服務”在線導入到原始數據庫中，經過數據轉換、數據校核后導入成果數據庫。

1.2.2 環境量監測、專項監測及工程運行特征數據

（1） 環境量監測數據，如大壩上下游水位、氣溫、降水量、出入庫流量等，采用外部數據庫接入方式入庫，或經過人工使用系統功能導入數據庫。

（2） 專項監測數據，如水力學原型觀測數據，采用錄入或導入方式入庫。

（3） 工程運行特征數據，如閘門啟閉、機組運行等數據，采用外部數據庫接入方式入庫。

1.2.3 巡視檢查數據

安全監測巡視檢查成果，采取錄入和導入方式入庫。

（1） 結構化電子巡檢數據，如安全監測巡檢，通過移動設備采集信息，采取在線上傳或離線接入方式導入安全監測數據庫中。

（2） 巡檢相關文檔（電子、紙質）成果，采取從外部數據庫接入或批量導入方式入庫。

1.2.4 安全監測管理信息

規程規范、管理制度、技術資料與檔案等采用批量導入方式入庫。

1.2.5 可視化環境建設數據流程

通過外業采集，獲取影像、三維地形等空間地理信息制作數字正射影像，構建三維地形地貌場景；收集水工樞紐建筑物圖紙，結合現場拍照，建設工程建筑物三維模型；融合道路、水系等基礎空間數據，疊加專題矢量數據，構建系統三維可視化環境。

1.2.6 外部系統數據

按照外部系統數據推送接口要求，對外部系統提供的數據接口進行封裝，實現旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統推送指定數據至外部系統中。

1.3 與外部系統的關系

旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統與旭龍智慧工程管理平臺、旭龍水電站安全監測自動化系統邊界如圖3所示。

旭龍水電站大壩安全信息綜合管理系統主要與安全監測自動化系統進行數據對接，實現自動化數據采集，同時向旭龍智慧工程管理平臺和國家大壩中心等外部系統進行數據共享。

（1） 系統與旭龍水電站安全監測自動化系統對接數據。旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統與安全監測自動化系統實現對接工程安全監測數據，主要包含變形、滲流、溫度及應力應變監測數據和相應成果等數據。

（2） 系統與智慧工程管理平臺和大壩中心共享信息。安全監測信息綜合管理系統與旭龍智慧工程信息管理平臺（智慧工程、智慧電廠）主要共享工程安全監測成果信息，包含監測數據、成果分析信息等。向大壩中心報送監測信息，包含大壩運行安全基礎信息、監測數據以及監測年度報告等信息。

2 系統功能設計

根據旭龍水電站大壩安全監測應用需求，針對三維展示、儀器管理、巡視檢查、報表報告等功能進行進一步的研發和優化設計。在此基礎上，建立旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統。

系統主要是對自動和人工采集的監測數據進行計算、圖表制作、初步分析、測值預報、超限報警以及監測信息三維展示，以便實時掌握樞紐工程的狀態。

系統作為監測大壩及其他主要建筑物安全的工具，既要對工程日常安全性狀進行監測和分析，又要快速提供大壩及其他主要建筑物在遇到洪水、水庫高水位、地震等情況下的監測資料和實時的安全評價，使工程管理者能及時掌握工程的安全性態。旭龍水電站工程安全監測的測點多且分散，監測系統若以傳統的人工觀測方法為主，一方面需要投入大量的人力資源，另一方面儀器觀測頻次和觀測精度也受到限制，特別是汛期、高洪水、地震等緊急情況下，很難及時提供大量的實時有效數據供分析和決策，不能滿足實時監測和快速反饋的要求。因此，建立高效的安全監測信息管理系統，實現監測數據的快速匯聚、融合、分析和反饋十分必要。

系統具有工程管理、施工管理、數據采集、環境信息、監測管理、儀器管理、資料分析、監測預警、巡視檢查、報表報告、三維展示和系統管理等功能，且需要與旭龍水電站安全監測自動化系統進行數據對接，從而實現自動化數據采集，同時還需將工程安全監測成果數據推送至旭龍水電站智慧工程平臺和國家大壩中心等外部系統，實現安全監測數據共享。系統主要具備以下功能內容：

（1） 工程管理功能實現工程基礎信息、工程部位和工程施工與運行相關文檔資料管理。

（2） 施工管理功能包含采購審簽、埋設審簽、儀器考證信息等，實現安全監測儀器采購管理、埋設安裝管理以及儀器考證信息的綜合管理。

（3） 數據采集功能主要對接各監測實施標自動化采集系統，接入監測自動化數據，并對自動化數據進行預處理。

（4） 環境信息用于管理旭龍水電站工程的環境量信息，如降雨量、庫水位、氣溫等。

（5） 監測管理模塊對各類監測數據進行整理存儲，并將采集到的數據進行物理量的轉換，達到可用級別。

（6） 儀器管理模塊主要存儲管理工程的測點信息數據，對整個安全監測系統的監測點情況進行存儲管理。

（7） 資料分析實現監測數據快速整編分析，批量生成過程線、分布圖等，同時具備相關性分析和統計分析能力。

（8） 監測預警主要實現監測預警預報管理，具備錄入預警指標，預警人員、預警事件、預警等級和報警流程處理等功能。

（9） 巡視檢查可實現旭龍水電站全周期巡檢過程管理，實現巡檢計劃制定、成果管理和統計等功能。

（10） 報表報告模塊實現可自定義報表結構，并提供報表數據時段選擇，快速生成給定報表結構的周報、月報、年報報表，進一步通過給定報告模板實現報告自動生成。

（11） 三維展示模塊以三維GIS空間為全景展示單元，實現空間虛擬視圖下測點分布與數據可視化和監測成果模擬仿真，并結合實時預警預報，構建旭龍工程區直觀的安全監測空天地綜合一體化場景。

