郝澤嘉，姜云輝，聶鼎

（1.南水北調(diào)中線干線工程管理局，100038，北京；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)是獲取南水北調(diào)工程工作性態(tài)的有效手段，對(duì)于保障南水北調(diào)中線工程的正常運(yùn)行具有重要意義。

在安全監(jiān)測(cè)學(xué)科范疇，長(zhǎng)距離調(diào)水工程具有建筑物類型多、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多以及測(cè)量數(shù)量多等特點(diǎn)，產(chǎn)生海量多源安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，亟須配套建設(shè)包含信息采集、整編計(jì)算與分析統(tǒng)計(jì)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行支撐。據(jù)調(diào)研，我國(guó)在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方面已經(jīng)取得了一定成果，引調(diào)水工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)雖然起步較晚，但也具有一定的基礎(chǔ)。目前，隨著軟件信息技術(shù)與信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，采用 B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)建設(shè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合地理信息技術(shù)（GIS）、BIM技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，可以充分提升安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“高效、精準(zhǔn)、直觀”等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)信息化技術(shù)手段帶動(dòng)安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)全面提升。

本研究基于南水北調(diào)中線工程的安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)深度剖析，充分考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等安全監(jiān)測(cè)日常重點(diǎn)工作，研究設(shè)計(jì)適用于南水北調(diào)中線工程的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。通過(guò)SOA服務(wù)體系、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離、數(shù)據(jù)緩存與負(fù)載均衡等手段，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行；引入大數(shù)據(jù)平臺(tái)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，提高系統(tǒng)的智能化水平，為南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)工作提供全面支撐。

一、軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)選型研究

隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和瀏覽器技術(shù)水平的提升，越來(lái)越多的信息系統(tǒng)軟件從傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)向便捷的B/S結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶使用瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)原有復(fù)雜專用軟件的各類功能，且提高了系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)的便捷性。通過(guò)B/S系統(tǒng)構(gòu)件的靈活更換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫升級(jí)，提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和重復(fù)利用性能。此外，由于應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)等項(xiàng)目集中在服務(wù)器端管理，有效降低系統(tǒng)安全性維護(hù)的難度和工作量。

近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些大壩安全監(jiān)測(cè)、水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)嘗試采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，并在實(shí)際工程中得到了較好的應(yīng)用。高學(xué)平等人針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，應(yīng)用B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。胡康等基于B/S模式開(kāi)發(fā)了梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，極大提高了梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的水平。郭江等采用B/S結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，將集中管理與分布應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了水電站大壩巡檢系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前信息化軟硬件發(fā)展水平和用戶使用行為習(xí)慣，基于B/S模式設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)行業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)，已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。雖然其響應(yīng)速度較C/S軟件結(jié)構(gòu)略有不及，但隨著前端技術(shù)例如AJAX技術(shù)、VUE.js框架等的快速發(fā)展，B/S結(jié)構(gòu)前端的加載速率已經(jīng)有了很大的提升，可以滿足用戶絕大部分操作的速度需求。綜上，基于對(duì)軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)選型的綜合分析結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)選型確定為B/S結(jié)構(gòu)。

二、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)研究

針對(duì)南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大以及全天候監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，需要考慮大數(shù)據(jù)量引發(fā)的系統(tǒng)消息阻塞問(wèn)題。因此基于系統(tǒng)的總體建設(shè)目的和應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)置緩存并在整體架構(gòu)層級(jí)中增加通信層，使軟件前后端徹底分離并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。系統(tǒng)總體架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖1所示。

①采集層：實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。南水北調(diào)中線工程安裝了大量不同類型的安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，包括溫度計(jì)、水位計(jì)、滲壓計(jì)、位移計(jì)、土壓力計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)等。其中，絕大部分內(nèi)觀監(jiān)測(cè)儀器接入布設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制單元（Measurement Controller Unit，MCU）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與傳輸；少部分內(nèi)觀監(jiān)測(cè)儀器和外部變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，由人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集后以統(tǒng)一的格式存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

②數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的分類、邏輯性關(guān)聯(lián)、編碼、存儲(chǔ)等功能。為了提高數(shù)據(jù)查詢效率和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、非結(jié)構(gòu)化文件類數(shù)據(jù)庫(kù)和日志數(shù)據(jù)庫(kù)等。

③組件層：各類組件為系統(tǒng)提供軟件開(kāi)發(fā)資源，向下連接數(shù)據(jù)層資源，向上通過(guò)通信層支撐應(yīng)用界面。在數(shù)據(jù)訪問(wèn)方面，由于系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)，首先采用Redis等存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)置緩存層，提高系統(tǒng)整體性能。通過(guò)異步消息隊(duì)列，降低各類業(yè)務(wù)請(qǐng)求的并發(fā)量、加速系統(tǒng)響應(yīng)。在業(yè)務(wù)邏輯方面，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)服務(wù)集群，實(shí)現(xiàn)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的物理量整編計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控預(yù)警、報(bào)表報(bào)告等業(yè)務(wù)功能。

④通信層：實(shí)現(xiàn)軟件前后端徹底分離和負(fù)載均衡。采用Nginx高性能反向代理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的負(fù)載均衡；采用TCP/HTTP/HTTPS 3種通信方式，實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信。

⑤展現(xiàn)層：實(shí)現(xiàn)用戶的請(qǐng)求接受，以及數(shù)據(jù)的返回，為用戶提供交互式的界面。目前除了基于各類瀏覽器的Web應(yīng)用界面，隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展和大屏終端展示需求，展現(xiàn)層還包含移動(dòng)APP和大屏終端界面。

