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、數據處理不及時、應用服務不全面等現實問題，結合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業務需求，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、邊緣網關、數據通信、數據庫及云平臺、應用服務5個方面進行了詳細研究和設計，并以湖北省陸水水庫為試點構建了水庫大壩信息化管理系統。結果表明:該系統應用情況良好，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管能力。

關鍵詞: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50～70年代。由于受當時歷史政治環境影響及經濟技術條件限制，這些水庫設計標準低、施工質量差，經過多年運行，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濟損失，因此加強中小型水庫監管刻不容緩。在“補短板、強監管”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模小、基礎設施薄弱，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，亦不利于行政主管部門的監督管理。加強中小型水庫大壩信息化管理建設，可以實現立體化監測、精準化管理、規范化監督以及智能化決策，對于其安全穩定運行意義重大。基于此，本文結合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業務需求，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建了水庫大壩信息化管理系統。

1中小型水庫信息化管理現狀

1．1信息化管理實踐

2003年《全國水利信息化規劃》把水利工程管理作為水利信息化建設的重要組成部分;2011年中央一號文件及水利信息化發展“十一五”“十二五”和“十三五”規劃均提出推進水利信息化建設，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、行業強監管”，明確指出水利工程信息化短板，并強調以點多面廣的中小型水庫為重點，加大對工程安全規范運行的監管;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管，并啟動水利部綜合監管平臺建設。在中央政策的引導和促進下，各流域管理機構及地方各級人民政府水行政主管部門紛紛響應，制定相應方針政策。如長江水利委員會開展了以“數字長江”“智慧長江”為總體發展目標的信息化頂層設計［2］;廣東省發布水利信息化“四統一”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［3］。當前中小型水庫管理信息化系統建設主要從兩方面開展:①單一水庫大壩安全監測自動化與信息管理系統;②水庫群大壩安全運行監督管理系統［4］。單一水庫管理系統布置于少部分中小型水庫，主要包括安全監測信息管理、水雨情信息管理、綜合信息管理、安全分析與預警等子系統建設;水庫群管理系統在水庫現地布置相關信息化設施，并在省市級水行政主管部門建有云平臺及數據庫，如廣東省組織各地開展小型水庫動態監管系統建設［3］，湖北省全面推進省內小型水庫水雨情自動測報系統項目建設［5］。目前中小型水庫管理信息化建設采用的技術主要有電子測量、遙感［6］、地理信息系統(GIS)［7］、全球導航衛星系統(GNSS)［8］、計算機網絡、自動控制、數據庫等，近年來物聯網、云計算、大數據、人工智能等新技術也逐漸受到青睞。

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。根據統計，目前只有少部分中小型水庫實現了水雨情自動化監測，很多偏遠地區中小型水庫甚至連基本的監測設施都未布置［9］，感知覆蓋范圍和要素內容不全面。另外，現有的感知手段還很落后，AI攝像頭、新型傳感設備、無人機等新技術很少應用于中小型水庫;很多偏遠地區中小型水庫通信覆蓋不全、帶寬不足、通信基礎薄弱。(2)互聯互通不廣泛。部分中小型水庫已建信息化工程還處在分專業、單機管理狀態，缺乏多源信息有效融合，從而導致信息孤島，各套系統彼此獨立工作、聯動性不強。另外，各地開發的管理平臺不統一，難以實現不同地區不同部門之間平臺的互聯互通，不利于多層級協同管理。(3)數據處理不及時。大部分中小型水庫大壩安全監測資料無法及時分析處理，工程安全運行狀態的實時評價難以實現，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警實現困難。(4)系統運維不理想。對于建有信息化系統的中小型水庫，由于缺乏資金及專業技術人員的支持，系統運維困難，不能實現全局性的高效、高水平、易維護的信息管理與應用，監管作用低于預期。(5)應用服務不全面。目前水庫大壩的信息推送與發布對象局限于水利部門，生態環境、應急管理、農業農村等相關部門的應用服務不全面，同時缺少智能便捷的公共服務，不能實現信息化管理平臺應用服務的泛在化。

1．3信息化管理發展趨勢

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、深度融合、廣泛共享、智能應用、泛在服務等［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，通過全方位、全指標的監測，實現更透徹的信息感知;以光纖、微波等傳統通信技術為支撐，運用物聯網、移動互聯網、衛星通信等現代通信技術，實現水庫大壩和各級平臺間更廣泛的互聯互通;基于大數據、云計算及邊緣計算，實現數據和業務的深度整合;利用人工智能、虛擬現實、BIM、GIS等新技術，實現泛在化的智能應用及服務。

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需要具備以下特點:①穩定性。大部分中小型水庫處于偏遠地區，無人值守或者管理人員水平有限，信息化管理系統運行需要保證高穩定性，減少故障時間。②成本可控。中小型水庫管理單位經費有限，其信息化管理必須具有集約化、高性價比的特點。③主動性。將傳統被動式監管轉變為主動式監管，系統可根據判斷的異常情況分級預警并推送給相應部門及相關責任人。④易用性。中小型水庫管理缺少專業技術人員，信息化管理手段必須具有簡單易用、少人工干預的特點，配套的軟件界面友好、簡潔直觀。⑤實時性。目前從監測數據采集到分析處理存在一定程度時延，要確保應急條件下第一時間獲取水庫大壩安全狀況并推送預警信息，以對異常和險情做出快速響應。

