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云平台在流域多库大坝安全监测中的应用实践

0 引言

我国是世界上水库大坝数量最多的国家,水库大坝在国民经济建设中发挥着巨大的作用。要让水库大坝充分发挥效益,除了正确的调度和高效的管理,还必须保障大坝的安全,因为一旦大坝出现事故将给当地经济和人民安全带来不可估量的损失。应用实施有效的监测设备和软件平台可以保障大坝安全,为大坝调度、管理提供决策信息。

为了监测水库大坝的安全状态,水库大坝中都布置有应力、应变、位移、温度、倾斜、沉降、渗流、水雨情等多种监测仪器,监测点往往成百上千个,甚至上万,采集的数据处理、分析工作量大,并且对实时性要求较高。[1]

近年来,随着技术的发展,自动化采集设备在大坝行业中大量普及应用。自动化采集设备对传感器进行实时采集,通过一定的传输方式将数据发送至本地部署的服务器中,用户打开安装在本地电脑上的软件客户端操作设备、查看数据。这种软件方式替代了人工测量,一定程度上实现了监测工作的自动化,但是也有一定的不便利性,例如运维成本大、软件升级困难等。特别是对流域多库大坝安全监测,这种软件所带来的局限性极为明显。

流域多库大坝安全监测难点主要有:

(1) 分布范围广:流域多库大坝一般分布在多个流域,分布较为分散;

(2) 结构物数量多:共拥有多个多种结构物,每种类型数量不等;

(3) 结构物存在差异:无论是结构物的外部结构、内部结构,还是监测要求等均存在差异。

因此,针对流域多库大坝安全监测,需要一种更切实有效的监测软件。近年来,随着互联网、物联网、云计算等新兴技术的高速发展,一种新的软件形式-云平台应运而生,云平台可完美应用于流域多库大坝安全监测,解决上述监测难点,让各个水库大坝之间的数据有效互通,从而提高管理效率。


1 传统监测软件的局限性

1.1 运维成本大

一般来说,应用传统的监测软件需要购置一系列服务器、交换机、路由器等基础设施硬件,这类硬件设备不仅安装繁琐,更需要配备专业人员进行持续维护。在很多水库大坝,需要额外建造一个机房来放置这些硬件设备。因此在项目中会产生一定的设备购置成本,并且在项目持续运行的阶段也会产生相当大的人员运维成本。此外,自建机房存在着潜在的人员操作故障风险,这也给大坝安全监测带来了不稳定因素。

1.2 软件整合困难

传统监测软件带来更大的问题是软件多而零散,没有统一的标准,使得数据整合存在困难。一个个软件犹如一个个封闭的孤岛,用户很难将数据融合在一起。

如果只有一个大坝工程,用传统监测软件也许并不能立刻看出这个问题,但是一旦大坝工程多起来,例如流域多库多个大坝,或不同地区的多个大坝,这个问题就会凸显出来。由于用户无法有效将数据打通,因此无法更好的将数据应用起来。

1.3 软件功能固定

从软件功能上来看,传统监测软件一般功能都比较固定。如用户在使用了一段时间以后,想对软件功能进行升级是非常困难的,往往需要投入很大的成本。

并且,在这类软件交付使用后,软件厂商和用户之间并无耦合关系。因此,不仅是软件厂商后期对软件的维护,还是后期需要对软件功能进行更新都非常困难。


2 云平台的优势及特点

2.1 低成本免运维

云平台基于SaaS的云计算架构实现。SaaS全称为Software-as-a-service,意思是“软件即服务”。 SaaS是一种基于互联网提供软件服务的应用模式,它打破了传统软件概念,SaaS模式随着互联网技术的发展和应用软件的成熟不断完善,是软件科技发展的最新趋势。[2]

图1[3]中可看出单机版软件、IaaS(基础设施即服务)、PasS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)的区别。从图中可看出,在最后一列SaaS软件架构中,完全没有用户在软件部署中需要关注的部分(左边标注有“You manage”的部分)。因此,应用云平台时,需要用户使用门槛和用户投入成本均为零。

