東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程安全預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 勇，杜昌永，周祥龍，景 康，趙 川*

(1.四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，成都，610081；2.成都賽零信息技術(shù)開發(fā)有限公司，成都，610041；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

引言

東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程數(shù)量大、種類多，且分布廣泛，工程病害(險(xiǎn))問題突出，已有安全監(jiān)測(cè)覆蓋嚴(yán)重不足，監(jiān)測(cè)方式較為落后，且監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局不夠優(yōu)化，當(dāng)前亦無相關(guān)規(guī)劃。灌區(qū)水利工程病險(xiǎn)自動(dòng)預(yù)警業(yè)務(wù)支撐不足，當(dāng)前水利工程安全病險(xiǎn)分析大多通過經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行判別，需要業(yè)務(wù)管理人員具備較為豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力不足，當(dāng)前模式不利于工程險(xiǎn)情的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不利于水利工程的安全管理。由于灌區(qū)內(nèi)各類水利工程安全監(jiān)管“覆蓋不全、技術(shù)落后、協(xié)同困難”等問題和不足，使得灌區(qū)工程管理存在盲區(qū)和短板。因此，從“全方位安全監(jiān)管”角度做好灌區(qū)水利工程安全監(jiān)測(cè)站網(wǎng)規(guī)劃，研究如何保障水利工程安全運(yùn)行、有效提升水利工程管理效率、發(fā)揮水利工程綜合效益，具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。本研究基于物聯(lián)感知體系建設(shè)，以專家評(píng)價(jià)法、層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)為數(shù)字模型，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，構(gòu)架東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程安全預(yù)警系統(tǒng)，為灌區(qū)水利工程全方位監(jiān)管提供支撐。

1 建設(shè)目標(biāo)及內(nèi)容

1.1 建設(shè)目標(biāo)

為適應(yīng)灌區(qū)水利工程全方位安全監(jiān)管需求，落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利工程強(qiáng)監(jiān)管”的具體要求，圍繞灌區(qū)水利工程安全管理的實(shí)際需求，以灌區(qū)水利工程安全監(jiān)測(cè)及其病險(xiǎn)自動(dòng)預(yù)警為基本目標(biāo)，結(jié)合東風(fēng)渠灌區(qū)已建、在建、擬建的實(shí)體措施和物聯(lián)感知終端，構(gòu)建可服務(wù)整個(gè)灌區(qū)干渠水閘、渡槽、隧(涵)洞、邊坡、渠道、水庫(kù)水壩等水利工程全方位安全監(jiān)測(cè)的體系，實(shí)現(xiàn)“灌區(qū)水利工程安全預(yù)警及會(huì)商決策服務(wù)系統(tǒng)”開發(fā)、測(cè)試、集成和應(yīng)用部署，最終實(shí)現(xiàn)灌區(qū)重要水利工程全方位安全監(jiān)控與管理，增強(qiáng)水利工程動(dòng)態(tài)監(jiān)管能力。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

針對(duì)灌區(qū)典型水利工程水庫(kù)、渡槽、水閘、河堤開展水利工程病害病險(xiǎn)特征研究，總結(jié)各類病害病險(xiǎn)的特點(diǎn)，并根據(jù)不同水利工程病害病險(xiǎn)特征分析結(jié)果進(jìn)行水利工程病害病險(xiǎn)分類研究。在此基礎(chǔ)上，完成水利工程安全預(yù)警及會(huì)商決策服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)試、集成和應(yīng)用部署，實(shí)現(xiàn)包括基于GIS平臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量等)、水利工程(其中河堤、渡槽、水閘為必選項(xiàng))安全預(yù)警、生物危害監(jiān)測(cè)、工程安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)商決策與辦理、整治決策、前端設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)配置管理。

2 項(xiàng)目關(guān)鍵性技術(shù)

結(jié)合項(xiàng)目的主要建設(shè)內(nèi)容，本次采用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、層次分析法、基于微服務(wù)的服務(wù)架構(gòu)及基于docker-K8S部署方案。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是指通過各種信息傳感設(shè)備(如水位傳感器、流量傳感器、裂縫儀、溫度計(jì)、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等各種裝置與技術(shù))實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集水利工程的位移、漏滲、裂縫等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

