中小型水庫信息化管理新模式探析

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摘要:針對中國中小型水庫信息化管理普遍存在的信息感知不透徹、數(shù)據(jù)處理不及時、應(yīng)用服務(wù)不全面等現(xiàn)實問題，結(jié)合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業(yè)務(wù)需求，提出了基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理新模式。從感知終端、邊緣網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫及云平臺、應(yīng)用服務(wù)5個方面進(jìn)行了詳細(xì)研究和設(shè)計，并以湖北省陸水水庫為試點構(gòu)建了水庫大壩信息化管理系統(tǒng)。結(jié)果表明:該系統(tǒng)應(yīng)用情況良好，可適用于中小型水庫信息化管理，有助于提高中小型水庫安全監(jiān)管能力。

關(guān)鍵詞:中小型水庫;信息化管理;邊緣計算;云平臺;陸水水庫

0引言

目前，中國有各類水庫大壩9．8萬余座，其中中小型水庫占比99．3%［1］，且大多建于20世紀(jì)50～70年代。由于受當(dāng)時歷史政治環(huán)境影響及經(jīng)濟技術(shù)條件限制，這些水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，經(jīng)過多年運行，大多存在著不同程度的病險問題，一旦失事將造成不可估量的社會及經(jīng)濟損失，因此加強中小型水庫監(jiān)管刻不容緩。在“補短板、強監(jiān)管”的水利大背景下，中小型水庫單一性的被動管理理念仍然普遍存在，同時中小型水庫由于規(guī)模小、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，并且以人工管理為主，方式落后、效率低下，不利于中小型水庫日常運行管理維護(hù)，亦不利于行政主管部門的監(jiān)督管理。加強中小型水庫大壩信息化管理建設(shè)，可以實現(xiàn)立體化監(jiān)測、精準(zhǔn)化管理、規(guī)范化監(jiān)督以及智能化決策，對于其安全穩(wěn)定運行意義重大?；诖?，本文結(jié)合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業(yè)務(wù)需求，提出了基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理新模式，并以陸水水庫為試點構(gòu)建了水庫大壩信息化管理系統(tǒng)。

1中小型水庫信息化管理現(xiàn)狀

1．1信息化管理實踐

2003年《全國水利信息化規(guī)劃》把水利工程管理作為水利信息化建設(shè)的重要組成部分;2011年中央一號文件及水利信息化發(fā)展“十一五”“十二五”和“十三五”規(guī)劃均提出推進(jìn)水利信息化建設(shè)，提高水利工程管理信息化水平;2019年全國水利工作會議提出“工程補短板、行業(yè)強監(jiān)管”，明確指出水利工程信息化短板，并強調(diào)以點多面廣的中小型水庫為重點，加大對工程安全規(guī)范運行的監(jiān)管;2020年全國水利工作會議再次提出聚焦水利信息化短板，加強中小型水庫運行監(jiān)管，并啟動水利部綜合監(jiān)管平臺建設(shè)。在中央政策的引導(dǎo)和促進(jìn)下，各流域管理機構(gòu)及地方各級人民政府水行政主管部門紛紛響應(yīng)，制定相應(yīng)方針政策。如長江水利委員會開展了以“數(shù)字長江”“智慧長江”為總體發(fā)展目標(biāo)的信息化頂層設(shè)計［2］;廣東省發(fā)布水利信息化“四統(tǒng)一”綱要，提出加強水利信息采集，建成大、中、小1型水庫水雨工情采集網(wǎng)［3］。當(dāng)前中小型水庫管理信息化系統(tǒng)建設(shè)主要從兩方面開展:①單一水庫大壩安全監(jiān)測自動化與信息管理系統(tǒng);②水庫群大壩安全運行監(jiān)督管理系統(tǒng)［4］。單一水庫管理系統(tǒng)布置于少部分中小型水庫，主要包括安全監(jiān)測信息管理、水雨情信息管理、綜合信息管理、安全分析與預(yù)警等子系統(tǒng)建設(shè);水庫群管理系統(tǒng)在水庫現(xiàn)地布置相關(guān)信息化設(shè)施，并在省市級水行政主管部門建有云平臺及數(shù)據(jù)庫，如廣東省組織各地開展小型水庫動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)［3］，湖北省全面推進(jìn)省內(nèi)小型水庫水雨情自動測報系統(tǒng)項目建設(shè)［5］。目前中小型水庫管理信息化建設(shè)采用的技術(shù)主要有電子測量、遙感［6］、地理信息系統(tǒng)(GIS)［7］、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)［8］、計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制、數(shù)據(jù)庫等，近年來物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)也逐漸受到青睞。

