安 覓，李 瑤

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012)

1 背景

據(jù)《2020年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，我國(guó)已建成各類水庫(kù)98566座，總庫(kù)容9306億m3[1]，水庫(kù)的安全運(yùn)行管理不僅關(guān)系到水資源優(yōu)化配置更緊系下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。經(jīng)過幾十年的實(shí)踐，我國(guó)水庫(kù)的管理模式逐步從粗放模式向精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變，基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)設(shè)施從完成電量轉(zhuǎn)換發(fā)展到完成光信號(hào)轉(zhuǎn)換，點(diǎn)監(jiān)測(cè)完成向線、面監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換，管理策略和方式方法由依賴人工向智能化、信息化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變。通過建立大壩安全體系責(zé)任制，強(qiáng)化大壩安全管理模式更新、升級(jí)，我國(guó)水庫(kù)安全運(yùn)行狀態(tài)已明顯改善[2]，但目前仍存在大量超期服役水庫(kù)和大壩，它們普遍存在基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善、自動(dòng)化程度待提高、更多地依賴于人工觀測(cè)、缺少統(tǒng)一的信息化管理平臺(tái)等，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩安全運(yùn)行狀況，欠缺預(yù)警預(yù)報(bào)功能，因此，開發(fā)建設(shè)水庫(kù)信息化系統(tǒng)具有十分重要的意義[3]。

本文依托于錦江水庫(kù)，建設(shè)符合該水庫(kù)安全運(yùn)行需求的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于原大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)于2009年，大部分設(shè)備已經(jīng)老化，屬于超期運(yùn)行狀態(tài)，各系統(tǒng)運(yùn)行不正常，監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法采集和接收的現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)實(shí)時(shí)水位、異常氣象預(yù)警、綜合統(tǒng)計(jì)、大壩監(jiān)測(cè)與模型統(tǒng)計(jì)等信息的自動(dòng)采集，因此，通過建設(shè)信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)大壩安全運(yùn)行狀態(tài)。

本文基于三維建模以及信息融合，充分利用WebGis技術(shù)，將信息化基礎(chǔ)設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集融合構(gòu)建錦江水庫(kù)統(tǒng)一信息化平臺(tái)，為水庫(kù)的防洪、大壩安全監(jiān)測(cè)以及推動(dòng)水庫(kù)管理智能化、現(xiàn)代化提供全新的綜合管理模式[4]。

2 安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)

2.1 總體架構(gòu)

平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示，主要分為感知層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、展示層及基礎(chǔ)平臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩全量數(shù)據(jù)采集，促進(jìn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合，消除數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及上層數(shù)據(jù)分析、三維可視化等高級(jí)應(yīng)用[5]。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

2.2 應(yīng)用架構(gòu)

本文研究建設(shè)的大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)是在調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各區(qū)非工程措施建設(shè)現(xiàn)狀，建設(shè)完善自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)等內(nèi)容。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)和開發(fā)，軟件總體采用B/S模式，并結(jié)合C/S模式進(jìn)行開發(fā)，基于WebGis技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖形的空間監(jiān)視和資料查詢，依托水質(zhì)監(jiān)測(cè)、相關(guān)資料查詢及信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用系統(tǒng)組成，主要包括信息匯集和信息服務(wù)。為了系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)清晰，重點(diǎn)突出，簡(jiǎn)潔明了，確保用戶操作快捷方便，信息安全可靠，現(xiàn)將業(yè)務(wù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理進(jìn)行分離，分為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)。另外，在系統(tǒng)架構(gòu)方面將數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)功能進(jìn)行分層架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、接口服務(wù)和業(yè)務(wù)處理的多層架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理。如圖2所示。

圖2 應(yīng)用架構(gòu)

