基于物联网技术与云技术的大坝安全管理

安 健 李慧敏

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁 810007;2.华北水利水电大学，河南郑州 450011)

基于物联网技术与云技术的大坝安全管理

安 健1李慧敏2

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁 810007;2.华北水利水电大学，河南郑州 450011)

大坝安全关系到社会的稳定和公共安全，一旦发生大坝安全事故，将会造成巨大的经济损失，带来大量人员伤亡。当前，我国已建成各类水库近9万余座，但在大坝安全管理中，仍存在大量问题。本文在对我国大坝安全管理的现状及特点进行分析的基础上，充分考虑物联网技术与云技术在大坝安全管理上的优势，设计构建了基于物联网技术与云技术的大坝安全管理平台，具有一定的现实意义。

大坝安全管理;物联网;云技术

1 引 言

作为一种重要且特殊的建筑物，大坝安全与广大老百姓的切身利益息息相关。一旦发生大坝安全事故，不但会造成大量的人员伤亡和经济损失，而且会对社会稳定造成巨大影响。据相关资料，意大利瓦依昂拱桥失事，仅仅7min就毁灭一座城市和几个小镇，死亡人数达3000人［1］;20世纪70年代，美国在短短5年时间内，相继发生了西弗吉尼亚Buffalo Creek坝失事，爱达荷州Teton坝失事，佐治亚州Kelly Barnes坝失事等［2］，造成大量损失。故而，各国政府对大坝的安全管理一直都是高压态势。我国也是大坝安全事故的受害国，如河南驻马店1975年8月的板桥水库溃坝，受灾人数达1400多万人，直接经济损失近100亿元［3］。当前，我国已建成各类水库近9万余座，其数量已然跃居世界首位。一方面，这些水库带来巨大的经济效益、社会效益、生态效益，提高了人民的生活水平;另一方面，如何加强大坝安全管理亦亟待得到妥善解决。

鉴于此，我国大量学者展开了研究。王正旭指出

应建立全国大坝运行性态数据库系统，运用计算机网络技术收集、分析大坝运行资料，为大坝的建设和运行管理服务［2］。洪云提出了“风险度”的概念，研究了基于实测资料的大坝运行风险度分析方法，建立了大坝运行缺陷优选处理模型和大坝群优化管理模型［4］。杜德进对建设大坝预警系统和应急处理计划做了粗略的介绍［5］。参考文献［6］和［7］就电子技术在大坝安全管理中的作用作出了分析和研究，在此基础上，发现其中存在的问题，使电子技术能在大坝安全管理中发挥更好的作用，为大坝安全管理提供参考。钮新强提出了加强大坝安全信息化建设，深化水库群综合调度研究的对策与措施［8］。上述文献虽对如何利用信息系统进行大坝安全管理展开了说明，但没有提及先进的“云技术”，仍具有一定的局限性。赵华伟等给出了基于物联网和云技术的公共安全管理平台［9］。耿振民等提供了一种基于云技术的安全管理系统［10］。参考文献［10］和［11］对利用云技术进行大坝安全管理具有一定的指导意义。

本文拟突破传统大坝安全管理的思路，针对我国大坝安全管理的现状及特点，充分考虑云技术在安全管理上的优势，构建基于物联网技术与云技术的大坝安全管理体系，具有一定的现实意义。

2 大坝安全管理现状及特点

改革开放以来，我国在大坝安全管理上取得了长足的进步，但仍存在诸多问题，表现如下:

a.病险水库。建国以来，我国已兴建近9万余座水库，受历史遗留问题等影响，其中病险水库约3万余座，约占总数的40%，而其余的60%的水库由于长期的运行，亦存在着不少病险问题;且从北到南，从东到西，各大流域均存在一定量的病险水库，形成了潜在隐患。

b.溃坝。随着技术的进步以及管理体系的完善，溃坝的数量在逐渐减少(以小型水库为例，如表1所列)，但由于其发生的突然性，溃坝所带来的破坏力巨大，易给事发地的经济建设和社会稳定带来巨大的负面影响。

