南水北调中线安全监测应用系统提升改造实践

何 军，马 啸

（南水北调中线干线工程建设管理局，100038，北京）

一、南水北调中线安全监测系统问题分析

1.系统概述

安全监测是获取南水北调工程实时工作性态的有效手段， 对于保障南水北调中线工程的正常运行具有重要意义。 南水北调中线干线工程具有空间跨度大、建筑物类型多、监测项目多和监测点基数大等特点， 全线安全监测业务开展过程中， 产生海量多类型的安全监测数据， 通过信息化手段支撑安全监测是刚性需求。 南水北调中线安全监测系统在此背景下应运而生。 系统于 2009 年规划，2010 年投入建设， 对中线工程全线各类建筑物的施工、运行期温度、水位、渗压、位移、应力、应变、变形等项目进行了全面监测， 总计安全监测测点数量90 083个， 其中绝大部分内部观测点实现了自动化。在硬件支撑层之外，配套建设有软件应用系统对安全监测数据、工程安全性态等业务进行信息化管理。

2.问题分析

南水北调中线干线安全监测系统自投入运行以来，保证了持续稳定运行，为安全监测业务的开展提供了核心工具，同时确保了网络和数据信息安全，一定程度上支撑了南水北调中线干线工程的安全运行。

随着信息化技术更新发展， 系统数据规模累积 （年数据增量在3 000万条以上）以及工程安全监测需求不断提高，现有中线干线安全监测应用系统在软件功能、系统性能、操作体验以及预警准确率等方面都已显示出不足，需要改进提高。 此外，还应以问题为导向，以整改为目标，以问责为抓手，从法制、体制、机制入手建立一整套务实高效管用的监管体系，从根本上改变水利行业不敢管不会管、管不了管不好的被动局面。 通过安全监测应用系统，规范工程管理人员对数据异常问题处理流程，统一记录台账， 实现各种安全监测报告自动生成，进一步强化监督管理，由此亟须开展系统升级改造工作。

二、应用系统升级改造实践

1.改造目标

结合安全监测系统自动化设备状态监控、监测信息可视化的多维展示、工程安全监测管理的智能化等要求，对系统进行升级改造。 在软件前后端架构、数据库结构以及信息传输等方面采用先进的高性能计算机技术，应用工程安全监测理论的最新研究成果，全面完善已有的监测信息管理和分析功能，增加实际安全监测业务中的功能模块。 系统升级改造将实现如下目标：①功能完善、稳定运行；②操作边界、界面友好；③运行稳定、性能可靠；④兼容性强、易于扩展；⑤实时监控、多维展示。

2.架构升级改造

软件架构是系统的骨架，是搭载所有功能应用和确保软件运行性能的基础。 通过充分调研分析当前主流的大坝安全监测、水库自动化调度等信息系统软件的应用案例，结合实际问题需求，确定中线干线安全监测应用系统升级改造的软件架构。 升级改造后将现有的集中式架构改为分布式架构，实现负载均衡。 对原有存在高耦合度的软件进行解耦，使前后端彻底分离。在关键技术层面，采用基于Redis 存储技术的缓存统一数据平台、以面向服务的软件架构SOA 为约束并在软件结构选型上采用B/S 结构开发。

改造后的系统架构以数据化思维为中心， 突出了前后端各层的分离，即无论未来采用B/S 或C/S 结构，可以确保系统后端逻辑统一，也保证了能够适用于未来进一步的智能化以及移动端（APP）、大屏终端等展现形式的扩展。

3.功能升级改造和完善

根据安全监测系统运行中存在的实际功能不足等需求，对包括MCU远程控制、设备状态监控、人工自动化采集数据对比、系统预警异常分析以及基于BIM 技术的监测三维可视化等各功能模块进行升级完善。 各功能模块按照管理要求、业务分类、操作便捷性进行优化设计与开发。

系统完成升级改造后在MCU 远程控制功能上， 通过系统可以直接实现对现在布设的MCU 采集速率、传输频次的控制，实现召测、强采等功能；在设备状态监控功能上，可以通过系统实时查询现场MCU、 蓄电池以及无线模块的硬件状态； 在基于BIM 技术实现监测数据的三维可视化方面搭建BIM 与GIS 可视化融合平台，实现跨领域的空间信息、模型信息、属性信息、安全监测信息的集成。

