开放数据和描绘大坝安全趋势

美国·Florence Hsu，Theodore Thorson（1.华盛顿州生态部；2.西雅图电力公司；.华盛顿大学土木和环境工程学院）



开放数据和描绘大坝安全趋势

美国·Florence Hsu1.2，Theodore Thorson3
（1.华盛顿州生态部；2.西雅图电力公司；3.华盛顿大学土木和环境工程学院）

摘要：目前，受西雅图-普吉特海湾地区动态科技和创业文化的影响，通过“云技术”进行数据分享已成为趋势。这一趋势也为大坝安全工程师、大坝业主和当地的安全官员提供了新的机会，可实现便捷的信息共享和高效协同。“云技术”使社交媒体、众包、搜索引擎和线上金融业务等实现了高效的数据共享和数据处理。有了云架构的帮助，地理键控数据现在能应用于许多领域，包括工程领域。所有数据和软件都能便捷地使用地理地图工具（如谷歌地图和资源公开的公开街道地图）来形成图像地图界面，以帮助大坝安全工程师处理大坝安全趋势问题。

关键词：开放数据；大坝安全；趋势

0　引言

自20世纪60年代大坝成为基础设施以来，华盛顿州内大坝的风险因素在增加。除了传统的与预估未来天气荷载和大坝性能、确定人口趋势及下游风险有关的工程挑战以外，如今还面临着资助大坝安全监管项目和世代知识转移的连续计划等更重大的管理事宜。

1　华盛顿州的水电站和大坝

华盛顿州的人们能享受丰富多彩的生活方式以及经济方面的福利，大部分得益于该地区的山脉和河道系统。

南北向延伸的喀斯喀特山脉将华盛顿州的气候分为两部分：西部地区潮湿温暖，东部的农业区则更温暖、更干燥。山脉的地形条件也为多数水电站和大坝提供了理想场地。大多数水电站坐落于华盛顿州的峡谷内，如：贝克水电站和其上下大坝就建在著名滑雪区——贝克山附近。另外，从加拿大发源、经由华盛顿州和俄勒冈州边界注入太平洋的哥伦比亚河是该区域水电的主要来源，由联邦哥伦比亚河电力系统管辖。

鉴于太平洋西北地区的电力来源组合中水力发电占比较大，因此，华盛顿州的大坝和水力发电基础设施的管理和维护工作是重中之重。

2　技术

2.1基于微软和浏览器的数据库报告

迎接大坝和水电基础设施老化挑战的信息工具箱提供了许多高效且实惠的选择。

图1　华盛顿州内主要的大坝和水电站Fig.1 Major dam and hydropower projects in Washington state

但在大坝安全工程团体内部，报告通常都采用文字处理或电子表格工具的形式，既不利于高效的信息共享，也不利于数据的可视化。但是有一种良好的报告形式，可提供同样的信息分享、搜索和网络应用中的制图灵活性，而不需要网络服务器。

图2　太平洋西北地区的发电装机占比图Fig.2 Power generation capacity in the Pacific Northwest

图3　数据库驱动的大坝安全报告模板，开发成了在微软操作系统上可应用的HTML应用形式Fig.3 A database driven dam safety reporting template devel⁃oped as a HTMLapplication available on Microsoft operating systems

虽然客户端数据库驱动的应用目前在技术领域还是大新闻，移动设备已有功能强大的应用，可以在本地设备上储存数据，但微软操作系统从很多年前开始就已支持客户端的数据库应用。这些应用均采用VB脚本语言编写。为小型工程团体整合数据的大坝安全报告应用也可开发成微软HTML应用，其中HTML代表超文本结构语言。该应用可加入目录读取和文件搜索功能，并可加入Java和 JQuery的地图和制图功能。微软操作系统中的HT⁃ML应用采用HTA扩展名命名，HTA就代表着HT⁃ML应用。

应为大坝安全相关信息建立通用的数据库存储体系，组建小型至中型的工作组收集与工程和坝址相关的可用于在后续规划场景中分享和可转移的历史信息和详情。报告应用也可以建立一种统一的方法来预估监管组合中各大坝工程的淹没区域以及风险分类。综合的地图特征可提供下游与居民和其他障碍物相关的风险的当前信息，并附上河道和地形信息。

2.2谷歌地图、开放数据及开放街景地图

对大规模的工程组合而言，地图界面对大坝安全报告是非常有用的，对呈现与水电站和大坝相关的广泛的事件矩阵也非常有用。图4是一谷歌地图案例，可以点击和搜索，以显示太平洋西北地区主要的水电站和电力工程。

图4　太平洋西北地区的发电企业，采用谷歌地图实现的交互式地图Fig.4 Power generation in the Pacific Northwest，an interactive map using Google maps

使用谷歌地图应用编程界面可能需要支付一定的许可费并受到一定的限制，但也有谷歌地图之外的其他选择。其他可选用的开放资源的地图工具是开放街景地图和开放海域地图。开放街景地图从一个公开资源的地图项目进化成了一个广泛使用的、含有大量数据的界面。提供该技术应用的是创始人史蒂夫·考斯特和来自全世界的自愿使用者。他们按照统一的数据提供协议来提供地理信息系统。目前，这一地图工具拥有必应地形层、航海图表和天气数据等特性。目前，史蒂夫·考斯特是微软的必应技术架构师，作为开放街景地图应用的一部分，必应地形数据是免费提供的。

