代春蘭，湯文華 ，湯 宏

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；2.黃岡市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 黃岡 438000)

0 引 言

湖北省共有小型水庫(kù)六千余座，其中小(1)型約占1/4，小(2)型約占3/4，絕大部分水庫(kù)修建于20世紀(jì)五六十年代，受當(dāng)時(shí)歷史條件的限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，配套設(shè)施簡(jiǎn)陋不全，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，工程老化、失修失管現(xiàn)象嚴(yán)重，安全隱患十分突出，嚴(yán)重地威脅著下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[2]。

近幾年，通過(guò)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的建設(shè)，部分小型水庫(kù)的工程安全得到改觀，但由于小型水庫(kù)庫(kù)容有限，部分地區(qū)局地暴雨，小型水庫(kù)安全度汛存在極大問(wèn)題。再加上管理人員不足、監(jiān)管手段落后，如準(zhǔn)備不充分、措施不到位、搶險(xiǎn)不及時(shí)，很可能會(huì)造成垮壩失事的重大事故，后果將不堪設(shè)想。這關(guān)系到水庫(kù)下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和發(fā)展，是一個(gè)重要的民生問(wèn)題。

根據(jù)小型水庫(kù)的工程特點(diǎn)和管理現(xiàn)狀，吸取數(shù)十年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套先進(jìn)、可靠高及低成本的解決方案，實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)的水雨情采集規(guī)范化、自動(dòng)化，為決策和災(zāi)害評(píng)估等提供準(zhǔn)確、及時(shí)和充分的依據(jù)，最大限度避免或較少發(fā)生小型水庫(kù)失事。

1 設(shè)計(jì)思路

雨量、水位是防汛抗旱的重要數(shù)據(jù)依據(jù)，小型水庫(kù)大多呈現(xiàn)庫(kù)容小、數(shù)量多、分布廣、管理落后等特點(diǎn)；因此，針對(duì)小型水庫(kù)的水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)具有低成本、高可靠、易維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特性。

從分析小型水庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面存在的問(wèn)題入手，解決以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：①采用聲波式水位、雨量監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決低成本、高精度的水雨情監(jiān)測(cè)問(wèn)題。②采用隔絕式防雷等技術(shù)，保證系統(tǒng)設(shè)備在惡劣自然條件下的安全運(yùn)行。③研究應(yīng)用基于云平臺(tái)的海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理和同步技術(shù)，提高了系統(tǒng)并發(fā)處理能力，保障了系統(tǒng)的可靠性和可用性。④利用云平臺(tái)的資源管理及動(dòng)態(tài)伸縮、小型水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)監(jiān)管及預(yù)警和3D GIS及潰壩仿真等關(guān)鍵技術(shù)，保證監(jiān)管和預(yù)警的高效、實(shí)時(shí)和可靠。

2 總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分為采集層、數(shù)據(jù)層、支承層、應(yīng)用層和用戶(hù)層，如圖1所示。

采集層：實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集小型水庫(kù)的庫(kù)水位、降雨量、實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖像等信息，遙測(cè)終端機(jī)存儲(chǔ)、加密后實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)送到管理部門(mén)的服務(wù)器。遙測(cè)終端機(jī)必須同時(shí)兼容多種信道傳輸，包括GPRS網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星傳輸。

圖1 小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)接收、入庫(kù)服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收遙測(cè)終端機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。必須能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地處理、解析實(shí)時(shí)水雨情、圖像、視頻等數(shù)據(jù)，且在3 000數(shù)量級(jí)以上終端并發(fā)傳輸時(shí)依然能夠保證期性能不出現(xiàn)明顯下降。小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，除了圖像之外的所有數(shù)據(jù)包括小型水庫(kù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)、歷史水雨情數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、用戶(hù)安全管理數(shù)據(jù)等均存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)中。

支撐層：主要包括應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行所必須的支撐服務(wù)。主要有Web應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)等等。

應(yīng)用層：包括小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的Web應(yīng)用系統(tǒng)以及Web服務(wù)。其中Web應(yīng)用系統(tǒng)也就是業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中可以監(jiān)測(cè)、查詢(xún)、分析、統(tǒng)計(jì)小型水庫(kù)的運(yùn)行狀況等信息。Web服務(wù)主要是對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，以無(wú)縫接入到其他系統(tǒng)中去。保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性。

角色層：角色有三類(lèi)，一是管理人員，主要包括水務(wù)局、防汛辦的業(yè)務(wù)管理人員和領(lǐng)導(dǎo)，具有管理權(quán)限；二是公眾，他們可以查看一些公開(kāi)的小型水庫(kù)信息；三是其他應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過(guò)Web服務(wù)調(diào)用、抽取小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲波水位計(jì)