圖1系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

三、系統(tǒng)重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.設(shè)計(jì)原則

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)是支撐南水北調(diào)中線工程安全運(yùn)行的重要信息系統(tǒng)，其安全性、可靠性需要放在首位進(jìn)行考慮，系統(tǒng)采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟件各層架構(gòu)間松耦合。數(shù)據(jù)同步方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)到緩存單向同步，確保系統(tǒng)安全可靠。對(duì)于日益增長(zhǎng)的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和不斷更新的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器，軟件在設(shè)計(jì)時(shí)還需充分考慮功能便于擴(kuò)展和易于維護(hù)等性能。目前，以人工智能為代表的新技術(shù)正不斷投產(chǎn)應(yīng)用，給行業(yè)用戶帶來(lái)了諸多便利。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中可考慮應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)粗差、監(jiān)測(cè)異常的判斷和預(yù)警，為用戶提供易用性便利。

2.系統(tǒng)功能需求分析

遵循 《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551—2012）和《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）等標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合工程實(shí)踐調(diào)研成果，充分挖掘南水北調(diào)中線工程維護(hù)管理人員的日常安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)工作需求。南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：全線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，建筑物狀態(tài)、儀器設(shè)備監(jiān)控，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入和粗差判別、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)、異常報(bào)警、報(bào)表報(bào)告編撰和其他輔助類工具功能。

3.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

對(duì)于處于運(yùn)行管理階段的南水北調(diào)中線工程，監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備一般情況下不會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)；日常采集的安全監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析計(jì)算、異常報(bào)警、統(tǒng)計(jì)模型等數(shù)據(jù)，其特性上會(huì)有較多的讀寫操作。因此數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)根據(jù)上述兩部分內(nèi)容區(qū)分為靜態(tài)類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。為進(jìn)一步確保系統(tǒng)性能，采用 Oracle RAC（real application clusters）數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)應(yīng)用集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

4.組件層設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在組件層中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)層與業(yè)務(wù)服務(wù)組件的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層方面，為提高程序性能，在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上增加redis緩存層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的持久化，增加各類數(shù)據(jù)接口，把原本需要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行的操作，簡(jiǎn)化為對(duì)類和方法函數(shù)的調(diào)用，降低業(yè)務(wù)服務(wù)組件和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的耦合度，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。數(shù)據(jù)同步方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)到redis單向同步，有效保證數(shù)據(jù)的安全性。在業(yè)務(wù)服務(wù)組件方面，包括安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)功能類組件，例如數(shù)據(jù)導(dǎo)入、在線監(jiān)控、整編計(jì)算、粗差判別、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表報(bào)告、全文檢索等，還包括公共服務(wù)類組件，如統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一日志管理、算法倉(cāng)庫(kù)、GIS地圖服務(wù)等。對(duì)所設(shè)計(jì)的各類組件進(jìn)行有效管理和充分利用，可提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率和維護(hù)速度，也便于系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展。

5.展現(xiàn)層設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

展現(xiàn)層直接與用戶實(shí)現(xiàn)交互，涉及用戶對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)了解、多元化展示技術(shù)、安全性問(wèn)題等內(nèi)容。系統(tǒng)展現(xiàn)層基于Bootstrap進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有較好的自適應(yīng)性，用戶通過(guò)IE、Google、Firefox等主流瀏覽器均可以實(shí)現(xiàn)兼容訪問(wèn)。在監(jiān)測(cè)結(jié)果掌控方面，對(duì)于儀器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的功能，通過(guò)Jason數(shù)據(jù)和ajax動(dòng)態(tài)表格加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新，極大程度提高訪問(wèn)速度；在安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多元化展示方面，除了基于Highcharts工具進(jìn)行多元化圖形繪制展示外，進(jìn)一步結(jié)合用戶實(shí)際需要，開(kāi)展各類分析、統(tǒng)計(jì)圖形的二次開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)還引入工程三維BIM（Building Information Modeling）模型以及GIS信息系統(tǒng)，更直觀、便捷地為管理者提供數(shù)據(jù)信息的展示和查詢，方便根據(jù)位置信息實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策響應(yīng)。其他功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的MD5加密方法，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中根據(jù)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙向加密，確保用戶通過(guò)Web瀏覽器、APP客戶端、大屏幕訪問(wèn)系統(tǒng)的安全性。

6.安全性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)依據(jù)《網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》（GB/T 22239—2019）國(guó)家規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮了系統(tǒng)部署有關(guān)的安全物理環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、安全計(jì)算環(huán)境，以及系統(tǒng)本身保密性、完整性、漏洞檢測(cè)評(píng)估、可用性、抗毀性以及防病毒入侵能力，使系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)二級(jí)要求。

7.安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析專項(xiàng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的粗差判別、監(jiān)測(cè)異常報(bào)警功能是工程安全分析、應(yīng)急處理的基礎(chǔ)，是南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。本系統(tǒng)擬將已有的正確粗差判別和報(bào)警結(jié)果作為樣本，基于深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)開(kāi)展訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)智能化粗差判別和報(bào)警，可以提高粗差判別、報(bào)警的準(zhǔn)確率，也可降低系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)載。

四、結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)信息化的方式有力保障了工程運(yùn)行安全，具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著國(guó)內(nèi)調(diào)水工程全面建設(shè)運(yùn)行以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于B/S結(jié)構(gòu)的調(diào)水工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。