1．2信息化管理存在的問題

目前中小型水庫信息化管理存在的問題主要有:(1)信息感知不透徹。根據(jù)統(tǒng)計，目前只有少部分中小型水庫實現(xiàn)了水雨情自動化監(jiān)測，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)中小型水庫甚至連基本的監(jiān)測設(shè)施都未布置［9］，感知覆蓋范圍和要素內(nèi)容不全面。另外，現(xiàn)有的感知手段還很落后，AI攝像頭、新型傳感設(shè)備、無人機等新技術(shù)很少應(yīng)用于中小型水庫;很多偏遠(yuǎn)地區(qū)中小型水庫通信覆蓋不全、帶寬不足、通信基礎(chǔ)薄弱。(2)互聯(lián)互通不廣泛。部分中小型水庫已建信息化工程還處在分專業(yè)、單機管理狀態(tài)，缺乏多源信息有效融合，從而導(dǎo)致信息孤島，各套系統(tǒng)彼此獨立工作、聯(lián)動性不強。另外，各地開發(fā)的管理平臺不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)不同地區(qū)不同部門之間平臺的互聯(lián)互通，不利于多層級協(xié)同管理。(3)數(shù)據(jù)處理不及時。大部分中小型水庫大壩安全監(jiān)測資料無法及時分析處理，工程安全運行狀態(tài)的實時評價難以實現(xiàn)，特別是大洪水、暴雨等極端條件下的大壩變形及滲流實時安全預(yù)警實現(xiàn)困難。(4)系統(tǒng)運維不理想。對于建有信息化系統(tǒng)的中小型水庫，由于缺乏資金及專業(yè)技術(shù)人員的支持，系統(tǒng)運維困難，不能實現(xiàn)全局性的高效、高水平、易維護(hù)的信息管理與應(yīng)用，監(jiān)管作用低于預(yù)期。(5)應(yīng)用服務(wù)不全面。目前水庫大壩的信息推送與發(fā)布對象局限于水利部門，生態(tài)環(huán)境、應(yīng)急管理、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等相關(guān)部門的應(yīng)用服務(wù)不全面，同時缺少智能便捷的公共服務(wù)，不能實現(xiàn)信息化管理平臺應(yīng)用服務(wù)的泛在化。

1．3信息化管理發(fā)展趨勢

水庫大壩安全智慧管理的重要特征包括透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、廣泛共享、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)等［10］，未來中小型水庫大壩信息化管理必將運用智能傳感器、視頻AI、無人機等新技術(shù)，通過全方位、全指標(biāo)的監(jiān)測，實現(xiàn)更透徹的信息感知;以光纖、微波等傳統(tǒng)通信技術(shù)為支撐，運用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信技術(shù)，實現(xiàn)水庫大壩和各級平臺間更廣泛的互聯(lián)互通;基于大數(shù)據(jù)、云計算及邊緣計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的深度整合;利用人工智能、虛擬現(xiàn)實、BIM、GIS等新技術(shù)，實現(xiàn)泛在化的智能應(yīng)用及服務(wù)。

2中小型水庫信息化管理特點及用戶需求

2．1中小型水庫信息化管理特點

適用于中小型水庫信息化管理的系統(tǒng)需要具備以下特點:①穩(wěn)定性。大部分中小型水庫處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，無人值守或者管理人員水平有限，信息化管理系統(tǒng)運行需要保證高穩(wěn)定性，減少故障時間。②成本可控。中小型水庫管理單位經(jīng)費有限，其信息化管理必須具有集約化、高性價比的特點。③主動性。將傳統(tǒng)被動式監(jiān)管轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮奖O(jiān)管，系統(tǒng)可根據(jù)判斷的異常情況分級預(yù)警并推送給相應(yīng)部門及相關(guān)責(zé)任人。④易用性。中小型水庫管理缺少專業(yè)技術(shù)人員，信息化管理手段必須具有簡單易用、少人工干預(yù)的特點，配套的軟件界面友好、簡潔直觀。⑤實時性。目前從監(jiān)測數(shù)據(jù)采集到分析處理存在一定程度時延，要確保應(yīng)急條件下第一時間獲取水庫大壩安全狀況并推送預(yù)警信息，以對異常和險情做出快速響應(yīng)。