结合安全监测系统优化调整、运行监控指标的研究等项目，实现安全监测系统改造监测项目更加全面、安全监测预警也更准确，逐步补齐安全监测系统原有功能的短板。

通过增加系统问题查改台账管理、监测数据从入库统计、粗差处理统计、异常报警处理统计等管理功能以及整个系统重点监控对象的大屏展示功能，加强三级管理机构对安全监测日常工作的监管。 此外通过系统问题查改台账管理，实时处理和反馈系统缺陷和故障，提高工作时效。

根据用户切实需求，开发了南水北调安全监测管理系统APP，实现了用户随时掌握数据动态、测点异常报警提示、远程数据查询，测斜仪和其他内观监测仪器数据可随时上传数据库等。

4.性能提升

针对现有系统运行中出现加载速率缓慢、卡顿等软件性能问题，首先应用Redis 等存储技术设置缓存层，提高系统整体性能；采用Nginx 高性能反向代理服务器，实现服务器的负载均衡；采用异步消息队列，降低各类业务请求的并发量、加速系统响应；在数据库设计层面，优化数据库报表结构，并实现读写分离。 综上，结合详细业务功能，充分采用先进技术手段，在数据查询与显示性能、系统的传输性能、 系统并发访问性能、系统稳定性以及系统人机交互界面等方面实现升级和优化。

三、升级改造后的实际效果

安全监测系统升级改造保障了南水北调中线工程安全、 高效运行，相关升级成果已经在工程运行中产生了实际效果，直接表现在为新冠肺炎疫情期间保障工程安全、加大流量输水等提供了技术支撑， 也为长期“智慧中线”建设奠定了基础。

1.安全监测APP 支撑疫情期间远程监控

2020 年1 月以来，受新冠肺炎疫情影响，南水北调中线干线工程沿线部分地区实行了严格人员出行限制和交通管控，部分中线安全监测专员无法及时返岗，亟须实现远程查看安全监测数据，在居家办公期间正常监控工程状态。

本次升级改造中建设的移动安全监测APP 系统， 有效地补充了远程监管需求功能，提升了安全监测业务的应急响应能力。 通过手机APP系统，居家办公的安全监测专员对自动传输的315 万余条安全监测数据进行了实时分析，实现了疫情期间工程运行状态的远程监控，为疫情防控关键时期保障工程安全奠定了技术基础。

2.架构优化保障加大流量输水期间系统性能

考虑丹江口水库春季来水情况较好等多方面因素，水利部决定实施中线工程加大流量输水工作，从2020年4 月29 日开始， 逐步调增中线陶岔渠首输水流量至设计最大流量，该过程持续到6 月中旬。 在加大流量输水期间， 为更好地监测工程运行性态，安全监测自动化系统的数据采集频次由 1 次/24 h 提升至 1 次/4 h，部分重点区段提升至1 次/10 min，这种6～144 倍以上的数据采集频率提升给安全监测系统的稳定、可靠运行提出了挑战。 由于系统架构进行了全面优化升级，在大流量输水期间，系统未出现异常状况，有效支撑了高密度采集频率下工程安全的实时监控。

3.安全监测异常处置在线化规范化

通过对监测数据分析发现异常并及时进行处置，是排除工程安全隐患的有效方法。 系统升级改造后，将所有异常问题报警、处置与销号进行了全流程在线化与规范化，实现了对异常问题的监督管理。 通过对各类工程监控指标研究提升了异常问题报警的准确率，并在此基础上制定了异常问题的处理流程与销号机制，对未处置的异常问题进行全天候在线提示，有效地督促了现地管理单位的工作效率，同时该流程的形成也会促使异常处置的机制规范化、标准化。

4.其他

安全监测月度、年度报告是监管工程运行性态的有效手段，但撰写报告过程需要耗费较多人力且报告之间传输反馈较为低效。 升级改造后的系统采用了多种信息技术，可自动生成安全监测报告，大幅度降低报告撰写工作量的同时提供了在线监督管理功能，无须进行人工督促等工作即可查阅报告进行批示，为监督管理提供了技术手段。