水库大坝安全智能巡检系统设计与实现

刘成栋 ，向 衍 ，张士辰 ，张 凯

（1.水利部大坝安全管理中心，210029，南京；2.南京水利科学研究院，210029，南京）

水库大坝安全涉及公共安全，事关人民群众生命财产安全，因此，大坝安全是水库管理中的重中之重。但由于大坝工程的复杂性、运行环境变化的随机性以及受极端气候、地震、工程老化、管理薄弱等因素影响，在当前的经济技术条件下，要完全杜绝溃坝事故发生很难做到，大坝出险甚至溃决事故还会长期存在。如何吸取教训，加强与规范管理，提前发现事故征兆，有效预防和应对，是当下管理中的关键。大坝安全监测和安全巡检能够及时捕捉大坝隐患前兆、迅速发现问题，是保障大坝安全的重要手段，而安全巡检又通常是每一座水库大坝不能缺少且碰到问题最多、最为复杂的工作之一。

一、传统大坝安全巡检存在的问题

由于安全巡检工作繁杂、体力强度高、管理难度大和巡检人员素质良莠不齐等诸多原因，传统大坝安全巡检存在很多问题，详见图1。

二、水库大坝安全智能巡检系统总体架构

针对水库大坝实际工程特点，以物联网、智能技术、云计算与大数据等新一代信息技术为基本手段，构建集智能化、一体化、信息化于一体的水库大坝智能巡检系统，以实现安全巡检状态的可感知、可诊断、可决策。

水库大坝安全智能巡检系统逻辑架构如图2。感知层主要由巡检人员携带智能巡检设备对水库大坝安全巡检信息进行实时录入与更新，并采用GPS、RFID、二维码、蓝牙、GPRS、WiFi等技术实现各智能设备与云端的互通互联。

智能诊断决策层为大数据平台，为大坝安全巡检提供多种服务和运行环境，是决策、反馈与处理的中枢，主要包括云端数据库和云端知识库。云端数据库主要将大坝安全巡检信息依据国家标准和行业标准分类、有序地储存在云端；云端知识库主要由大坝安全管理相关规范、专家经验知识、类似工程管理经验和经典案例以及从云信息库中挖掘出的知识等数字化表达形式构成，是大坝安全管理的依据边界、数学模型的触发边界，同时也是智能决策的支撑边界。智能化实时分析模块借助云计算平台提供的云计算能力，基于云数据库和云知识库，借助数学分析模型及相应坝工知识，实现分析计算和决策，构建水库大坝智能巡检大数据平台。

智能化应用层是智能巡检系统的应用平台，主要有监控中心与移动客户端。管理人员可以通过PC端和PAD移动端等实时查看水库水位、库容、巡检任务、巡检人员、巡检路径、巡检状况等信息。水库大坝安全智能巡检系统网络架构如图3所示。