3 技術(shù)路線

3.1 三維建模

本文采用無人機(jī)傾斜攝影對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行三維建模，基于物理模型、地理信息，運(yùn)用影像匹配、彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，對(duì)水庫(kù)基礎(chǔ)建筑物比如大壩、溢洪道、閘門等進(jìn)行三維實(shí)景建模，建設(shè)壩上、尾水、岑洞、黃角、陣灣、三甲、牛朗、竹洞等站點(diǎn)信息，為構(gòu)建可視化平臺(tái)提供數(shù)據(jù)底板。通過三維數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸和解析，提供基礎(chǔ)三維場(chǎng)景和三維數(shù)據(jù)的互操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。使監(jiān)測(cè)信息更直觀便捷的展示出來、實(shí)現(xiàn)故障定位，減少故障查找與各系統(tǒng)切換對(duì)比的時(shí)間，使得水庫(kù)大壩管理精益化[6]。

3.2 數(shù)據(jù)訪問接口標(biāo)準(zhǔn)化

為降低上層業(yè)務(wù)應(yīng)用間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，提高數(shù)據(jù)利用率，平臺(tái)構(gòu)建了統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座，并提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)訪問接口。標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口適用于讀取底層傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)及視頻訪問接口。

以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)使用redis緩存，交互時(shí)采用JSON格式定義，業(yè)務(wù)應(yīng)用與平臺(tái)約定存儲(chǔ)鍵名。平臺(tái)采用lpush方法從左側(cè)寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)應(yīng)用使用rpop方法，讀取指定鍵的消息內(nèi)容，同步獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。REDIS隊(duì)列的鍵命名為：傳感類型：數(shù)據(jù)類型：測(cè)點(diǎn)編號(hào)，字段說明見表1。

表1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式

3.3 數(shù)據(jù)可視化

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)依托三維精細(xì)化建模，將三維模型與水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)合，基于模型ID與信號(hào)ID的唯一性，將水庫(kù)設(shè)備、信息、重點(diǎn)工程等多尺度對(duì)象的數(shù)字映射，實(shí)現(xiàn)二三維一體化沉浸式交互。傳統(tǒng)信息化一張圖的升級(jí)，全面展示綜合運(yùn)行狀態(tài)。在三維模型中對(duì)工程安全、水雨情監(jiān)測(cè)、大壩的滲流、滲漏項(xiàng)目的實(shí)時(shí)測(cè)值相關(guān)設(shè)備進(jìn)行定位，并將其坐標(biāo)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在三維模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定映射，自動(dòng)查找該測(cè)點(diǎn)所屬對(duì)應(yīng)的三維模型，并調(diào)用該模型的高亮動(dòng)畫效果。三維界面自動(dòng)對(duì)焦到該設(shè)備模型，并在右側(cè)顯示詳細(xì)告警信息，精確定位信息來源[7]。

3.4 數(shù)據(jù)可靠性處理

3.4.1線程同步機(jī)制

每個(gè)水庫(kù)大壩往往同時(shí)接入多個(gè)通訊終端數(shù)據(jù)，在突發(fā)異常情況下數(shù)據(jù)量突增，需要平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理具有高并發(fā)和同步能力[8]。平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集采用多線程處理。假設(shè)線程A取決于線程B的條件。線程A獲得對(duì)共享區(qū)域的互斥訪問，并確定條件是否滿足。如果條件不滿足，則調(diào)用wait方法以等待條件得到滿足。當(dāng)條件準(zhǔn)備好時(shí)，線程A將被線程B發(fā)送的信號(hào)喚醒。避免對(duì)平臺(tái)共享資源的同時(shí)讀寫造成異常。

3.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)高可用

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用可擴(kuò)展的分布式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用多臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷，有較高的可靠性、可用性和存取效率，且易于擴(kuò)展。平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用mysql高可用集群方案，通過haproxy應(yīng)用代理實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)均衡、mycat實(shí)現(xiàn)讀寫分離、mysql主機(jī)實(shí)現(xiàn)雙主雙從設(shè)置并自動(dòng)同步，保障數(shù)據(jù)安全及備份。

HAProxy負(fù)責(zé)將請(qǐng)求分發(fā)到mycat上，起到負(fù)載均衡的作用，同時(shí)HAProxy也能通過xinetd服務(wù)檢測(cè)到mycat是否存活，HAProxy只會(huì)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到存活的mycat上。如圖3所示，master-主1及master-主2互為主備，且雙主機(jī)各有1臺(tái)從機(jī)用來同步主機(jī)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用訪問時(shí)，通過mycat設(shè)置讀寫分離，僅在主機(jī)上寫操作，從機(jī)上進(jìn)行讀操作。

