柳城县小型水库雨水情测报和安全监测系统设计_陆世征.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）1项目背景根据 广西壮族自治区水利厅关于报送“十四五”小型水库雨水情测报和安全监测设施实施方案以及 2021 年度实施计划的函（桂水函 2021 69号），“十四五”期间，广西要全面完成小型水库雨水情测报和安全监测设施建设。柳城县水利系统注册登记在册的小型水库59座，受管理与技术条件限制，普遍存在工程设施设备老化破损、运行管理不到位等安全隐患，限制水库效益发挥，成为防洪体系中薄弱部分，并可能对基层人民生命财产安全构成严重威胁。在新时代智慧水利和水利信息化快速发展的背景下，开发柳城县小型水库雨水情测报和大坝安全监测平台尤为重要。2系统总体设计2.1技术路线（1）GIS平台。GIS平台基于WebGL和html5技术实现免插件跨平台、跨浏览器的二维、三维WebGIS平台，支持3D、2D、2.5D形式的地图展示，可以自行绘制图形，高亮区域。支持显示海量三维模型数据（倾斜，BIM，点云等）、影像数据、地形高程数据、矢量数据等。在操作方面，除了可以在浏览器中实现地图浏览的基本效果，比如放大、缩小、平移、旋转等常用操作之外，还可以进行选取面、选取线、选取模型、要素选择、图层叠加等不同的操作。兼容WMS和WFS特性；支持PostgreSQL、Shapefile、ArcSDE、Oracle、VPF、MySQL、MapInfo；能够将网络地图输出为JPEG、GIF、PNG、SVG、KML等格式；能够运行在任何基于 J2EE/Servlet 容器之上；嵌入MapBuilder支持AJAX的地图客户端OpenLayers；除此之外还包括许多其他的特性。（2）物联网平台。物联网平台是一套以稳定性、实时性、高并发、扩展性为宗旨，打造的数据采集、数据加工、存储、发布的综合性数据平台，主要功能是设备接入，数据采集，数据存储，设备管理和开放API。实现对小型水库的RTU、MCU、前置机、物联网中央控制器设备在适配了通讯协议后直接接入。（3）流媒体平台。流媒体平台支持Windows、Linux，支持RTSP/HLS/HTTP流媒体协议，支持TSP推模式转发、RTSP拉模式转发、录像、检索、回放、关键帧缓存、秒开画面、支持将H.264/H.265/G.711/G.726/AAC等音视频数据推送到RTSP流媒体服务器，支持RESTful接口调用，支持GB28181协议接入摄像头或与其他第三方视频平台级联。（4）Spring框架。Spring Framework是一个开源的JEE的分层应用程序框架，提供了一个简易的开发方式，这种开发方式，将避免那些可能致使底层柳城县小型水库雨水情测报和安全监测系统设计陆世征，梁学文，肖珍宝（广西壮族自治区水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，南宁530023）摘要小型水库雨水情测报和大坝安全监测是水库运行管护的重要环节。本文根据柳城县小型水库管理实际情况，结合水利信息化发展要求，依托GIS、物联网、流媒体、Spring框架等信息化技术，开发柳城县小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统，实现水库基础信息查询、雨水情数据查询、大坝安全监测数据查询、预警信息查询、实时动态监测与区域告警等功能，为柳城县水库安全运行及信息化管理提供有效技术保障。关键词雨水情测报；大坝安全监测；水利信息化；县级平台；柳城县中图分类号TV697.1；TV698.1文献标识码A文章编号1003-1510（2023）02-0090-05 防灾减灾 收稿日期2022-08-11作者简介陆世征（1986-），男（壮族），广西南宁人，广西壮族自治区水利科学研究院助理工程师，学士，主要从事水利信息化工作。90DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.02.016广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）代码变得繁杂混乱的大量的属性文件和帮助类。基于 JavaBeans 的采用控制反转（Inversion of Control，IoC）原则的配置管理，使得应用程序的组建更加快捷简易。数据库事务的一般化抽象层，允许插件式事务管理器，简化事务的划分使之与底层无关，事务和其他容器特性都可以通过声明Annotation来实现，极大简化了代码的复杂度。以资源容器，DAO 实现和事务策略等形式与 Mybatis 集成。利用众多的翻转控制方便特性来全面支持，解决了许多典型的 ORM 集成问题。所有这些全部遵从Spring通用事务处理和通用数据访问对象异常等级规范。2.2设计原则（1）先进性原则。系统在设计思想、系统架构、采用技术和选用平台上坚持先进性原则，符合高新技术潮流和行业发展趋势，在满足现期功能的前提下，前瞻性地考虑小型水库信息化工作未来对信息化支撑的需求，在今后较长时间内保持一定的技术先进性。（2）开放性原则。县级平台建设遵循开放性原则，能够支持二次开发，不仅提供标准接口用于与其他业务系统和用户的接入，还在运行过程中支持随时接入新的业务模块，支持接入新的用户和新的业务类型。（3）扩展性原则和兼容性原则。通过采用灵活可扩展的构架，系统具备良好的输入输出接口，满足现有设备的接入和不断扩展的应用需求。扩展性体现在应用功能的可扩展、部署方式的可扩展和数据模型的可扩展、服务的可扩展，保证扩展的过程平滑升级，避免重复投资。（4）安全性原则。系统提供有效的安全保障，保证内部信息安全，保证信息能够安全传送与接收，提供完整的安全保密机制。建立完善的授权机制，主要为不同的用户提供合适的访问权限，使其不越权使用；保证系统操作的可记录性，以便对操作行为进行监督。（5）可维护性原则。规范技术框架如Spring、Mybatis等相关配置文件的创建、命名和使用，统一管理，使配置文件的维护简单、方便。2.3系统安全设计2.3.1网络安全（1）基于利旧原则，主机放置在山洪灾害预警系统机柜中，接入原机柜中已有安全防护设备。（2）在防火墙中配置端口映射、安全审计、入侵防范等检查规则。2.3.2主机安全（1）主机操作系统采用服务器操作系统，操作系统用户按照所需的权限等级分别设置，并由专人管理；对访问主机的用户身份进行鉴别严格控制访问权限。（2）开启系统安全审计日志。（3）操作系统安装防病毒、入侵防范、恶意代码保护软件。2.3.3数据安全（1）对数据进行完整性校验，确保数据不被非法篡改。（2）对敏感数据进行加密保存。（3）数据自动备份、确保数据及时准备备份，遇突发情况可以人工恢复到最近正确一次备份点。2.3.4应用安全（1）系统提供系统用户身份鉴别。（2）对用户访问进行权限控制。（3）系统提供完善的访问、操作日志。（4）系统支持https协议，对通信数据进行保密处理。（5）系统进行容错处理、对非法输入控制提示。2.4总体架构县级平台部署在县水利局机房，开通公网IP及公网端口实时接收水库传送的雨水情和大坝安全监测数据，通过网络提供给县水利局以及水库管理人员查看。建设内容主要包括网络配置、线路布置、设备购置及软件安装部署等。总体架构如图1所示。3系统功能3.1数据采集软件数据采集系统基于物联网平台实现对水库各传感数据采集、传感器在线状态查询和相关控制指令下发，实现对设备的在线运维。数据传输由3G4G、5G、有线网络多种方式将传感器采集到的数据通过UDP/TCP传输协议实时传输到网络中心。数据采集软件支持MQTT、Modbus、COAP、OPCUA多个行业协议，并支持不同数据规约解释器与协议自由组合以适合不同设备的数据规约，如 水文监测数据通信规约（SL 651-2014）、水资源监测数据传输规约（SL/T 427-91陆世征，梁学文，肖珍宝:柳城县小型水库雨水情测报和安全监测系统设计2021）、大坝安全监测自动化系统通信规约（DL/T324-2010）。