2．2用戶需求分析

當前中國治水主要矛盾已經轉為人民群眾對水資源水生態水環境的需求與水利行業監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，更要關注水資源水生態水環境方面的需求。中小型水庫信息化管理系統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、省級、市縣級水行政主管部門，其主要負責行政區域內中小型水庫行政管理，由于中小型水庫數量多、分布廣，需要通過信息化管理系統實現轄區內所有中小型水庫的統一管理。(2)各級相關主管部門。國務院機構調整后的職責變化帶來了需求變化，流域水環境保護職責由生態環境部負責，水旱災害防治、防汛抗旱總指揮部劃歸應急管理部，漁業監督管理由農業農村部負責，因此與中小型水庫管理相關的水環境、防汛抗旱以及漁業養殖等信息也需要通過信息化管理系統推送給各級相關主管部門。(3)水庫管理單位及現場管理人員。水庫管理單位及相關人員需全面掌握水庫大壩運行狀態，信息化管理系統除了能提供必要的水雨情信息以及滲流、變形等安全監測信息外，還需要能通過現地實時計算分析提供應急條件下異常信息提醒，通過監測信息實時分析自動生成監測報告以免去繁雜的專業化人工操作，同時可利用視頻AI分析實現水庫智能化管理。(4)水庫周邊群眾。對于周邊群眾而言，需要掌握水庫大壩結構安全狀況，在應急條件下能及時獲取預警通知;能了解水庫水資源、水環境、水生態現狀，以保證用水、灌溉及養殖安全。

3中小型水庫信息化管理新模式

結合目前中小型水庫信息化管理存在的問題及相關部門、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

邊緣計算作為在網絡邊緣執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、數據處理不及時等問題，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測設施外，還包括必要的滲流、變形等安全監測設施以及用于日常管理、水環境水生態監控的AI攝像頭。(2)邊緣網關。邊緣網關是整個系統的核心設備。一方面，邊緣網關接收、處理和轉發來自于感知終端的有效數據，并且提供一定的存儲、計算和決策能力。另一方面，邊緣網關與云平臺數據進行交互，將優化后的必要數據上傳至云端，并接收云平臺下發的計算規則及預警模型，實現現地數據實時預測預警。(3)數據通信。基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理系統的數據通信分為2個階段。第1階段，數據通過LoRa、NB－IoT、ZigBee等無線通信技術從感知終端傳輸到邊緣網關;第2階段，邊緣網關連接到互聯網，通過互聯網傳輸數據到云平臺。第2階段數據通信時，對于移動通信穩定地區，可直接通過4G/5G基站進行數據傳輸，為了保證數據私密性，通過VPN撥號，實現數據從公網網絡鏈路接入VPN服務器;對于移動通信不穩定的偏遠地區，可采用北斗短報文進行數據通信。(4)數據庫及云平臺。中心數據庫及云平臺部署在流域機構或省市級水行政主管部門。中心數據庫用于存儲轄區內中小型水庫上傳數據并實現數據的全面整合與共享。云平臺基于B/S架構搭建，實現對轄區內中小型水庫的統一協調管理，主要功能包括VPN通道管理和服務、規則及模型計算并下發、水庫基本信息管理、監測信息管理及報告自動生成等。(5)應用服務。該系統采集的數據主要包括水雨情、滲流、表面變形以及視頻數據，結合采集的數據進行優化、計算、分析，可提供的應用服務主要包括:①水雨情監測預警。系統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、應急管理部、各級人民政府以及下游群眾。②安全監測預警。系統將滲流及表面變形預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視頻監控報警。系統將淺水區壩體滲漏引起的水面漩渦視頻、監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、湖長及物業委托單位;將水面藍藻監測信息推送給管理人員、水庫所有者、湖長、供水部門、環保部門及供水范圍內群眾。

3．2工程應用實踐

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南端。水庫現場部署水位計、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關。私有云服務器部署在國家大壩安全工程技術研究中心，云平臺內容可通過Web端進行實時查看。云平臺設置水雨情預警規則，并根據歷史數據計算土石壩滲壓及滲流量預警模型，同時建立用于近壩庫區水面漩渦、藍藻及漂浮物等識別的機器學習模型，相關規則及模型下發到水庫現場邊緣網關及AI攝像頭，實現現地監測預警。邊緣網關根據采集的環境數據及下發的預測模型，每天早上9:00進行效應量數據預測，并將實測滲壓及滲流量與相應預測值進行比較，通過郵件、短信的形式發送預警信息;壩前水面漩渦檢測模型經海康威視AI開放平臺下發到網絡攝像機，攝像機進行實時拍攝及圖像檢測，并將檢測結果在平臺上實時展示。根據現場模擬實測，水庫上游水位、壩身滲壓、壩腳滲流量超限預警以及上游庫區漩渦報警均能順利實現，可通過短信及郵件給相關人員推送服務信息。

4結語

本文梳理了中小型水庫信息化管理應用實踐情況，分析總結了目前中小型水庫信息化管理存在的問題及未來發展趨勢，結合中小型水庫信息化管理特點及各級用戶業務需求，提出了基于邊緣計算的中小型水庫信息化管理新模式，并在陸水水庫進行了試點應用。研究成果適用于中小型水庫群統一協調管理，有助于提高中小型水庫安全監管能力，并可節約開支、提高預警響應速度，具有很高的實用價值。

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