基于浏览器的地图可实现多种功能，包括小型或微型水电站的选址和优化，这是美国和加拿大国内一个重要的发展趋势。

图5　用开放街景地图生成的华盛顿州内大坝的交互式地图Fig.5 An interactive map of dams in Washington State created with Open Street Maps

图6　虚拟的水电站探勘地图应用，爱达荷国家图书馆Fig.6 Virtual Hydropower Prospector map application，Idaho National Laboratory

2.3西雅图、Socrata公司、云计算和创业文化

因咖啡文化和拥有像微软、亚马逊等技术巨人而闻名的西雅图市为创业者们提供了一个有活力的环境。在讨论大坝安全管理的信息共享和开放资源地图软件时，必须要提到的是Socrata公司，它是一家位于西雅图的云数据公司。

Socrata与西雅图市联合，将城市基础设施和人口统计信息集合到了云数据服务器上，可免费下载并应用。这一开放数据模型表明了一个趋势，这对大坝安全管理非常有价值。那些集合可靠的如天气、河道水位或地形数据等当前信息的组织正更多地将其数据存储在网络存储库中。能想到的有价值的网站有waterwatch.usgs.com和geology.com.等。

免费数据和开放资源编程界面的使用是信息技术中一个大的转向。许多习惯于专有桌面应用的组织可能会对这一范例转变就其使用和实施的便利性、理论上要求高度信任和协作的范例总体的可靠性和安全性提出疑问。

虽然开放资源软件和开放数据工具目前缺乏审查，用户的帮助和支持是由企业计算工具提供，但对开放资源工具的使用正在增加。另外，有关故障的用户支持和技术帮助也正在增加，如西雅图的创业公司——DigitSec（digitsec.com）公司这样的单位，正在组织论坛研讨与目前大热的开放资源工具有关的安全审核和其他方面事宜。

3　大坝安全趋势

3.1知识转移、持续规划和管理挑战

虽然各大坝安全组织在其使用的技术工具方面有很大区别，但都意识到了知识转移和持续规划的必要性。在华盛顿州，大坝安全监测因为员工退休原因面临着组织知识的流失。降低预算是现在面临的另一个挑战。

承载着组织知识的、能长久保存的数字档案包括坝址详情和水文学方法等，这些数字档案在持续规划事宜中将发挥作用。这些数字档案保存了工作团队集合起来的知识，使这些知识非常有用且在可搜索的综合框架内可获取。这一数字知识数据库可使工作人员轻松地从历史和地域的角度跟踪和分析大坝安全评估。

3.2人口和气候趋势

虽然天气预报还不够精确，但冬天会发生更大的暴风雪、夏天会更热、更干旱的气候变化趋势对小型大坝和大型水利工程等来说也有一定的影响。特别可能出现问题的是华盛顿州内1 000多座用于各种用途，从休闲娱乐到拦蓄工业用水的小型到中型大坝。这些设施通常位于人口密度不断增加的区域，且相对目前的风暴强度和下游灾害风险来讲，其应急溢洪设施明显不足。

另外，常用的分析方法（如HEC-RAS）对已知事件使用精确模型，且相对于现在投入大坝安全的资源减少的背景下，它需要耗费大量的时间和资源。应开发可为大坝业主提供有价值的预防性指导的分析方法和改进的报告工具，并建立一致的风

险分类系统。与大坝相关联的公共安全风险与这些事宜都息息相关。

3.3大坝业主和信息共享

通常大坝业主均能意识到与其大坝设施相关的安全事宜，并能遵循应急和长期维护导则而开展工作。大坝业主和工程及监管组织间数字信息共享可促进交流、文档编制和存档。

图7为一个大坝安全报告模板。报告模板从数据库中提取大坝信息，将这些信息与最近现场检查所获得的发现结合起来可简化大坝安全官员和大坝业主间的交流和报告过程。

4　结语

提高技术能力可为当前大坝安全管理流程提高效率，并帮助应对持续规划和预算下降等问题。西雅图-普吉特湾地区为大坝安全管理引入新的数字范例提供了一种积极向上的知识和商业环境。

图7　大坝安全报告互动模板Fig.7 An interactive template for dam safety reporting

文献来源：ICOLD 2013 International Symposium

翻译：崔弘毅

校核：许传桂

Title:Open data and mapping dam safety trends//by Florence Hsu and Theodore Thorson//Washington State Department of Ecology

Abstract:A general trend toward data sharing via the"cloud"，helped in great part by the dynamic tech⁃nology start-up culture in the Seattle-Puget Sound area，offers dam safety engineers，dam owners，and local safety officials new opportunities for easy information sharing and efficient collaboration.The "cloud"enables efficient sharing and processing of data for social media，crowd-sourcing，search en⁃gines，and online financial transactions.With the help of cloud architecture，geographically-keyed data is now available for many uses including engineering.Both data and software are easily leveraged with geographical mapping tools like Google maps and the open source Open Street Maps to create graphical mapping interfaces that help dam safety engineers address dam safety trends.

Key words:open data；dam safety；trends

中图分类号：TP315

文献标志码：A

文章编号：1671-1092（2016）01-0061-04

收稿日期：2015-12-25