基于移动互联网的小型水库大坝安全巡查系统应用及研究

袁明道 ，徐云乾 ，史永胜 ，张旭辉 ，潘展钊 ，杨文滨 ，夏 甜

（1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2. 广东省大坝安全技术管理中心，广东 广州 510635；3. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635）

0 引言

目前，在公路、国土、电力、地质灾害调查等行业中巡查系统的应用较为成熟普遍[1-9]，我国已经有部分地区研发了一些水利行业巡查系统，多用在防洪减灾、水政执法方面。在美国，大坝安全巡查制度在联邦一级机构田纳西河流域管理局（TVA）所管辖的大坝中应用已经较为普遍。

据统计，1954—2006 年间，全国各类水库垮坝失事 3 496 座，其中小型水库 3 370 座，占垮坝失事总数的 96.4% 以上[10]；通过巡视检查发现，大坝重大安全隐患约占出险水库总数的 70%[11]。近年来“6.27”从化区鱼洞水库险情[12]等工程险情的发生，进一步说明了规范和强化水利工程巡查工作的迫切性。但目前针对小型水库大坝巡查管理的巡查系统还较少，且存在多平台化、数据离散化，缺乏巡查统一标准，易用性不高等缺陷[13-14]。

广东省目前登记注册的小型水库数量为 7 676 座，占广东省水库数量的 95.54%，占全国水库数量的9.64%。这些水库多数为 20 世纪六七十年代修建，分布在全省 21 个地级市、118 个县（市、区）、约1 100 个镇，这些水库分散，管理难度大，且普遍具有建设标准低下，现场安全管理水平低，基础资料少等缺点，与现代水利工程规范化、精细化的管理要求尚有差距。

更重要的是，处于亚热带且有着漫长海岸线的广东省的每一座小型水库都要经过每年的汛期台风、洪水的考验，以及生物危害，筑坝材料自然老化等，如何尽快实现小型水库安全现状全面感知及诊断始终是广东省防灾减灾的中心工作。

在目前工程管理模式下，广东省水库大坝巡查存在巡查到位率低，巡查人员专业知识匮乏，发现问题不及时等特点，小型水库大坝巡查系统（以下简称巡查系统）的建设是广东省水利工程管理规范化、标准化、制度化建设的迫切需求。为此以广东省小型水库为例，讨论基于移动互联网技术的巡查系统的建设，以期达到明确巡坝查险的工作责任、内容、标准等，有效解决巡视检查的到位率、规范化、及时性等问题，及时发现工程安全隐患，采取有效措施，降低出险造成的损失和危害。

1 巡查系统架构及业务流程

1.1 巡查系统架构

小型水库巡查管理系统涉及信息采集、传输、存储、标准与管理、应用和服务等，关键在于实现水库巡查各种数据的整合、各种分析方法的融合，以及资料信息的共享、展示、推送服务。

巡查系统采用“一个登录门户，分级权限管理”的设计思想进行开发，其中水库大坝巡查管理平台采用 Java EE 进行开发，移动巡查终端基于Android/iOS 操作系统开发。

小型水库巡查管理系统总体框架结构包括信息采集系统、网络传输系统、资源共享服务平台、综合业务应用平台 4 个层次，总体架构如图 1 所示，分别对应新时代“互联网 + 水利”透彻感知、全面互联、深度融合、智慧应用 4 个需求，分述如下：

1）信息采集层。信息采集系统是整个巡查系统建设的基础，巡查责任人通过移动巡查终端（移动App 及微信公众号）采集水文数据、水工建筑物图片/视频信息、隐患问题实时描述等，第一时间获取工程运行信息，强化工程运行管理，为逐步提高工程巡查管理水平创造条件。

2）网络传输层。充分依托水利专网或政务内外网等现有资源，建设满足小型水库大坝巡查管理平台需求的网络系统，将巡查和预警等信息实时、安全地在水利云/政务云及各级责任人终端之间双向同步传输。

3）资源共享层。资源共享服务平台是巡查系统建设的核心内容，包括软硬件基础平台、地理信息系统和水库大坝管理综合数据库 3 个部分，为采集到的各类巡查数据提供数据交换、统计分析及展示等。

4）综合业务应用层。综合业务应用平台是整个系统的中枢，以专业应用为主体，完成对水库大坝巡查业务的统计、分析、预测、决策、执行和反馈，形成巡查业务闭环。同时建立巡查知识库，包含隐患-措施、案例-措施等数据库及专家实时连线诊断等。

