大坝安全监测与预警评估系统

1.三维信息化

(一)BIM建模 

1)坝体结构模型

1、左岸挡水坝段；

2、右岸挡水坝段；

3、溢流坝段，包含闸墩和闸门。

2)溢流建筑物模型

1、溢流坝闸门启闭房；

2、左岸进水口闸门启闭房；

3、右岸泄洪洞进口检修闸门和工作闸门启闭房。

3)进水口模型

1、生态放水孔模型，包括阀门；

2、左岸进水口模型，包括进水口闸门；

3、右岸泄洪洞模型，包括泄洪洞进口闸门。

4)主要电气设备模型

1、闸门启闭设备，包括四个启闭房中的卷扬机，启闭控制柜

2、监测设备，包括液位计、坝前水温温度计、GNSS基站、测量机器人、坝肩渗漏微型流量计、应变计、雨量站、测缝计；

3、视频监控设备。

5)三维信息模型的展示管理模块

1、将所有大坝监测设备与水库的主要水工建筑物在三维信息化模块实现动态关联，并在系统中统一展示；

2、实现实时闸门开度和流量、水位在模型中的动态展示，同时，在BIM模型上附加所有监测设备信息，在对应的实际位置上链接设备信息并为监测数据导出提供接口；

3、通过对监测设备的空间位置进行标定，在建筑物三维信息模型中展示各类监测设备位置；

4、通过PostgreSQL技术在底层数据库中动态更新实测数据，构建数据库与三维信息模型接口，在大坝安全管理系统中可以随时调用和展示任意位置、任意时间的监测设备信息，真正意义上实现对监控对象的时间和空间状态的把控。

(二)web-GIS平台 

6)地理空间数据

1、通过Web-GIS使用户可通过互联网获取需要的各种地理空间数据和图形图象数据；

2、采用Web访问标准，更易于桌面、Web、移动等多种客户端的访问；

3、采用流方式加载数据特性，能够支持更大规模场景数据更高性能地加载显示；

4、可使正射倾斜影像数据等多源数据能接入Web-GIS平台中。

7)图形图象等数据关联和管理

1、结合BIM技术开发，合理、便捷地展示库区地貌地形、雨量站分布、水库相关建筑物等相关信息，实现普通用户通过网络查询地理信息、建筑信息和监测信息。

2、实现地图基本操作应具备漫游，缩放，图元点的选取，图元矩形、圆形、多边形选择，距离测量，面积测量，鹰眼图，属性数据查找图元，圆饼图/直方图专题图显示，比例尺显示和图例显示等通用的GIS功能；

3、应支持动态图层的生成，并可根据设置条件动态生成各种专题地图；矢量地图应支持SHP文件；平台应支持BMP、GIF、JPG、PNG、TIF多种图片输出功能和遥感影像图加载显示功能；应支持电子地图与遥感图的互相切换显示；平台应支持等值线、等值面的计算分析功能；平台应支持卫星云图、雷达图图片的投影转换功能；平台应支持业务数据的叠加，动画展示。

8)web端开发

1、平台采用B/S架构将系统核心部分集中在服务器上，浏览器通过互联网发送请求到Web服务器处理，通过反向代理将请求转发给应用服务器进行处理，通过WSGI协议交由基于Flask框架的信息平台处理返回处理结果，并由该平台访问业务数据库和缓存服务器；

2、浏览器通过互联网访问GIS服务器，采用Javascript通过REST接口请求GIS服务器中的服务，通过空间数据库引擎访问空间数据库，然后shape文件中的数据返回给客户端；

3、通过负载均衡算法将网络请求转发给多个不同应用服务器进行处理；

4、平台需设置允许将缓存数据保存到非关系数据库中统一保存，可解决时段信息（session）丢失的问题；

5、地图发布门户能根据用户所访问数据类型在地图发布服务器集群中找到相应的地图发布服务器，由它访问空间数据，生成图片和网页返回给用户。

(三)BIM轻量化处理 

9)信息数据提取

1、BIM模型信息：在现有体系下的BIM工程建模中，从原始BIM模型中提取模型信息数据；

2、构件遍历：在提取出的模型信息数据中逐个分析构件几何数据，通过二次开发应用程序接口，遍历BIM建模平台中的工程文档以及族文档；

3、构件提取：对提取出的所有构件的清单以及每个构件清单所使用的族信息数据(非自建族则可直接提取该工程构件的几何等信息数据)，以点与面为基本单位，使用二次开发应用程序接口提取工程构件的几何数据。