水利工程設(shè)施通過物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)包括調(diào)度監(jiān)控、運(yùn)維管理、安全評(píng)估、通信預(yù)警和信息發(fā)布等的智能化。

2.2 基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)

層次分析法(AHP法)是多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的一種定量方法。它是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家A.L.Satty在20世紀(jì)70年代提出的一種安全狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。它能一定程度上減少主觀因素影響，把定性因素定量化，使評(píng)價(jià)結(jié)果更趨向于科學(xué)化。

2.3 回歸分析法

此次安全預(yù)警包括兩部分：一部分是指標(biāo)監(jiān)測(cè)，另一部分是水工建筑物的綜合預(yù)警分析。

綜合預(yù)警數(shù)據(jù)分析主要方法包括特征值統(tǒng)計(jì)、時(shí)空對(duì)比分析、類似工程對(duì)比、物理力學(xué)規(guī)律分析、監(jiān)控模型分析、監(jiān)控指標(biāo)分析等。

本系統(tǒng)建模采用回歸分析法作為統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算的程序?？梢院芊奖愕倪x擇任意的測(cè)點(diǎn)和因子進(jìn)行建模分析，顯示各個(gè)分量的值和過程線，對(duì)測(cè)值進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)。

圖1 綜合預(yù)警模型建立及分析流程

2.4 基于微服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)于2012年開始出現(xiàn)技術(shù)雛形，2014年學(xué)者M(jìn)artin Fowler正式提出微服務(wù)架構(gòu)的概念，與此同時(shí)，容器技術(shù)的快速發(fā)展為微服務(wù)架構(gòu)的大規(guī)模使用提供了基礎(chǔ)支撐。微服務(wù)架構(gòu)是一個(gè)用分布式服務(wù)拆分業(yè)務(wù)邏輯，完成解耦的架構(gòu)模式(架構(gòu)風(fēng)格)，微服務(wù)肯定是分布式的一種，是在分布式技術(shù)成熟之后，然后把分布式當(dāng)成解耦手段來架構(gòu)系統(tǒng)，是因?yàn)椴鸱址?wù)很細(xì)致。一個(gè)項(xiàng)目：三層架構(gòu)-UI/BLL/DAL，微服務(wù)就是把BLL的方法獨(dú)立成一個(gè)服務(wù)去調(diào)用。構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)，其根基就是把方法都拆成獨(dú)立服務(wù)，從而保證項(xiàng)目高可用。微服務(wù)架構(gòu)核心是基于集群去完成高可用以及伸縮性，集群就是多臺(tái)服務(wù)器都做相同的事情，構(gòu)建集群，解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、調(diào)用服務(wù)、負(fù)載均衡等問題。主要包含：微服務(wù)平臺(tái)門戶、注冊(cè)中心、配置中心、控制臺(tái)后端服務(wù)、統(tǒng)一監(jiān)控后臺(tái)等管理內(nèi)容。

2.5 基于docker-K8S集群部署

項(xiàng)目基于Kubernetes容器云平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合容器云平臺(tái)對(duì)研發(fā)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。容器云平臺(tái)部署于物理服務(wù)器之上，總體結(jié)構(gòu)由資源層、平臺(tái)層、應(yīng)用層三部分組成。

圖2 容器云平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

(1)資源層位于平臺(tái)底層，為平臺(tái)提供基本存儲(chǔ)和資源管理能力，包含用于代碼版本管理的GIT，用于構(gòu)建NUGET和Docker鏡像倉(cāng)庫(kù)的Nexus，以及文件存儲(chǔ)服務(wù)。

(2)平臺(tái)層包括容器云平臺(tái)的核心組件，如集群監(jiān)控程序，用于提供容器鏡像基本運(yùn)行能力的Docker工具，為Docker統(tǒng)一編排與調(diào)度能力的Kubernetes，用于將項(xiàng)目構(gòu)建為容器鏡像并上傳至Nexus倉(cāng)庫(kù)。

(3)應(yīng)用層最接近用戶，用于部署為用戶開發(fā)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及定制化的集群控制軟件等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體框架

東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程安全預(yù)警及會(huì)商決策服務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)從邏輯角度分為“五個(gè)層次”(即基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、用戶層)，“三個(gè)體系”(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與管理體系、信息安全運(yùn)行體系、信息安全保障體系)。為平臺(tái)長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行的保障機(jī)制，具體分層信息如下所示。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層。包括平臺(tái)建設(shè)需要的機(jī)房、服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、顯示大屏、各類前端物聯(lián)網(wǎng)感知終端等基礎(chǔ)硬件設(shè)施。