表1 小型水库溃坝统计分析表

c.专业管理人员缺乏。“重技术，轻管理”的传统思想，直接限制了管理型人才的培养。同时，水库大多位于偏远的山区，物质缺乏，且大多面临管理经费不足的尴尬，这也直接导致大量具有专业管理技能的人员不愿从事该岗位的工作。

d.硬件设施落后。当前我国水库安全管理的硬件设施极度落后，如中小型水库，自改革开放以来，一直未得到进一步改善［12］。大部分水库缺乏必需的预警设备和观测设备，造成大坝安全检查等只能凭肉眼，甚至直觉，缺乏基本的科学性与准确性。

e.日常巡视流于形式。水库的日常巡视是为了避免“千里之地溃于蚁穴”情况的发生。但一般水库区域广大，靠少量的人员，在短时间内实现不了细致的巡视。除此以外，当前水库安全管理专业人员缺乏，硬件设施落后，也直接导致日常维护流于形式。

上述a～b多为历史遗留问题造成;c～e则是现实境遇中的尴尬。以上诸问题均可以通过物联网技术和云技术得到有效的解决。

3 物联网技术与云技术介绍

3.1 物联网技术

所谓物联网，是一种通过传感技术、位置定位技术等多种手段，实时采集物体各种信息的数据网络系统。被搜集起来的实时信息，通过网络的传输、交换和处理，及时汇集到控制中心/决策中心，可以实现智能化的管理和监控。另外，由于物联网具有不受时空限制、可以全天候工作、不受天气变化影响等优点，故而，物联网具有很强的实用价值。我国在2011年颁布的《物联网“十二五”发展规划》中也明确提出，要充分发挥物联网在公共安全管理领域内的技术优势，大力推动物联网技术的应用。采用物联网技术进行大坝安全管理势在必行，是大势所趋。

3.2 云技术

采用物联网技术可以获得庞大的数据量。云技术就是为了解决庞大数据量处理和存储的重要技术。当前，云技术具体可以分为三种:混合云，私有云和公有云［9］，如表2所列。

表2 云技术分析

3.3 利用物联网与云技术的大坝安全管理优势分析

与其他行业的安全管理相类似，大坝的安全管理也应“防”、“治”并重［5］。大坝的日常巡检等工作就是对“防”思想最好的诠释;大坝的定期修检等工作则是对“治”思想最好的诠释。作为信息化时代的产物，物联网技术和云技术可以全面体现大坝安全管理中的“防”与“治”的思想，有效加强大坝安全管理，在大坝安全管理上具有常规管理方法不可比拟的优势，如表3所列。

表3 基于物联网与云技术的大坝安全管理优势分析

续表

4 利用物联网技术与云技术的大坝安全管理平台设计

4.1 设计的原则

安全管理平台的设计必须以事实为依据，以各种规范为准则，以确保大坝安全为首要目标。鉴于大坝安全管理平台的复杂性与重要性，在进行设计时，应遵循以下原则:

a.安全可靠原则。这是平台设计的首要原则，即应保证整个系统的安全性，同时亦应确保数据的准确性。

b.及时有效原则。即应保证平台搜集数据，处理数据的及时性。

c.便于操作原则。即提升该管理平台的可视性，有利于大坝安全管理工作的开展。

4.2 架构设计

采用物联网技术，一方面可以实现全方位、全天候的安全管理，另一方面也必须面对海量数据处理的问题。而云技术的出现，恰到好处地弥补了这一缺陷，大大提高了安全管理能力。为此，本文设计出利用物联网技术与云技术的大坝安全管理平台架构，见图1。

a.物联网感知层。安全管理平台的基础层，负责信息的收集、监控，并对信息及时进行反馈。其主要由各类传感器组成，如:位移传感器、湿度传感器、振动传感器等。在感知层实体建设上，应以监控/管理对象为基础，分别开展。

b.传输层。安全管理平台的重要环节，负责将信息传递给混合云应用层，以及将管理机构的操作反馈给物联网感知层，起到纽带的作用。鉴于此，传输层应设

计为双向。在实现方式上，可以分为:ⓐ感知层与网关之间的传输;ⓑ虚拟专网(VPN)传输;ⓒ其他传输。

图1 安全管理平台架构

c.混合云应用层。混合云应用层直接面对管理者，是安全管理平台的关键环节。其具有强大的数据处理能力，主要负责对信息的分析、处理。基于此，可分为混合云应用层，传输层，物联网感知层设计大坝安全管理平台架构，如图2所示。