10)信息数据处理

1、数据解析：使用线性代数与空间解析几何的数学方法，对BIM模型中同类型的构件进行分析，分析出使用可复用技术成型的构件模版数据和在BIM模型中的坐标系矩阵数据；

2、数据存储：将这些数据由内存中的数据以可持久化的形式序列化为本地数据文件，并通过使用数据库的方法将得到的数据进行分门别类地存储，存储于相应的存储设备系统中。

11)信息数据还原

1、数据转换获取：从存储设备系统中或者经过网络接收，获取到数据后，通过原始构件模版的局部坐标系网格数据，结合矩阵数据进行运算获得的坐标系，进行预定义的数据结构解析，得到矩阵数据和构件模版几何数据；

2、数据重构：使用矩阵数据与其构件模版几何数据，通过线性代数与空间解析几何的数学方法计算后，逐个解析信息，重新还原该构件在BIM模型世界坐标系下的实际物理位置数据，即还原成原始BIM模型中的构件。

2.大坝安全监测数据集成 

(四)数据采集

1、数据采集对接要包含主流数据库、接口、文本等各种数据源方式的对接模块；

2、采集对接采用分布式并行数据处理架构，提供数据采集和数据加载处理，提供负载均衡、弹性扩容机制，提供高效数据加载能力；

3、加载要能够支持基于时间和事件的数据加载任务调度；

4、提供可靠数据传输和高效数据传输两种数据传输模式，满足不同使用场景要求；

5、提供清洗转换机制、调度机制、自定义机制。

(五)大坝安全监测数据中心库

12)监测数据主题库

监测数据库包括实时水雨情数据、环境量监测数据、大坝安全监测数据以及对应的历史沉淀数据等。

13)业务数据主题库

基于大坝安全监测管理业务需求，定制大坝安全评估业务应用对应的业务数据库，水文数据库，其过程数据、分析预测预报数据等，按照类别构建。

14)基础数据主题库

基础数据库包含有流域基础地理底图、溪源宫水文站数据、溪源水库数据、闽江基础数据、溪源江数据等。

15)空间数据主题库

空间数据库主要针对水利基础地理信息数据及水库大坝三维建模数据等。

16)标准主题库

标准库作为数据标准参照规范库，讲防汛水利相关数据标准建库，包含《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》、《水资源监控管理系统数据库表结构及标识符标准》、《实时工情数据库表结构及标识符》等国家、行业标准。

(六)大坝安全监测展示平台

17)大坝安全智能监测分析可视化

大坝三维模型实时展示    

实现BIM三维模型在系统内集成展示：真实反映建筑物情况和设备安装空间方位；实现动态关联，支持不同方式快速定位监测设备，包括根据预警时间、测点、设备等分类方式进行快速定位，可根据预警设备的实际位置在三维模型或者地图上进行定位展示，查看设备对应的时程数据，在大坝上的设备可以支持三维横截面的方式直观展示，可展示对应的设备基础信息。

大坝安全实时告警    

1、实现监测项目告警：支持将监测项目分类并对不同分类项目进行数据采集，对该监测项目支持全部、分类两种方式进行统一的数据值实时监控，可对监测数值进行实时分析给出预警判断，实现状态跟踪。

2、实现大坝安全综合评判告警：支持对所有的监测点进行评判，通过区分正常、异常监测点以及异常项，进行大坝安全状态的综合性评判，并实时告警。

水库水位库容监控分析    

1、以剖面图的形式展示包括实时水位和库容、水库示意图、高程坐标、特征水位线（汛限水位、设计洪水位、校核洪水位）等； 、实时监控特征水位，显示所有特征水位高程，用户可以清晰地了解当前水情发展态势； 

3、显示水库所有信息，包括溪源水库基本信息、水库示意图、水库库容等内容。

监测展示    

1、降雨量网格分布图展示：监控信息系统应用拓扑算法对各雨量站降雨量计算、分析、校正后，实时生成更新当前流域内的雨量网格分布图，用户可以在图层功能中通过勾选的方式查看或关闭雨量网格图，与电子地图进行叠加查看，可进一步分析监测设备是否准确、降雨区域是否需要重点监测等功能；

2、降雨量柱状图展示：用户可通过设置时间节点，系统自动生成该时间段的雨量柱状图；显示该监测站点的累积雨量值，对降雨过程进行曲线分析；

3、降雨量趋势预报：系统对当前站点的降雨情况进行采集，通过气象部门公布的雷达图对未来一段时间的降雨信息进行分析，在柱状图的展示界面显示未来一段时间可能的降雨量。

监测数据统计分析    

1、实现监测数据编辑：可对监测项目进行分类分时段进行统计，查看其统计结果，并可修改其中数据。支持手动批量导入监测数据，修改设备监测数据，导入和修改结果在监测信息中更新并展示。