2．2用戶需求分析

當(dāng)前中國治水主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)為人民群眾對水資源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足之間的矛盾［11］，中小型水庫信息化管理在滿足必要的工程安全需求前提下，更要關(guān)注水資源水生態(tài)水環(huán)境方面的需求。中小型水庫信息化管理系統(tǒng)面向的對象及主要需求包括:(1)各級水行政主管部門。對于流域機構(gòu)、省級、市縣級水行政主管部門，其主要負(fù)責(zé)行政區(qū)域內(nèi)中小型水庫行政管理，由于中小型水庫數(shù)量多、分布廣，需要通過信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)所有中小型水庫的統(tǒng)一管理。(2)各級相關(guān)主管部門。國務(wù)院機構(gòu)調(diào)整后的職責(zé)變化帶來了需求變化，流域水環(huán)境保護(hù)職責(zé)由生態(tài)環(huán)境部負(fù)責(zé)，水旱災(zāi)害防治、防汛抗旱總指揮部劃歸應(yīng)急管理部，漁業(yè)監(jiān)督管理由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部負(fù)責(zé)，因此與中小型水庫管理相關(guān)的水環(huán)境、防汛抗旱以及漁業(yè)養(yǎng)殖等信息也需要通過信息化管理系統(tǒng)推送給各級相關(guān)主管部門。(3)水庫管理單位及現(xiàn)場管理人員。水庫管理單位及相關(guān)人員需全面掌握水庫大壩運行狀態(tài)，信息化管理系統(tǒng)除了能提供必要的水雨情信息以及滲流、變形等安全監(jiān)測信息外，還需要能通過現(xiàn)地實時計算分析提供應(yīng)急條件下異常信息提醒，通過監(jiān)測信息實時分析自動生成監(jiān)測報告以免去繁雜的專業(yè)化人工操作，同時可利用視頻AI分析實現(xiàn)水庫智能化管理。(4)水庫周邊群眾。對于周邊群眾而言，需要掌握水庫大壩結(jié)構(gòu)安全狀況，在應(yīng)急條件下能及時獲取預(yù)警通知;能了解水庫水資源、水環(huán)境、水生態(tài)現(xiàn)狀，以保證用水、灌溉及養(yǎng)殖安全。

3中小型水庫信息化管理新模式

結(jié)合目前中小型水庫信息化管理存在的問題及相關(guān)部門、人員需求分析，亟需提出適用于中小型水庫信息化管理的新模式。

3．1基于邊緣計算的水庫管理新模式

邊緣計算作為在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的新型計算模式，可以有效解決目前中小型水庫信息化管理中存在的信息感知不透徹、數(shù)據(jù)處理不及時等問題，基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理系統(tǒng)包含以下部分:(1)感知終端。對于中小型水庫大壩，除了需布置水雨情監(jiān)測設(shè)施外，還包括必要的滲流、變形等安全監(jiān)測設(shè)施以及用于日常管理、水環(huán)境水生態(tài)監(jiān)控的AI攝像頭。(2)邊緣網(wǎng)關(guān)。邊緣網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。一方面，邊緣網(wǎng)關(guān)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來自于感知終端的有效數(shù)據(jù)，并且提供一定的存儲、計算和決策能力。另一方面，邊緣網(wǎng)關(guān)與云平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，將優(yōu)化后的必要數(shù)據(jù)上傳至云端，并接收云平臺下發(fā)的計算規(guī)則及預(yù)警模型，實現(xiàn)現(xiàn)地數(shù)據(jù)實時預(yù)測預(yù)警。(3)數(shù)據(jù)通信?；谶吘売嬎愕闹行⌒退畮煨畔⒒芾硐到y(tǒng)的數(shù)據(jù)通信分為2個階段。第1階段，數(shù)據(jù)通過LoRa、NB－IoT、ZigBee等無線通信技術(shù)從感知終端傳輸?shù)竭吘壘W(wǎng)關(guān);第2階段，邊緣網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到云平臺。第2階段數(shù)據(jù)通信時，對于移動通信穩(wěn)定地區(qū)，可直接通過4G/5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為了保證數(shù)據(jù)私密性，通過VPN撥號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈路接入VPN服務(wù)器;對于移動通信不穩(wěn)定的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可采用北斗短報文進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。(4)數(shù)據(jù)庫及云平臺。中心數(shù)據(jù)庫及云平臺部署在流域機構(gòu)或省市級水行政主管部門。中心數(shù)據(jù)庫用于存儲轄區(qū)內(nèi)中小型水庫上傳數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面整合與共享。云平臺基于B/S架構(gòu)搭建，實現(xiàn)對轄區(qū)內(nèi)中小型水庫的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，主要功能包括VPN通道管理和服務(wù)、規(guī)則及模型計算并下發(fā)、水庫基本信息管理、監(jiān)測信息管理及報告自動生成等。(5)應(yīng)用服務(wù)。該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括水雨情、滲流、表面變形以及視頻數(shù)據(jù)，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化、計算、分析，可提供的應(yīng)用服務(wù)主要包括:①水雨情監(jiān)測預(yù)警。系統(tǒng)將水庫水雨情信息分級推送給管理人員、水庫所有者、各級水行政主管部門防汛辦、應(yīng)急管理部、各級人民政府以及下游群眾。②安全監(jiān)測預(yù)警。系統(tǒng)將滲流及表面變形預(yù)警信息推送給管理人員、水庫所有者、水行政主管部門工程管理處，資料整編及自動生成的報告推送給水庫所有者。③視頻監(jiān)控報警。系統(tǒng)將淺水區(qū)壩體滲漏引起的水面漩渦視頻、監(jiān)測信息推送給管理人員、水庫所有者、水行政主管部門工程管理處;將水面漂浮物信息推送給管理人員、水庫所有者、湖長及物業(yè)委托單位;將水面藍(lán)藻監(jiān)測信息推送給管理人員、水庫所有者、湖長、供水部門、環(huán)保部門及供水范圍內(nèi)群眾。

