中小型水库信息化管理新模式探析

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摘要:针对中国中小型水库信息化管理普遍存在的信息感知不透彻、数据处理不及时、应用服务不全面等现实问题，结合中小型水库信息化管理特点及各级用户业务需求，提出了基于边缘计算的中小型水库信息化管理新模式。从感知终端、边缘网关、数据通信、数据库及云平台、应用服务5个方面进行了详细研究和设计，并以湖北省陆水水库为试点构建了水库大坝信息化管理系统。结果表明:该系统应用情况良好，可适用于中小型水库信息化管理，有助于提高中小型水库安全监管能力。

关键词:中小型水库;信息化管理;边缘计算;云平台;陆水水库

0引言

目前，中国有各类水库大坝9．8万余座，其中中小型水库占比99．3%［1］，且大多建于20世纪50～70年代。由于受当时历史政治环境影响及经济技术条件限制，这些水库设计标准低、施工质量差，经过多年运行，大多存在着不同程度的病险问题，一旦失事将造成不可估量的社会及经济损失，因此加强中小型水库监管刻不容缓。在“补短板、强监管”的水利大背景下，中小型水库单一性的被动管理理念仍然普遍存在，同时中小型水库由于规模小、基础设施薄弱，并且以人工管理为主，方式落后、效率低下，不利于中小型水库日常运行管理维护，亦不利于行政主管部门的监督管理。加强中小型水库大坝信息化管理建设，可以实现立体化监测、精准化管理、规范化监督以及智能化决策，对于其安全稳定运行意义重大。基于此，本文结合中小型水库信息化管理特点及各级用户业务需求，提出了基于边缘计算的中小型水库信息化管理新模式，并以陆水水库为试点构建了水库大坝信息化管理系统。

1中小型水库信息化管理现状

1．1信息化管理实践

2003年《全国水利信息化规划》把水利工程管理作为水利信息化建设的重要组成部分;2011年中央一号文件及水利信息化发展“十一五”“十二五”和“十三五”规划均提出推进水利信息化建设，提高水利工程管理信息化水平;2019年全国水利工作会议提出“工程补短板、行业强监管”，明确指出水利工程信息化短板，并强调以点多面广的中小型水库为重点，加大对工程安全规范运行的监管;2020年全国水利工作会议再次提出聚焦水利信息化短板，加强中小型水库运行监管，并启动水利部综合监管平台建设。在中央政策的引导和促进下，各流域管理机构及地方各级人民政府水行政主管部门纷纷响应，制定相应方针政策。如长江水利委员会开展了以“数字长江”“智慧长江”为总体发展目标的信息化顶层设计［2］;广东省发布水利信息化“四统一”纲要，提出加强水利信息采集，建成大、中、小1型水库水雨工情采集网［3］。当前中小型水库管理信息化系统建设主要从两方面开展:①单一水库大坝安全监测自动化与信息管理系统;②水库群大坝安全运行监督管理系统［4］。单一水库管理系统布置于少部分中小型水库，主要包括安全监测信息管理、水雨情信息管理、综合信息管理、安全分析与预警等子系统建设;水库群管理系统在水库现地布置相关信息化设施，并在省市级水行政主管部门建有云平台及数据库，如广东省组织各地开展小型水库动态监管系统建设［3］，湖北省全面推进省内小型水库水雨情自动测报系统项目建设［5］。目前中小型水库管理信息化建设采用的技术主要有电子测量、遥感［6］、地理信息系统(GIS)［7］、全球导航卫星系统(GNSS)［8］、计算机网络、自动控制、数据库等，近年来物联网、云计算、大数据、人工智能等新技术也逐渐受到青睐。

1．2信息化管理存在的问题

目前中小型水库信息化管理存在的问题主要有:(1)信息感知不透彻。根据统计，目前只有少部分中小型水库实现了水雨情自动化监测，很多偏远地区中小型水库甚至连基本的监测设施都未布置［9］，感知覆盖范围和要素内容不全面。另外，现有的感知手段还很落后，AI摄像头、新型传感设备、无人机等新技术很少应用于中小型水库;很多偏远地区中小型水库通信覆盖不全、带宽不足、通信基础薄弱。(2)互联互通不广泛。部分中小型水库已建信息化工程还处在分专业、单机管理状态，缺乏多源信息有效融合，从而导致信息孤岛，各套系统彼此独立工作、联动性不强。另外，各地开发的管理平台不统一，难以实现不同地区不同部门之间平台的互联互通，不利于多层级协同管理。(3)数据处理不及时。大部分中小型水库大坝安全监测资料无法及时分析处理，工程安全运行状态的实时评价难以实现，特别是大洪水、暴雨等极端条件下的大坝变形及渗流实时安全预警实现困难。(4)系统运维不理想。对于建有信息化系统的中小型水库，由于缺乏资金及专业技术人员的支持，系统运维困难，不能实现全局性的高效、高水平、易维护的信息管理与应用，监管作用低于预期。(5)应用服务不全面。目前水库大坝的信息推送与发布对象局限于水利部门，生态环境、应急管理、农业农村等相关部门的应用服务不全面，同时缺少智能便捷的公共服务，不能实现信息化管理平台应用服务的泛在化。