小型水庫(kù)數(shù)量龐大，工程條件參差不齊，水位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)目標(biāo)為死水位，因此，要求采用的水位計(jì)具有廣泛的安裝適應(yīng)性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)選用可聞聲波作為測(cè)量信號(hào)的聲波水位計(jì)。該水位計(jì)采用多點(diǎn)反饋差分技術(shù)進(jìn)行多重綜合信號(hào)差分處理，消除了環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響，有效避免了因大氣壓力、環(huán)境溫度等變化對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象。

3.2 聲波雨量計(jì)

本設(shè)計(jì)采用聲波式雨量計(jì)，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度提高到16 mm/min，較其他雨量計(jì)所能監(jiān)測(cè)的雨強(qiáng)強(qiáng)度提升一倍，進(jìn)一步提高對(duì)強(qiáng)降雨的適應(yīng)能力和監(jiān)測(cè)水平。

3.3 隔絕式防雷技術(shù)

小型水庫(kù)數(shù)量多而分散，大多處于雷區(qū)，結(jié)合水雨情遙測(cè)系統(tǒng)的雷擊破壞特點(diǎn)及破壞概率，采用一體化設(shè)計(jì)。以法拉第籠原理和等位體原理為理論基礎(chǔ)，設(shè)備高度集成，并將電子設(shè)備和直擊雷防護(hù)系統(tǒng)之間進(jìn)行絕緣隔離，避免直擊雷對(duì)設(shè)備的損壞。

3.4 基于云平臺(tái)的海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理技術(shù)

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端采集的信息包括：水位、雨量、溫度格式化信息和圖片、視頻圖片等非格式化數(shù)據(jù)。一般情況下設(shè)定為每隔15 min，各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)同時(shí)向云中心發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)還可根據(jù)情況對(duì)監(jiān)測(cè)密度進(jìn)行定制，尤其是汛期，可對(duì)某些危險(xiǎn)度較高的水利工程設(shè)定監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間加密至5 min等，另外還可人工進(jìn)行召測(cè)。隨著水利工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的推廣，終端數(shù)量不斷增加，傳輸處理的數(shù)據(jù)信息具有規(guī)模大、傳輸頻繁、突發(fā)、并發(fā)等特點(diǎn)。為了確保系統(tǒng)安全、可靠、高效，在以下環(huán)節(jié)提高并發(fā)處理的性能：

(1)在傳輸協(xié)議上，采用單包校驗(yàn)、包排序等數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)技術(shù)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)在接收環(huán)節(jié)上，采用多變量自適應(yīng)線程池技術(shù)[3]、高可靠性分布式接收處理技術(shù)以及云服務(wù)部署，將基礎(chǔ)設(shè)施資源(計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)帶寬等)進(jìn)行虛擬化和池化管理，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配、回收和再分配，提高資源利用率，提高并發(fā)處理的時(shí)效和可靠性。

(3)在I/O讀寫(xiě)環(huán)節(jié)上，為解決大量非結(jié)構(gòu)化文件存儲(chǔ)和訪問(wèn)的問(wèn)題，針對(duì)水利工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中圖像文件多且小的特點(diǎn)，我們研究了基于云平臺(tái)的分布式文件系統(tǒng)，它將大量小文件拼接然后再分割存儲(chǔ)，大大提高了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)訪問(wèn)效率。

基于云平臺(tái)的分布式文件系統(tǒng)針對(duì)小文件和大文件實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的分布式存儲(chǔ)，不過(guò)其底層實(shí)現(xiàn)是有所不同的。

對(duì)于大文件，通過(guò)將大文件切割成塊，然后將各個(gè)塊分別存儲(chǔ)到集群的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并將文件的信息和文件切割成塊的信息(包括塊的位置等)等記錄起來(lái)，保存在元數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)要讀取時(shí)可以通過(guò)元數(shù)據(jù)文件中的索引信息讀取指定文件[4]。

而對(duì)于小文件，其實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜些。首先將海量小文件組織成二進(jìn)制流形式拼接成大文件，并為其建立索引表，然后分割存儲(chǔ)在不同的物理服務(wù)器，提高文件存儲(chǔ)效率。每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都有多份備份，讀取數(shù)據(jù)時(shí)可同時(shí)從不同的服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù)，提高I/O效率。

本系統(tǒng)使用的云環(huán)境：CPU總核數(shù)為16核，64 GB內(nèi)存，WINDOWS系統(tǒng)盤(pán)100 GB，數(shù)據(jù)盤(pán)4TB，帶寬50 Mbps。

