黄河勘测规划设计研究院有限公司 河南郑州 450003
摘要：针对黄河流域管理信息化的需求，基于数字黄河的理念，将堤防工程基础数据、安全监测动态数据、堤防模型数据与根石变化分析数据等信息进行网络化、数字化管理，开发了河防智能监测预警系统。本系统应用于惠金河务局，经证明具有良好的稳定性，能够准确、及时识别出险事件，为数字化工程管理提供了强有力的技术支撑。
关键词：智能监测; 数字黄河; 河防工程; 根石变形
1 前言
黄河下游堤防结构为堆石坝，河水泥沙含量高，堤防受河水冲刷严重，故而加强黄河下游堤防根石的变形监测是保障河防工程安全的重要手段。以往针对河防工程根石的变形监测主要依靠人工巡查，费时费力，安全隐患难以发现，因而提升对河防工程的安全监测水平已十分迫切[1]。
结合黄河下游河道整治工程在险情监控方面存在的漏洞，本项目旨在构建基于计算机视觉、物联网、传感器、云计算、大数据等技术的河防智能监测预警系统，对河防工程进行全方位的同步实时监测，实现隐患的早期识别和预警，确保河防工程安全。本项目拟研发一套河防智能监测预警系统，通过对堤防险工的安全状态进行实时监测，实现险情的早期识别与预警，不仅缩短河务管理部门发现工程险情及响应的时间，有效提高灾害管控能力，也为河务管理部门的灾害防治和风险管理提供依据，有利于管理部门做到提前预防，科学治理，最大限度的减少灾害险情的威胁，辅助河务管理部门防灾减灾工作的推进。开发完成后，本系统实地应用于惠金河务局。在应用期间，能够准确识别出地方的出险情形，为及时抢险工作提供了有效的指导。
2 河防智能监测预警系统设计
2.1系统架构
河防智能监测预警系统设计为数据层、基础支撑层及业务应用层的三层结构模式[2]，如图1所示。本系统采用前后端分离程序设计结构，实现了前后端代码的解耦，使用通用的接口进行数据传递，既有效提升了系统开发的效率，又增强了代码的可维护性。
2.2功能设计
河防智能监测预警系统按照分级管理的开发思想，需实现分级权限管理、项目分级管理及分级可视化管理等功能。系统功能包括：工程概况展示、实景模型展示、阵列式位移计信息管理、姿态传感器信息管理、根石探测数据展示等功能。可实现对工程基本信息、工程三维模型展示、设备数据实时预览、监测数据曲线图统计、设备运行状态统计、设备报警信息统计等功能。支持多种格式的图形和数据的组合条件查询、统计及展示，支持在线预览工程现的场三维模型、工程正射影像、根石变形计算报告等。
2.3数据库设计
河防智能监测预警系统数据存储模块基于MYSQL关系型数据库管理系统进行开发。通过采用关系数据库实现了数据的分类、分散存储管理，进而有效增加了数据存储及查询的速度，进一步提高了数据存储模块管理和维护的灵活性。本系统数据库包括：设备总表数据库、传感器类型数据库、姿态传感器数据库、阵列式位移计数据库、根石数据库、无人机倾斜摄影数据库、报表数据库、工程数据库、用户信息管理数据库等数据库组成。
图1 系统架构图
3 系统开发与运行
3.1系统开发
河防智能监测预警系统前端可视化模块开发以HTML+JS技术为基础，引入bootstrap+layUI框架模型，实现了基于原生HTML、CSS、JavaScript的Web应用程序和前端可视化界面快速开发。模块化的前端界面设计，具有体积轻盈、组件松散的特点，便于快速扩展开发及功能更新维护。
三维数据可视化模块基于开源的Cesium平台进行二次开发，Cesium具有跨平台、跨浏览器展示三维地球和地图的特性，因而得到了广泛的应用。此外，Cesium使用基于WebGL的地图引擎进行可视化模块渲染，不需要任何插件支持，即可满足海量数据的可视化需求，易于进行功能开发。面对GIS系统多样化的数据可视化需求，Cesium支持3D、2D、2.5D形式的地图展示。本系统中以通用格式的倾斜摄影模型3D切片数据作为底图，基于三维场景展示工程概况、监测设备的位置及动态等信息（如图3所示），具有2D地图难以比拟的真实性、直观性，极大改善了用户的操作体验。
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图3河防智能监测预警系统动态监测界面
3.2系统运行环境
河防智能监测预警系统稳定运行所需的软、硬件环境配置如下：
3.2.1硬件环境
服务器：CPU主频2G4核心及以上处理器、16G及以上内存。
客户端：CPU Intel-I3及以上处理器、4G及以上内存。
网络带宽：8M以上。
3.2.2软件环境
服务器：Windows Server2008及以上版本操作系统。
客户端：chrome版本浏览器。
数据库：MYSQL数据库。
部署环境：IIS6及以上容器。
3.3系统评价
河防智能监测预警系统实现了对堤防工程基本信息、堤防工程实景模型、阵列式位移计传感器数据、姿态传感器数据、根石探测数据、等数据网络数字化展示与管理，完成了预期任务指标。经过试运行和修正完善，系统性能稳定，易操作，用户无需安装客户端软件，在浏览器上即可登录运行，实现堤防工程安全检测数据成果在线展示与管理功能，为堤防工程维护加固和防汛提供技术服务。
4 结语
河防智能监测预警系统综合采用了互联网技术、新型智能传感器技术、在线监测技术[3]、云计算、大数据等手段，通过功能集成、系统管理，有效提高了河务管理部门的灾害管控能力。
本系统将工程实景模型、工程倾斜摄影模型、传感器实时数据、实时预警等功能进行综合展示与管理，制定位移、倾斜等多个监测指标的预警阈值，感知险情到预警信息推送时间缩短至5min内。管理人员可以从多角度、多方面了解当前河防工程的稳定情况，可以为灾害防治和风险管理提供依据，使管理部门做到提前预防，科学治理，最大限度的减少灾害威胁，具有良好的社会和经济效益。
通过对险情的早期准确识别和报警，河防智能监测预警系统解决了人工巡查报警的滞后性问题，更为后续抢险救灾工作赢得先机，节省财力成本，做到“智慧河防”。
参考文献：
[1]于晓龙,徐洪增.基于物联网的黄河下游防洪工程质量智慧检测[J].人民黄河,2019,41(12):127-132+137.
[2]张建军,秦文海.黄河智慧防凌平台框架与功能设计[J].电信快报,2019(06):24-26.
[3]刘晓东,王洁瑜,贾新会,侯彦峰,霍云超,胡坤.基于物联网的汾河流域智慧管控平台研究与应用[J].陕西水利,2020(10):124-126.