3．2工程應(yīng)用實踐

本文以陸水水庫作為研究對象，開展基于邊緣計算的水庫大壩信息化管理試點應(yīng)用。陸水水庫位于長江中游南岸一級支流———陸水干流山谷出口處，主壩壩址坐落在湖北省赤壁市城區(qū)南端。水庫現(xiàn)場部署水位計、氣溫計、雨量計、滲壓計、流量計以及AI攝像頭(見圖1)，其中，AI攝像頭自帶邊緣計算能力，可直接通過移動通信將視頻片段上傳云端，其他各傳感器通過RS485串口線或LoRa無線通信接入邊緣網(wǎng)關(guān)。私有云服務(wù)器部署在國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，云平臺內(nèi)容可通過Web端進(jìn)行實時查看。云平臺設(shè)置水雨情預(yù)警規(guī)則，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算土石壩滲壓及滲流量預(yù)警模型，同時建立用于近壩庫區(qū)水面漩渦、藍(lán)藻及漂浮物等識別的機器學(xué)習(xí)模型，相關(guān)規(guī)則及模型下發(fā)到水庫現(xiàn)場邊緣網(wǎng)關(guān)及AI攝像頭，實現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)測預(yù)警。邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)及下發(fā)的預(yù)測模型，每天早上9:00進(jìn)行效應(yīng)量數(shù)據(jù)預(yù)測，并將實測滲壓及滲流量與相應(yīng)預(yù)測值進(jìn)行比較，通過郵件、短信的形式發(fā)送預(yù)警信息;壩前水面漩渦檢測模型經(jīng)?？低旳I開放平臺下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)攝像機，攝像機進(jìn)行實時拍攝及圖像檢測，并將檢測結(jié)果在平臺上實時展示。根據(jù)現(xiàn)場模擬實測，水庫上游水位、壩身滲壓、壩腳滲流量超限預(yù)警以及上游庫區(qū)漩渦報警均能順利實現(xiàn)，可通過短信及郵件給相關(guān)人員推送服務(wù)信息。

4結(jié)語

本文梳理了中小型水庫信息化管理應(yīng)用實踐情況，分析總結(jié)了目前中小型水庫信息化管理存在的問題及未來發(fā)展趨勢，結(jié)合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業(yè)務(wù)需求，提出了基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理新模式，并在陸水水庫進(jìn)行了試點應(yīng)用。研究成果適用于中小型水庫群統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，有助于提高中小型水庫安全監(jiān)管能力，并可節(jié)約開支、提高預(yù)警響應(yīng)速度，具有很高的實用價值。

作者:李麒 楊光 張玉炳 吳波 桂鵬 單位:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心 中國移動通信集團湖北有限公司