3.2区域综合管理展示（1）首页。基于GIS地图将全县所有水库在一张图上集中展示，并进行汇总统计（雨水情预警、大坝安全监测预警、视频告警）。（2）实时监测。基于GIS地图综合展示雨水情实时监测信息，包括水库雨水情信息、测站位置分布、实时监测数据、历史监测数据以及站点基本信息、运行状态、预警状态等。主要实现以下功能：主体地图展示雨量站、水位站、视频站分布及其基本信息气泡悬浮窗，并动态展示预警信息，点击某个测点可以弹出该测点的详细信息工作；图层、数据展示板块，可依据行政区、矢量数据要素控制图层显示/隐藏及搜索、双击定位；预警信息展示板块，根据阈值实时雨水情预警并展示站点监测信息和预警记录。（3）数据查询。实时监测实现水库信息、雨水情数据、大坝安全监测数据、预警记录查询。（4）区域告警。实时监测展示最新雨水情测报、大坝安全监测、视频监视、人工预警信息统计展示，并以图表形式显示预警时间分布信息、预警次数统计信息。（5）系统管理。水库基本信息管理。对水库基本信息、水库工程特征等信息进行统一维护管理。组织机构管理。对本县水库相关管理机构的基本信息进行统一维护管理。用户信息管理。对使用本系统的用户基本信息进行统一维护管理。权限管理。实现按用户对系统菜单权限分配。3.3水库管理3.3.1工程简介显示水库概况，雨水情实时数据监测，渗流压力、渗流量，水平横向位移、水平纵向位移、垂直位移监测等信息。3.3.2数据管理（1）数据查询。按站点名称，时段类型、时间段，分类查询雨量、水位信息，以及渗流压力、渗流量、水平位移、垂直位移等数据。（2）监测图。实现水库监测项目（渗压、渗流、位移）任意测点的监测数据变化过程线展示和导出，可选择不同的桩号展示对应断面的渗压和位移分布示意图，可选择任意时间段进行查询；实现自动根据水库各断面监测到的渗压水位计算大坝的浸润线，默认显示当前时段的浸润线，也可查看历史时间某一个时间的浸润线，方便监测人员进行对比分析。（3）视频监视。实现水库实时监控视频进行管理，可通过搜索查看相关视频，单个视频放大界面里，提供云台操作按钮根据用户需求调整摄像头方向等操作；实现水库的视频报警问题进行管理，包括报警类型、报警时间等信息。3.3.3预警管理图1总体架构图92广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）（1）人工预警。实现人工选择人对和预警信息模板，发送预警信息。（2）预警信息台账。实现对雨水情、大坝安全监测设备实时采集的数据如有超过设定预值的站点进行告警。（3）视频AI智能告警。基于人工智能图像识别技术，自动识别视频流数据中的场景和违法违章行为，对人员穿越安全警戒线或非法垂钓时，摄像机主动识别，同时系统可以通过喇叭实现语音喊话；自动识别进入水库管理范围内的车辆，并发出警报。（4）预警发布规则。实现对各类预警规则的管理，可以根据不同预警类型、预警等级设置不同的预警预值。（5）信息模板。实现对预警发布信息的模块进行管理。3.3.4测站管理（1）雨水情测点管理。实现对所选水库雨水情各类测点的基本信息与仪器信息进行统一维护管理，包括测点新增、基本信息修改、仪器信息修改等内容。（2）大坝安全监测测点管理。对所选水库大坝安监各类测点的基本信息与仪器信息进行统一维护管理，包括测点新增、基本信息修改、仪器信息修改等内容。（3）视频监视信息管理。对县辖区内所有水库的监控设备信息进行维护，对监控设备基础信息进行录入、修改、删除。3.4智能巡检（1）巡检任务管理。在系统中录入巡检事项和巡检人员及时间安排进行维护。（2）巡检结果处理。对巡查发现的问题需要进一步处理的，安排相关人员处理后，在系统中录入处理结果，对事件进行闭环。（3）巡检记录查询。管理员可以根据巡检时间、人员、内容等条件查询历史巡检信息及处理结果。普通用户只能查看自已权限范围内的巡检信息。3.5数据交换系统数据交换系统基于适配器模式开发，适用于系统各类数据与自治区监测平台、视频告警数据与第三方视频平台、位移数据与GNSS解算软件进