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图1 不同软件架构的对比

基于SaaS架构的云平台低成本免运维,云计算使得云平台可动态提供可伸缩的计算、存储、网络等虚拟化资源,并以服务的方式提供给用户。用户不需要关注底层的硬件资源,从而可让用户把重点放在数据整合、软件功能上,大大提高用户体验和软件的有用性。

2.2 系统扩展性

云平台整套架构采用互联网技术中目前最先进的微服务架构进行设计,不仅保证系统的松耦合度,并且能够最大程度的保证系统的弹性。云平台整套系统采用模块化和分布式设计,为整个系统提供极大的扩展性。

云平台系统设计使得云平台可在流域多库大坝安全监测中对多个大坝工程进行复制并推广应用。并且,云平台兼容多种行业标准,软件采用标准接口协议,可方便用户与其他平台进行对接。对于大型系统及工程,可方便的实现在一个平台上进行统一管理。

2.3 轻松升级

云平台负责管理所有的更新和升级,用户无需自行下载或安装补丁。同时,云平台还管理着应用程序的可用性,所以用户无需添加硬件和软件,也不必随着用户或业务的增长而增加网络资源。[4]

用户一旦应用了云平台,可轻松享有后续的升级服务,用户完全不需担心软件的后续维护、升级更新等问题。

2.4 可靠安全性

大坝安全监测是关系国计民生的大事情,因此保障平台的安全性是云平台搭建的基础。云平台部署在与国内知名高校大学合作搭建的机房及服务器集群,采用运营商独享专线以及国外专业厂商安全认证系统进行加密,最大程度的保证系统的可靠性、数据的安全性。

2.5 数据实时性

在大坝安全监测中,用户往往最关心的是监测数据。实时的获取监测数据,对安全监测情况做出预估,在大坝安全监测中是至为关键的一环。云平台中运用以传感器和自动化采集系统为主体的在线采集系统,实现全天候不间断的从云端对大坝进行实时监控,全方位的了解大坝安全监测情况。

用户可直接通过网页或小程序等多种方式查看监测数据,方便快捷。通过在云平台上设置的多种报警策略,用户可接收到短信、微信、邮件等不同方式发送的报警推送,方便用户实时排查问题。

2.6 支持大数据场景

云平台数据库采用时序数据库、关系型和非关系型数据库结合的方式,适合大数据量、高并发、高吞吐量的数据场景,可完美支撑大坝安全监测的不同场景。

2.7 弹性的服务及收费模式

云平台采用即用即付,按需付费的形式,用户可随时在云平台上进行对资源的购买,这种收费方式不仅节省成本,并且十分灵活方便。

并且,云平台提供定制功能,用户可在云平台上按需购买,以满足特定需求。


3 云平台的系统架构

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图2 云平台系统架构

云平台的系统架构如图 2 所示,用户通过Web端、小程序、定制数据展板或接口的方式访问云平台,方便用户在不同场合下随时随地对平台进行使用。云平台系统架构主要分为以下十二个部分:

(1) 采集设备:通过自动化采集设备,将传感器数据进行采集,数据以一定的传输方式,一般为无线传输方式(4G/NB-IoT/WiFi等)传输至云平台;

(2) 数据采集服务:通过数据采集服务,接收不同的设备及传感器的采集数据,服务自动扩容支持海量设备连接,可支撑大数据场景;

(3) 消息队列集群:在系统中承担负载均衡、消息通知、流量削峰等角色;

(4) 数据分析:通过数据分析模块,对采集数据进行自定义公式计算、数据阈值报警判断等一系列分析计算;

(5) 日志中心:通过日志中心模块管理日志,包括操作、报警、登录、推送日志等;

(6) 基础服务系统:包括推送中心、充值中心、文件中心等,为云平台提供技术支撑;

(7) 工程管理:管理工程内相关数据及资源,包括工程、设备、测点、报表及数据等;