圖3 mysql高可用集群

4 運(yùn)行分析

4.1 雪崩測(cè)試

為測(cè)試數(shù)據(jù)上送并發(fā)性能，搭建測(cè)試環(huán)境：1臺(tái)CAN仿真裝置用于模擬100臺(tái)傳感裝置，每臺(tái)挑2個(gè)模擬量，總計(jì)200個(gè)，間隔500ms，連續(xù)變化20次，總計(jì)4000個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)配置1個(gè)數(shù)據(jù)接收通道，觀察變化數(shù)據(jù)接收情況。1套水庫(kù)大壩三維可視化安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)全域數(shù)據(jù)采集，同時(shí)配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給仿真。在雪崩數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)，使用sar-u命令對(duì)平臺(tái)服務(wù)器CPU負(fù)荷進(jìn)行采樣[9]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 雪崩時(shí)平臺(tái)服務(wù)器CPU負(fù)載

通過以上測(cè)試方法，觀測(cè)到模擬量數(shù)據(jù)緩存超過4000點(diǎn)。連續(xù)測(cè)試超過50次，尚未出現(xiàn)瞬時(shí)雪崩丟數(shù)據(jù)情況。且雪崩時(shí)CPU負(fù)荷不超過50%。穩(wěn)定可靠，完全滿足水庫(kù)大壩安全運(yùn)維需求。

4.2 存儲(chǔ)可靠性測(cè)試

使用sysbench1.0.20對(duì)單臺(tái)MySQL主機(jī)和MySQL高可靠負(fù)載均衡集群進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比。考慮網(wǎng)絡(luò)影響，將sysbench運(yùn)行服務(wù)器單獨(dú)掛接在網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)試模式統(tǒng)一為complex，表數(shù)量為20，每張表數(shù)據(jù)50萬條，執(zhí)行時(shí)間為600s。經(jīng)過集群性能調(diào)優(yōu)后，改變并發(fā)連接數(shù)測(cè)試對(duì)比見表2。

表2 存儲(chǔ)可靠性測(cè)試

對(duì)比表2測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)單獨(dú)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)及集群代理，隨著并發(fā)訪問的增加，查詢數(shù)及事務(wù)數(shù)并無明顯變化，但平均響應(yīng)時(shí)間逐漸增大，在大規(guī)模并發(fā)訪問且同時(shí)修改數(shù)據(jù)情況下響應(yīng)會(huì)卡頓。對(duì)比haproxy主機(jī)與master-1主機(jī)發(fā)現(xiàn)使用集群代理后，數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫響應(yīng)延遲雖略有增加，但4臺(tái)主備機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，具有較高的安全可靠性，符合業(yè)務(wù)需求。

4.3 頁(yè)面刷新性能測(cè)試

通過仿真?zhèn)鞲袑訑?shù)據(jù)變化，在運(yùn)維監(jiān)測(cè)頁(yè)面查看數(shù)據(jù)變化，檢查頁(yè)面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，從仿真變化到頁(yè)面數(shù)據(jù)刷新的時(shí)間小于500ms。仿真數(shù)據(jù)變化并長(zhǎng)期運(yùn)行，數(shù)據(jù)查詢模塊中儀器按監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類，選擇日期后，查詢指定時(shí)間段內(nèi)歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與仿真一致且顯示正常。

5 結(jié)語

本文建設(shè)的水庫(kù)大壩三維可視化安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)已在錦江水庫(kù)成功部署應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了已建水雨情數(shù)據(jù)的接入，提供了大壩安全監(jiān)測(cè)、查詢報(bào)表、站點(diǎn)配置、系統(tǒng)設(shè)置、接口管理等功能，符合錦江水庫(kù)大壩安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)的要求，大大提升了水庫(kù)的信息化程度、智慧化水平，但是對(duì)比數(shù)字孿生大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)還存在差距，后續(xù)還待加強(qiáng)研究。