1．3信息化管理发展趋势

水库大坝安全智慧管理的重要特征包括透彻感知、全面互联、深度融合、广泛共享、智能应用、泛在服务等［10］，未来中小型水库大坝信息化管理必将运用智能传感器、视频AI、无人机等新技术，通过全方位、全指标的监测，实现更透彻的信息感知;以光纤、微波等传统通信技术为支撑，运用物联网、移动互联网、卫星通信等现代通信技术，实现水库大坝和各级平台间更广泛的互联互通;基于大数据、云计算及边缘计算，实现数据和业务的深度整合;利用人工智能、虚拟现实、BIM、GIS等新技术，实现泛在化的智能应用及服务。

2中小型水库信息化管理特点及用户需求

2．1中小型水库信息化管理特点

适用于中小型水库信息化管理的系统需要具备以下特点:①稳定性。大部分中小型水库处于偏远地区，无人值守或者管理人员水平有限，信息化管理系统运行需要保证高稳定性，减少故障时间。②成本可控。中小型水库管理单位经费有限，其信息化管理必须具有集约化、高性价比的特点。③主动性。将传统被动式监管转变为主动式监管，系统可根据判断的异常情况分级预警并推送给相应部门及相关责任人。④易用性。中小型水库管理缺少专业技术人员，信息化管理手段必须具有简单易用、少人工干预的特点，配套的软件界面友好、简洁直观。⑤实时性。目前从监测数据采集到分析处理存在一定程度时延，要确保应急条件下第一时间获取水库大坝安全状况并推送预警信息，以对异常和险情做出快速响应。

2．2用户需求分析

当前中国治水主要矛盾已经转为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足之间的矛盾［11］，中小型水库信息化管理在满足必要的工程安全需求前提下，更要关注水资源水生态水环境方面的需求。中小型水库信息化管理系统面向的对象及主要需求包括:(1)各级水行政主管部门。对于流域机构、省级、市县级水行政主管部门，其主要负责行政区域内中小型水库行政管理，由于中小型水库数量多、分布广，需要通过信息化管理系统实现辖区内所有中小型水库的统一管理。(2)各级相关主管部门。国务院机构调整后的职责变化带来了需求变化，流域水环境保护职责由生态环境部负责，水旱灾害防治、防汛抗旱总指挥部划归应急管理部，渔业监督管理由农业农村部负责，因此与中小型水库管理相关的水环境、防汛抗旱以及渔业养殖等信息也需要通过信息化管理系统推送给各级相关主管部门。(3)水库管理单位及现场管理人员。水库管理单位及相关人员需全面掌握水库大坝运行状态，信息化管理系统除了能提供必要的水雨情信息以及渗流、变形等安全监测信息外，还需要能通过现地实时计算分析提供应急条件下异常信息提醒，通过监测信息实时分析自动生成监测报告以免去繁杂的专业化人工操作，同时可利用视频AI分析实现水库智能化管理。(4)水库周边群众。对于周边群众而言，需要掌握水库大坝结构安全状况，在应急条件下能及时获取预警通知;能了解水库水资源、水环境、水生态现状，以保证用水、灌溉及养殖安全。