(2)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)資源層包括各類信息資源庫(kù)和資源目錄，具體包含各類工程信息庫(kù)、安全監(jiān)測(cè)信息庫(kù)、安全評(píng)價(jià)信息庫(kù)、安全管理信息庫(kù)、外部信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)支撐層。應(yīng)用支撐層包含各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶及權(quán)限、消息服務(wù)、日志服務(wù)、字典服務(wù)、視頻服務(wù)、GIS服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、工單系統(tǒng)等，支撐各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和平臺(tái)開發(fā)，降低業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)難度，避免重復(fù)建設(shè)。

(4)應(yīng)用層。應(yīng)用系統(tǒng)層具體包括工程信息、安全監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)、安全管理、移動(dòng)APP等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

(5)用戶層。服務(wù)層通過整合應(yīng)用系統(tǒng)層的各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)，為平臺(tái)各主要用戶提供集成化的工作/服務(wù)平臺(tái)。

3.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.3 模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 GIS一張圖

在該模塊，基于GIS展示各水利工程的位置分布、異常展示位置分布、預(yù)警統(tǒng)計(jì)、預(yù)警工程排序等功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、位置分布、異常分布等。

可查詢各個(gè)工程的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警條件設(shè)置等工程的全部信息，同時(shí)也可查詢各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)備詳情、監(jiān)測(cè)詳情等。

3.3.2 系統(tǒng)首頁(yè)

在該模塊中，可查詢灌區(qū)工程概況、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)、工程分布，監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)位分布、工程預(yù)警數(shù)量分布；巡查任務(wù)統(tǒng)計(jì)、完成狀況統(tǒng)計(jì)；個(gè)人問題統(tǒng)計(jì)及處理情況統(tǒng)計(jì)等。

3.3.3 工程基礎(chǔ)信息管理

本模塊實(shí)現(xiàn)水閘、堤防、大壩、渡槽4種工程基礎(chǔ)信息的查詢及維護(hù)。可實(shí)現(xiàn)工程基礎(chǔ)信息的錄入、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。

3.3.4 設(shè)備管理

實(shí)現(xiàn)設(shè)備的維護(hù)和管理，可查看設(shè)備的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)，查詢?cè)O(shè)備回傳數(shù)據(jù)的明細(xì)；實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)設(shè)備的接入及解析等。

3.3.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在該模塊實(shí)現(xiàn)渡槽、大壩、水閘、堤防在監(jiān)測(cè)過程中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)展示、利用、綜合分析。通過虛擬建模的方式，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與利用。

3.3.6 人工巡查

實(shí)現(xiàn)各種水工建筑物的人工巡查上報(bào)、統(tǒng)計(jì)的功能。在該模塊中，可根據(jù)后臺(tái)配置的監(jiān)測(cè)指標(biāo)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)錄入與單指標(biāo)人工評(píng)價(jià)。

3.3.7 視頻會(huì)商

針對(duì)工程的安全預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)在線的視頻會(huì)商，及時(shí)處理各種問題。

3.3.8 系統(tǒng)配置

該模塊實(shí)現(xiàn)角色管理、人員管理、指標(biāo)配置管理、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)權(quán)限控制、巡查任務(wù)配置等。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大限度的配置化，減少后期的維護(hù)成本。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了東風(fēng)渠管理處水利工程安全預(yù)警預(yù)報(bào)及會(huì)商決策執(zhí)行，功能界面簡(jiǎn)潔美觀、功能設(shè)計(jì)合理、使用方便，同時(shí)與既有系統(tǒng)做了整合與優(yōu)化，最大化地實(shí)現(xiàn)已有資源的整合利用。實(shí)現(xiàn)了渡槽、大壩、水閘、堤防等水利工程運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于全面、及時(shí)地掌握各個(gè)水利工程的安全狀態(tài)，保障工程的安全運(yùn)行。本系統(tǒng)采用開放式的軟件架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件接口設(shè)計(jì)，預(yù)留服務(wù)接口，強(qiáng)壯系統(tǒng)的可拓展性，具有廣闊的使用前景。