1.2 业务流程

小型水库大坝巡查系统基于统一的地理信息系统，所有业务功能均在空间地理信息系统上进行展示和整合；采用统一的云数据库，所有业务数据均自动上传到云端进行存储、共享、服务、管理和应用决策；根据业务流程分为省、地市、县三级平台，并根据三级平台赋予行政、技术、巡查等责任人不同的登录管理，以及消息推送和信息展示权限，巡查系统业务流程如图 2 所示。小型水库大坝巡查系统包括巡查计划、线路、执行的管理，巡查、问题的记录，巡查分析，问题整改复查等全流程的检查管理环节，主要有以下 2 个部分：

图 1 系统总体架构及流程

1）巡查终端（App 或微信公众号）。通过 3G/4G/5G 网络、Wi-Fi，将巡查过程中的数据、文本、图片或视频发送到巡查管理平台。在部分没有移动通讯信号的山区水库，可以通过终端 App 暂存到本地，待接收到数据信号后再将数据发送到云平台。

2）巡查管理平台。巡查管理平台软件位于政务云信息中心的具有互联网固定 IP 的服务器上，功能是接收巡查终端发送的各类信息，整编，入库，展示，并根据需要发送信息到各巡查终端。

图 2 巡查系统业务流程

2 巡查系统功能实现

2.1 巡查管理平台功能实现

巡查管理平台的核心功能是实现水库大坝基础工程资料，以及巡查人员、任务、路线的维护和管理，主要功能及模块如图 3 所示。主要功能描述如下：

1）水库大坝管理。实现水库大坝的行政区域、名称、规模、坐标、地理位置、工程图纸、库区建筑物等的维护和管理。

2）水库大坝责任人管理。实现水库大坝行政、技术、巡查等责任人的管理。

图 3 管理平台端架构

3）巡查线路管理。设置并维护各个水库各类水工建筑物的巡查线路。

4）巡查任务管理。对日常巡查、定期检查、特别检查 3 类巡查任务进行管理和派发。

5）巡查结果查询。按照水工建筑物排列方式，以表格形式统计每次巡查的现场情况。

6）巡查轨迹查询。根据巡查线路 GPS 坐标，将每次巡查任务的轨迹在地图上连接成线路并显示。

7）隐患查询。根据不同的管理权限，进行隐患的忽略、合并、对比、上报、整改、复查回放、关闭等操作，险情信息可自动通过微信和短信推送至相关负责人。

8）知识库管理。包含方法隐患-措施库、案例库等管理模块，对存在问题提供技术指引。

9）系统管理。赋予不同级别管理权限，全面实现分级管理功能，其中平台最高权限具有制定规范管理标准，分配各级用户角色使用权限，派发及监督巡查任务，创建及维护平台知识库，提供技术指引与解决措施建议等功能。

2.2 巡查终端功能实现

巡查终端功能分为基础数据库同步、任务下载、开始巡查、任务上传、隐患跟踪等，巡查终端界面示例如图 4 所示。巡查员可以通过终端 App 或微信公众号进行登录巡查，App 基于 Android/iOS 移动操作系统开发，微信端基于公众号链接，微信端增加了系统的易用性和推广性。主要功能描述如下：

1）基础数据同步。基于 GPS 定位，自动定位巡查人员和水库的位置、线路。

2）任务下载。根据《广东省水利工程巡查细则》[15]规定的巡查频次、部位等，提供并优化巡查路线，给予巡查人员最为专业和便捷的现场指导。

3）开始巡查。每个巡查建筑物的检查项结果分为正常、各部位问题、其它险情 3 种情况，可以以文字、图片、短视频的方式上传到管理平台，同时现场会自动根据云端的专家知识库提供排除隐患的指导。

4）任务上传。发现明显异常险情时，可拍摄现场图片上传，将报警信息直接上报到管理平台，并自动通知相关责任人员。在通信信号较差的地区，可将巡查数据暂存，待通信信号恢复后自行上传。

5）隐患跟踪。在隐患整改过程中，或整改完成后，可进行隐患复查并上报销号。

图 4 巡查终端界面示例

3 结语

水库大坝人工巡查在当前是不可替代的，特别是没有加固，不能正常蓄水的病险水库，利用水库大坝巡查管理系统能够明确水库大坝的巡查部位、频次和路线，规范巡查行为，及时了解跟进和排除安全隐患，进一步落实水利工程巡查责任制，全面细化工程巡查管理制度，进一步提升管理标准化、专业化水平。

在使用过程中也发现一些亟待解决的问题，如不同品牌和配置的智能终端的 GPS 芯片位置解算和CPU 计算能力、大坝现场通信信号等都制约着巡查系统的进一步推广使用。统一配发定制终端能够解决当前问题，但并非一劳永逸，与目前基于移动互联网的水库大坝人工巡查相比，基于智能图像识别技术的多源机器视觉的无人机水库大坝巡查技术具有很大的发展潜力和研究价值。