3中小型水库信息化管理新模式

结合目前中小型水库信息化管理存在的问题及相关部门、人员需求分析，亟需提出适用于中小型水库信息化管理的新模式。

3．1基于边缘计算的水库管理新模式

边缘计算作为在网络边缘执行计算的新型计算模式，可以有效解决目前中小型水库信息化管理中存在的信息感知不透彻、数据处理不及时等问题，基于边缘计算的中小型水库信息化管理系统包含以下部分:(1)感知终端。对于中小型水库大坝，除了需布置水雨情监测设施外，还包括必要的渗流、变形等安全监测设施以及用于日常管理、水环境水生态监控的AI摄像头。(2)边缘网关。边缘网关是整个系统的核心设备。一方面，边缘网关接收、处理和转发来自于感知终端的有效数据，并且提供一定的存储、计算和决策能力。另一方面，边缘网关与云平台数据进行交互，将优化后的必要数据上传至云端，并接收云平台下发的计算规则及预警模型，实现现地数据实时预测预警。(3)数据通信。基于边缘计算的中小型水库信息化管理系统的数据通信分为2个阶段。第1阶段，数据通过LoRa、NB－IoT、ZigBee等无线通信技术从感知终端传输到边缘网关;第2阶段，边缘网关连接到互联网，通过互联网传输数据到云平台。第2阶段数据通信时，对于移动通信稳定地区，可直接通过4G/5G基站进行数据传输，为了保证数据私密性，通过VPN拨号，实现数据从公网网络链路接入VPN服务器;对于移动通信不稳定的偏远地区，可采用北斗短报文进行数据通信。(4)数据库及云平台。中心数据库及云平台部署在流域机构或省市级水行政主管部门。中心数据库用于存储辖区内中小型水库上传数据并实现数据的全面整合与共享。云平台基于B/S架构搭建，实现对辖区内中小型水库的统一协调管理，主要功能包括VPN通道管理和服务、规则及模型计算并下发、水库基本信息管理、监测信息管理及报告自动生成等。(5)应用服务。该系统采集的数据主要包括水雨情、渗流、表面变形以及视频数据，结合采集的数据进行优化、计算、分析，可提供的应用服务主要包括:①水雨情监测预警。系统将水库水雨情信息分级推送给管理人员、水库所有者、各级水行政主管部门防汛办、应急管理部、各级人民政府以及下游群众。②安全监测预警。系统将渗流及表面变形预警信息推送给管理人员、水库所有者、水行政主管部门工程管理处，资料整编及自动生成的报告推送给水库所有者。③视频监控报警。系统将浅水区坝体渗漏引起的水面漩涡视频、监测信息推送给管理人员、水库所有者、水行政主管部门工程管理处;将水面漂浮物信息推送给管理人员、水库所有者、湖长及物业委托单位;将水面蓝藻监测信息推送给管理人员、水库所有者、湖长、供水部门、环保部门及供水范围内群众。

3．2工程应用实践

本文以陆水水库作为研究对象，开展基于边缘计算的水库大坝信息化管理试点应用。陆水水库位于长江中游南岸一级支流———陆水干流山谷出口处，主坝坝址坐落在湖北省赤壁市城区南端。水库现场部署水位计、气温计、雨量计、渗压计、流量计以及AI摄像头(见图1)，其中，AI摄像头自带边缘计算能力，可直接通过移动通信将视频片段上传云端，其他各传感器通过RS485串口线或LoRa无线通信接入边缘网关。私有云服务器部署在国家大坝安全工程技术研究中心，云平台内容可通过Web端进行实时查看。云平台设置水雨情预警规则，并根据历史数据计算土石坝渗压及渗流量预警模型，同时建立用于近坝库区水面漩涡、蓝藻及漂浮物等识别的机器学习模型，相关规则及模型下发到水库现场边缘网关及AI摄像头，实现现地监测预警。边缘网关根据采集的环境数据及下发的预测模型，每天早上9:00进行效应量数据预测，并将实测渗压及渗流量与相应预测值进行比较，通过邮件、短信的形式发送预警信息;坝前水面漩涡检测模型经海康威视AI开放平台下发到网络摄像机，摄像机进行实时拍摄及图像检测，并将检测结果在平台上实时展示。根据现场模拟实测，水库上游水位、坝身渗压、坝脚渗流量超限预警以及上游库区漩涡报警均能顺利实现，可通过短信及邮件给相关人员推送服务信息。

4结语

本文梳理了中小型水库信息化管理应用实践情况，分析总结了目前中小型水库信息化管理存在的问题及未来发展趋势，结合中小型水库信息化管理特点及各级用户业务需求，提出了基于边缘计算的中小型水库信息化管理新模式，并在陆水水库进行了试点应用。研究成果适用于中小型水库群统一协调管理，有助于提高中小型水库安全监管能力，并可节约开支、提高预警响应速度，具有很高的实用价值。

作者:李麒 杨光 张玉炳 吴波 桂鹏 单位:长江勘测规划设计研究有限责任公司 国家大坝安全工程技术研究中心 中国移动通信集团湖北有限公司