（12） 系統管理主要提供用戶管理、權限管理、日志管理等功能。

3 系統研發技術架構

旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統基于微服務系統架構，結合旭龍水電站安全監測實際業務需求，充分吸收IT行業先進技術，提出了一種有效的安全監測信息化管理系統服務集群化方法。采用前后端分離開發模式，實現了前端開發與后端開發同步進行。前端主要基于Vue全家桶以及相關組件進行開發，后端主要基于Spring Boot、Spring Cloud & Alibaba框架進行開發。后臺系統中包含了負載均衡、熔斷降級、認證授權以及限流，同時具備統一權限認證功能，可實現不同用戶權限控制，異常日志的統一管理，同時采用主流的容器技術實現專業功能模塊的橫向擴展［9］。

本系統基于微服務的服務治理平臺的底層技術框架，用戶發起業務請求，該請求被Nginx轉交給API網關，網關根據當前請求動態路由到指定的服務。若請求過多，負載均衡便發揮作用，減少某塊業務對應具體服務的壓力，達到負載均衡狀態，當某個服務調用鏈中部分服務出現了問題，在網關層面就可以對該服務進行熔斷或者降級，本系統采用Sentinel組件完成熔斷降級功能。前端請求到達服務器后進行具體業務的計算和調用，服務與服務之間會進行調用，該調用過程主要通過Open-Feign組件完成。系統安全設計主要使用Spring Security實現權限認證和授權與防護外部攻擊。服務與服務之間使用消息隊列（RabbitMQ）完成異步通信，實現服務之間的解耦，進一步提升松耦合性。服務通信過程中，為提升數據通信效率，采用Redis技術緩存重復使用數據。

在該技術架構設計下，旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統具備強魯棒性與穩定性、強松耦合與安全性等特點。

4 典型功能應用

（1） 旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統集成了以3DE安全監測三維設計成果為基礎的工程安全監測三維可視化場景，為旭龍水電站工程安全管理提供更加直觀的決策支持。

（2） 二維圖紙關聯監測數據和測點信息，通過在二維圖紙相應設計監測點上點擊關聯對應系統中的測點編號，便可在該位置顯示對應測點類型的設計圖例，后續點擊便可查詢該測點數據，該功能更加直觀的展現測點相關信息，可更好地反饋監測設計和管理。

（3） 監測數據管理提供了監測數據圖表展示和查看統計特征值和測點基礎信息等功能，同時圖表可實現聯動，并支持通過特定備注方式，實現在過程線圖中進行特殊事件標注。

（4） 工程文檔資料功能靈活采用了文件夾形式對相關文檔進行管理，更加貼近用戶日常辦公操作習慣，從而提高資料整理歸檔效率。

（5） 系統功能快捷收藏。由于系統功能點較多，為提升系統用戶體驗，旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統開發了功能點收藏功能。某個功能收藏后，后續用戶便可直接通過該快捷功能直接進入到相應功能界面。

5 結語

本文提出了旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統設計方案，設計研發功能包含工程管理、施工管理、數據采集、環境信息、監測管理、儀器管理、資料分析、監測預警、巡視檢查、報表報告、三維展示和系統管理等功能，且與旭龍水電站安全監測自動化系統進行數據對接，實現自動化數據采集，同時將工程安全監測成果數據推送至旭龍水電站智慧管理平臺和國家大壩中心等外部系統，實現安全監測數據共享。通過建立旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統，實現監測數據的快速匯聚、融合、分析和反饋，為旭龍安全監測信息全過程管理和應用提供可靠保障，為旭龍水電站工程安全監測數字化、信息化提供了業務支撐。

參考文獻：

［1］胡代清，蔣小鋼.北美大壩自動化監測系統的發展［J］.水電與抽水蓄能，1994，18（2）：9-13.

［2］李仲雄.大壩安全監測自動化系統應用現狀分析及發展趨勢研究［J］.現代工業經濟和信息化，2023，13（1）：153-155.

［3］李少林，劉光彪，紀傳波，等.水利水電工程安全監測通用化信息管理平臺［J］.水利水電快報，2022，43（9）：6-7.

［4］戴領，李少林，劉光彪，等.基于LV-DBSCAN算法的大壩安全監測數據異常檢測［J］.人民長江，2024，55（1）：236-241.

［5］紀傳波，李少林，劉光彪，等.水利工程安全監測測值過程線標準化集成與應用［J］.人民長江，2023，54（增1）：156-159.

［6］戴領，李少林，彭紹才，等.基于模板定制的水利工程安全監測報告自動生成技術［J］.水利水電快報，2023，44（5）：117-121.

［7］葉芳毅，王喜春.大壩安全監測信息化管理及應用［J］.電子測量技術，2018，41（9）：75-79.

［8］賈玉豪，萬艷.基于BIM+3D GIS的大壩安全監測管理系統設計與實現［J］.陜西水利，2020（5）：149-151.

［9］HORSTMANN C S.JAVA核心技術（卷1）［M］.北京：機械工業出版社，2019.

編輯：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：長江勘測規劃設計研究有限責任公司自主科研項目（CX2022Z16-2，CX2022Z01-3）

作者簡介：劉光彪，男，工程師，博士，主要從事工程安全監測信息化及智慧水利研究工作。E-mail：547850941@qq.com