2、实现监测数据展示：对不同监测项目进行灵活的数据展示，可实现对监测项目进行分类，根据不同时间选择对单个、多个监测设备进行时程图信息展示，以及对该监测设备的统计信息进行展示。 、实现预测数据展示：对不同监测项目进行灵活的预测分析，可按照监测项目进行分类，能够灵活设置预测的时间范围，对单个、多个监测设备进行预测图展示，预测可提供3σ上限、3σ下限、2σ上限、2σ下限、σ上限、σ下限展示。能够对监测项目的预测信息进行统计展示，包括预测最大值、预测最大值时间、预测最小值、最小值出现时间、均值、方差，并可根据不同的监测项采用不同的预测时间间隔进行趋势分析展示。

4、用户可以根据不同时间段生成相应的区域内的详细监测统计表单，并且可以对表单进行打印和下载。

18)视频监控智能指挥舱

1、支持对主流视频设备进行接入，并集成了视频监测模块数据，将各个监测站点对应的实时视频图像信息进行展示，用户可以直观地查看出监测站点实地现场情况。

2、用户通过点击Web-GIS测站或监测数据界面中视频端口，进入视频监测信息实现点那看那的实效性，保障管理中心能够实时、直观的进行管理和监控。

19)大坝设备控制 

视频设备管控    

通过在大坝三维BIM模型上，植入视频监控图标，在工作人员进行闸门控制操作的整个过程中，可以快速进行定位要进行监控的视频监控调取载入，并进行对应的点击查看，载入对应位置的闸门监控信息。

物联设备管控

支持对水位站、雨量站、温度计、坝体表面位移、裂缝计、渗流计、应变计等灵活增删改管理操作，并对部署在不同位置的不同类型的物联设备进行预警阈值设置，平台结合在地图上实现动态预警，为工作人员提供直观服务。

大坝安全监督模型导入器

1、基于当前各类型大坝监测数据进行趋势分析，了解各个测站数据、传感实时数据的当前发展情况并进行趋势分析，通过机器学习模型为掌握未来发展趋势提供预测预警能力延申并实现安全监控指标拟定，结合非线性有限元结构计算模型拟定不利荷载组合条件下的监控指标，为管理工作人员提供实时指标性数据决策参考；

2、平台通过支持加载算法包的方式进行对应的算法导入，高效快速实现对应的算法模型集成应用。

20)巡视检查APP

1、可通过GPS定位、GIS地图识别巡查人员和水库的位置、线路，防止巡查员不到现场假巡查情况的发生。

2、可按下载的巡查任务逐项巡查，避免漏查，同时自动巡查签到。提供水库规范的巡查表（包括巡查部位、巡查频次等），不会漏查内容，每个巡查点状态分为未完成和已完成。

3、提供规范的巡查路线指引，提供巡查人员最为专业和便捷的现场指导、建议、方法、措施等工具。

4、根据水库巡查的技术规范要求，每一个巡查建筑物的检查项结果分为正常、各部位问题、其它险情三种。并可以文字描述、拍照等说明方式上报，同时提供现场指引及采取措施的指导。

5、在发现险情时，可拍现场图片上传并将报警信息直接上报到智能巡查平台，并自动通知相关人员。

6、隐患整改过程和整改完成后，可进行隐患复查并上报。

3.大坝安全监测分析

(七)监测数据接收处理

1、支持对大坝安全监测设备采集到的原始数据进行预处理，包括测值去噪、异常判断等。

2、支持利用粗差识别方法建立数据预处理模型。

3、支持对实测值进行转换和处理，通过编制相应的预处理程序将采集数据格式转换为分析程序可读格式。

(八)监测数据分析

支持用户通过操作选取监测项目、预报时间以及预报模型，能够对大坝安全的核心监测量建立多种分析模型（多元线性回归模型、高斯过程回归模型、卷积神经网络模型、LSTM网络模型）进行专项分析，并利用3σ准则进行预警判断。

(九)监测报告生成    

1、支持由用户一键生成或者定期自动生成大坝安全监测分析报告。

2、报告包括工程概况、坝体及周边区域环境介绍、监测设备介绍、各监测设备对应时段的监测数据、监测数据分析结果（包含位移回归分析结果、位移-裂缝开度综合分析结果等内容）以及大坝运行状态基本判断结果。

3、生成的报告包含word和pdf版本，并且将生成的图表信息存放，以备查验。

(十)大坝安全监控指标预警    

1、支持在现行的拱坝服役状态评价体系中根据拱坝不同运行状态特征对坝体安全监控指标进行选取。

2、预警系统综合考虑大坝可能遇到的极端情况，以位移监测数据作为基础，综合考虑裂缝、渗流、水位、温度等其他因素影响，构建针对浆砌石拱坝服役特点的多级监控指标。

3、大坝安全监控指标预警：综合分析砌石拱坝安全各类因素，拟定坝体的整体监控指标，在监测数据单项分析评判的基础上，对大坝安全状态给出综合评价。