3.5 小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)

本設(shè)計(jì)基于3D GIS以及各種軟件技術(shù)，研發(fā)了水利工程動(dòng)態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度排序、分級(jí)短信預(yù)警、降雨量特征分析、洪水預(yù)報(bào)、潰壩仿真[5]等功能，并實(shí)現(xiàn)了兼容iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的移動(dòng)終端動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，為水利工程管理部門(mén)提供了準(zhǔn)確、及時(shí)、動(dòng)態(tài)的預(yù)警分析和決策支持服務(wù)。其中采用的主要技術(shù)有：

(1)云平臺(tái)的資源動(dòng)態(tài)伸縮及管理技術(shù)：針對(duì)小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行云平臺(tái)部署，通過(guò)負(fù)載均衡與虛擬機(jī)遷移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)伸縮、動(dòng)態(tài)負(fù)載，提高資源利用率和系統(tǒng)可靠性。

(2)小型水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)：針對(duì)小型水庫(kù)的防洪特點(diǎn)[6]，利用聲波雨量計(jì)和聲波水位計(jì)測(cè)量的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)，基于DEM自動(dòng)提取水庫(kù)流域信息，建立了多種水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模型，根據(jù)水庫(kù)所在地區(qū)的產(chǎn)匯流特點(diǎn)自動(dòng)選擇相應(yīng)的洪水預(yù)報(bào)模型，模型參數(shù)根據(jù)洪水資料自動(dòng)優(yōu)化率定，再配合實(shí)時(shí)校正模型進(jìn)行水庫(kù)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

(3)動(dòng)態(tài)監(jiān)管及預(yù)警技術(shù)：根據(jù)工程實(shí)時(shí)水雨情，計(jì)算其危險(xiǎn)度，按照危險(xiǎn)度自高至低的順序?qū)⒐こ踢M(jìn)行排序顯示，對(duì)于超汛限工程，以紅色柱狀標(biāo)示其危險(xiǎn)程度，并根據(jù)實(shí)時(shí)信息的變化動(dòng)態(tài)計(jì)算更新。

(4)3D GIS及潰壩仿真技術(shù)：采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)(OOP)、插件式平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端金字塔三維數(shù)據(jù)引擎和客戶(hù)端高速緩存技術(shù)，研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)全球海量空間數(shù)據(jù)無(wú)縫組織、管理、可視化與仿真的3D GIS平臺(tái)。在此平臺(tái)之上集成了二維潰壩洪水演進(jìn)模型[5,7]，實(shí)現(xiàn)了潰壩洪水演進(jìn)模擬及三維場(chǎng)景展示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

通過(guò)集成上述關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)并建設(shè)了湖北省小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)(如圖2～圖4所示)。該系統(tǒng)是一套由信息采集傳輸系統(tǒng)、多線程接收系統(tǒng)以及小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成的低成本小型水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管整體解決方案。系統(tǒng)的主要功能是智能化地采集水庫(kù)的水情、雨情和實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖像(視頻)等信息，經(jīng)加密后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信(GPRS)[8]網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，由多線程接收處理軟件進(jìn)行接收、解密、校驗(yàn)后，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，最后由基于GIS的水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管及預(yù)警系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行管理并提供預(yù)警、信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析等服務(wù)。

圖2 小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)成

通過(guò)云平臺(tái)，可以獲取所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水雨情實(shí)時(shí)信息、水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)圖片、預(yù)警信息(超汛限告警、超大雨量預(yù)警、死水位告警等)。

截至2016年6月，湖北省已在2 484座小型水庫(kù)建有聲波式水位雨量遙測(cè)站，遍布全省襄陽(yáng)、宜昌、隨州、孝感、黃石、十堰、天門(mén)和恩施等市。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)2 484座小型水庫(kù)的安裝運(yùn)行，小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用效果得到了廣泛認(rèn)可。系統(tǒng)整體可用性達(dá)到了99%以上，彈性可擴(kuò)展的云存儲(chǔ)和信息管理能力達(dá)到了1.8 TB。實(shí)踐證明湖北省小型水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單方便、軟件界面直觀形象，可向各級(jí)管理部門(mén)及時(shí)提供水庫(kù)水位、雨量、現(xiàn)場(chǎng)圖片等綜合信息，為防汛抗旱、水資源管理及水利工程管理等提供有效技術(shù)支持，聲波式水位雨量自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在小型水庫(kù)中具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖3 湖北省小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息界面

圖4 湖北省小型水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布及告警界面

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