图2 大坝安全管理平台架构

4.3 设计中应注意的问题

大坝安全管理平台设计过程中，有以下几点问题需要特别注意:

a.标准化问题。ⓐ数据信息的标准化。考虑到大坝安全管理平台所管理的对象并不仅仅局限于某一个大坝，同时，平台的使用机构也并不是某一个大坝管理机构，故而，在平台建设过程中，需注意数据信息的标准化;ⓑ除了需考虑数据信息的标准化问题外，技术上的标准化亦需得到关注，如数据接口标准化、传输系统标准化等。

b.安全问题。由于大坝安全管理关系到社会的稳定以及公共安全，有必要加强对大坝管理平台设计中安全问题的研究，杜绝任何安全盲点的出现。具体可分别从物联网感知层、传输层、混合云应用层展开讨论。

5 结论

大坝安全关系到社会的稳定和公共安全，一旦发生大坝安全事故，将会造成巨大的经济损失和大量人员伤亡。当前，虽然我国已建成各类水库近9万余座，但在大坝安全管理上仍存在大量问题。本文突破了传统大坝安全管理的思路，针对我国大坝安全管理的现状及特点，充分考虑物联网技术与云技术在大坝安全管理上的优势，在安全可靠、及时有效、便于操作原则的指导下，构建基于物联网技术与云技术的大坝安全管理平台，并指出了平台建设工程中需注意的两个关键问题，具有一定的现实意义。

［1］四川省电力工业局，四川省电力教育协会．水电站大坝安全管理与监测技术［M］．北京:中国电力出版社，2000．

［2］王正旭．美国的大坝安全管理［J］．水利水电科技进展，2003，23(3):65-68．

［3］卫宏春．震惊中外的板桥水库垮坝真相揭秘［J］．文史精华，2012(9):37-41．

［4］洪云．大坝安全管理关键技术研究［D］．南京:河海大学，2005．

［5］杜德进．大坝安全管理预警系统和应急处理计划［J］．大坝与安全，2003(1):6-9．

［6］刘颖．电子技术在大坝安全管理中的作用［J］．电子制作，2013(10):205．

［7］付丹华，刘爱莲．现代电子技术在大坝安全管理中的作用［J］．电子测试，2013(6):238-239．

［8］钮新强，大坝安全与安全管理若干重大问题及其对策［J］．人民长江，2011，42(12):1-5．

［9］赵华伟，万海山，聂秀山．基于物联网和混合云的公共安全管理平台研究［J］．计算机应用与软件，2013，30(8): 47-50．

［10］苏州九光信息科技有限公司:CN103152425A:基于云技术的移动设备的安全管理系统［P］．2013-06-12．

［11］钮新强，杨启贵，谭界雄，等．水库大坝安全评价［M］．北京:中国水利水电出版社，2007．

［12］王健．浅谈湖南省中型水库大坝安全管理存在的问题和建议［J］．湖南水利水电，2009(3):67-68．

Dam safety management based on technology of Internet of Things and cloud technology

AN Jian1，LI Huimin2
(1．Sinohydro Engineering Bureau 4 Co.，Ltd.，Xining 810007，China; 2．North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，China)

Dam safety is related to social stability and public security．Once the dam safety accident occurs，great economic loss and a large number of casualties can be caused．At present，China has built nearly more than 90000 various reservoirs．However，there are still many problems in dam safety management．In the paper，present situation and characteristics of dam safety management in our country are analyzed．On the basis，advantages of technology of Internet of Things and cloud technology on dam safety management are fully considered．Dam safety management platform based on technology of Internet of Things and cloud technology is designed and constructed with certain practical significance．

dam safety management;Internet of Things;cloud technology

TV698

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1005-4774(2015)06-0057-04