三、水库大坝安全智能巡检系统功能

1.人员管理模块

主要管理系统的组织结构、人员信息、责任范围、级别等信息，根据级别确定人员工作任务和系统中数据可查看范围。

组织结构：是为整个管理系统的人员建立的管理模式，在管理工作中给人员分配职务范围、责任范围、级别权限，为整个巡检系统的任务分配、任务跟踪提供组织基础。

人员添加：主要为子系统添加工作人员、管理人员等信息，并为他们分配组织部门、级别权限，为整个巡检系统的任务分配、任务跟踪提供人员基础。

人员权限分配：主要是管理系统中的人员，将人员分配到指定的组织部门中，并限定组织的工作范围、再对组织中的人员职权范围进行细化、分配不同的权限。

图1 传统水库大坝安全巡检存在的问题

图2 水库大坝安全智能巡检系统逻辑架构

2.智能巡检管理模块

巡检路线设定：根据不同工程所要关注的重点部位设定不同的巡检路线。

巡检任务制定：管理员在系统中录入为每次巡检任务制定的计划，巡检人员通过移动终端设备查询到被分派的任务。

巡检任务提醒：移动终端设备接收到制定好的任务时，提醒巡检人员查看该任务。

巡检任务执行：巡检人员在持有移动终端设备巡检时，移动终端设备通过GPS定位记录巡检路线，并通过GPRS/WiFi将巡检情况上传到智能巡检管理系统。

提交巡检报告：巡检人员在巡检过程中遇到问题时，通过移动终端设备记录问题现象，并上传到智能巡检管理系统。

巡检任务审核：当一次巡检任务完成时，需要上一级管理人员对巡检结果进行审核确认，审核通过后即可认为巡检结果有效可信。

3.水库大坝安全智能诊断分析模块

异常现象报警：对水库工程巡视检查发现的异常现象进行报警。

巡检问题类别诊断：对巡检发现的问题按照隐患类别（渗流、变形、裂缝、管理措施等）进行分析诊断。

隐患处置对策：根据现场发现的问题自动响应提出对策。如对安全监测隐患进行查询，某个巡检任务发现大坝坝顶出现纵向裂缝，点击对策建议，将弹出相关的应对措施。

关联隐患处置案例：根据现场发现的问题对应国内外相关工程隐患处置案例，在典型案例解析过程中进一步指导本工程隐患处置。

隐患处理效果反馈：对每座水库发现的问题进行处置时，对处置过程和处理效果进行后跟踪，以反馈该隐患处置方法是否得当。

图3 水库大坝安全智能巡检系统网络架构图

4.查询统计管理模块

巡检任务查询：根据时间查询每次巡检的各项内容，包括文字信息与视频、照片信息。

人员巡检轨迹回放：对所有巡检人员或指定巡检人员在设定时间内的巡检轨迹进行回放。

巡检类别查询：根据汛前检查、汛中检查、汛后检查、特殊检查等类别进行查询巡检任务。

巡检到位管理：对巡检人员到位率分析评定。

巡检隐患查询管理：对工程安全隐患根据诊断出的问题类别进行查询和管理。

巡检报告输出：对巡检结果进行制定和输出巡检报告。

巡检点设置管理：根据工程建筑物设置巡检点。

巡检路线设定管理：根据巡检点的动态组合制定不同的巡检路线。

四、系统特点

①普适性强。适用于对常规大坝安全病害或隐患的巡检，巡检端有485条元素化问题库可直接勾选 （具有自定义添加巡检问题描述并入库功能），便于各类现场水库巡检人员的录入。

②多途径上传。手机信号强的地区直接利用4G实时上传巡检信息。廊道、深山等无手机信号地带，利用离线方式缓存+WiFi方式实现低成本上传。

③支持大数据智能诊断。系统采用B/S模式三层架构，根据现场发现的安全隐患问题，可自动诊断出安全隐患所属类别及快速匹配相应的隐患处置对策和典型案例。同时，根据水库新产生的隐患处置对策和处理案例可进一步扩充平台知识库。

④实时性强。无论何时何地管理者均可利用手机APP或PC机实时查询水库大坝安全巡检路线和大坝巡检状态。

五、工程应用

根据前述智能巡检系统架构和功能研发了基于大数据的水库大坝智能巡检系统，并在浙江、山西、广西、青海等省（自治区）大中型水库中应用，在日常水库大坝安全管理中发挥了重要作用。

六、结 语

加强水库大坝的安全巡检，定时对工程安全隐患进行排查，有利于做好事故防范和隐患及时处置，可预防水库大坝失事，充分发挥水库大坝工程效益。本文针对传统大坝安全巡检中存在的“资源孤岛”和“应用孤岛”问题，以水库智慧管理为理念，集成物联网、智能技术、云计算与大数据等新一代信息技术，设计和研发了基于大数据的水库大坝安全智能巡检系统，用“移动信息平台”概念变革传统巡检工作方式，积极探索出安全巡检管理的新模式，实现“发现问题—智能诊断—匹配处置决策—处理效果反馈”的闭环模式巡检，实现巡检工作的标准化、规范化、可回溯化，从而提高了水库大坝安全管理水平与运行效率。