(8) 外部数据接入:外部数据可通过数据库、接口的方式导入云平台,灵活的与其他系统进行整合;

(9) 数据持久化:不同类型的数据以不同的方式进行存储,支撑不同使用场景;

(10) 系统权限中心:采用基于用户组角色的多级访问系统和基于树状的数据权限控制系统,实现用户权限管理的灵活性、安全性;

(11) 服务网关:动态管理用户的调用请求,对接口访问进行管理控制;

(12) 系统安全:通过流量监控、日志监控等方式对恶意访问进行拦截,对系统进行管理,最大程度的保证系统的安全性。


4 应用案例

自云平台正式上线以来,已广泛应用在大坝、桥梁、房屋、工民建等各个工程领域。

4.1  黔江长江流域多个水电站安全监测

黔江长江流域多个水电站分布在长江支流乌江流域,监测项目包括内部和外部监测。内部主要监测项目包括:渗流(绕坝渗流)、渗压、水位、应力(钢板)、测缝(基岩、缝间、坝口)、内部温度、环境量(大气温度、水库水温)。外部主要监测项目包括:引张线(倒垂)、GPS、沉降等。

云平台对黔江长江流域多个水电站进行安全监测。通过云平台,用户登录后即可总览整个平台的数据统计情况,在地图上查看每个工程的测点数量和测点实时报警情况,测点统计标记会根据报警级别的不同显示不同的颜色,用户可随时切换工程进行查看具体工程对应数据,如图3所示。

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图3 平台总览页面

进入具体工程,用户可在图4所示的工程总览页面实时查看具体工程里的测点分布图,并通过在地图布点或图纸布点中点击布点进一步查看数据。页面右边显示出最新监测数据,可和监测数据页面联动,方便用户查看更多数据。

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图4 工程总览页面

进入数据监测菜单,用户在图6所示的数据实时监测页面可通过多视图的方式查看数据最新情况,可选择时间范围,也可通过点击“查看更多”按钮进入具体传感器的历史数据页面查看更多数据。

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图5 数据实时监测页面

在图6所示的数据管理页面,用户可根据时间范围、多种筛选条件对数据进行筛选,精准查看历史监测数据,导出数据表格或过程线图片。

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图6 数据管理页面

在图7所示的测点管理页面,用户可添加测点资料并对测点信息进行管理。云平台支持自动获取传感器计算参数,自定义计算公式等,支持大坝安全监测的不同传感器类型和监测要求。

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图7 测点管理页面

4.2  引江济汉工程安全监测

引江济汉工程,是从长江荆江河段引水至汉江高石碑镇兴隆河段的大型输水工程,属于南水北调中线一期汉江中下游治理工程之一。工程的主要任务是:向汉江兴隆以下河段补充因南水北调中线一期工程调水而减少的水量,改善该河段的生态、灌溉、供水、航运等用水条件。[4]

云平台和湖北省引江济汉工程管理局进行合作,定制的数据可视化展板方便用户和业主已极简的方式查看测点分布图,通过点击测点查看实时数据,如图9所示。用户也可进入数据详情页面查看历史数据,进行水平位移报表绘制及曲线图绘制等。

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图9 引江济汉数据展板


5 结语

文章主要介绍了云平台和传统监测软件的区别,阐述了云平台的优势及架构,并通过在流域多库大坝安全监测中的应用案例进行进一步说明云平台优势。

通过云平台,可大大减少大坝安全监测运维成本和管理成本,方便用户更加有效的管理工程数据,使大坝安全监测更有效、更便捷、更可靠。基于云平台的多种数据管理、数据分析、数据展示等功能,用户可轻松将多个大坝工程的数据资源打通,让监测数据更好的实现价值,从而有效推动大坝调度及管理决策。


参考文献

[1]何勇军.大坝安全监测与自动化[M].中国水利水电出版社,2008.

[2]https://www.ibm.com/cloud/learn/iaas-paas-saas

[3]https://venturebeat.com//cloud-iaas-paas-saas

[4]https://baike.bejewelchina.com/item/引江济汉工程


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