北 斗 联 星
1.1 背 景
党中央、国务院高度重视水库安全，习近平总书记 2017 年 11 月作出重要批示，要求坚持安全第一，加强隐患排查预警和消除，确保水库安然无恙；2020 年7 月作出重要批示，要求“十四五”期间解决防汛中的薄弱环节。2020 年 11 月，李克强总理主持召开国务院常务会议研究病险水库除险加固工作，明确要求对现有病险水库 2025 年底前全面完成除险加固，对新出现的病险水库及时除险加固。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五远景目标的建议》《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，均明确提出“加快病险水库除险加固”。 水库工程对防汛、供水、生态、发电、航运等至关重要。我国现有水库 9.8 万座，其中大中型水库 0.47 万座、小型 9.4 万座。近年来，国家发展改革委、财政部安排中央资金 1553 亿元，对 0.28 万座大中型水库和6.9 万座小型水库进行了除险加固，工程安全状况不断改善。但是，随着岁月推移，由于以下原因，有水库产生病险。一是我国水库 80%以上修建于上世纪 50 至 70 年代，大部分已超过或接近设计使用年限，年久老化。二是超标准洪水、强烈地震等自然灾害响，可能导致工程不同程度损毁。例如，2020 年我国发生了 1998 年以来最严重的汛情，造成 131 座大中型水库、1991 座小型水库损坏。三是存在“重建轻管”现象，尤其是小型水库，管护力量薄弱，疏于日常维修养护，后天不良，积病成险。 《通知》深入贯彻习近平总书记重要指示批示精神，认真落实十九届五中全会精神，按照国务院常务会议要求，明确提出了“十四五”期间水库除险加固和运行管护的总体要求、工作措施、各方责任。《通知》也是贯彻落实习近平总书记治水重要讲话精神和“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路的具体体现，对水利高质量发展、国家水安全保障具有重大意义。
1.2 安全监测的需求与内涵
随着时间推移，从客观实际出发水库大坝结构、气象水文条件、地质环境条件均会发生一定程度的变化，为保障水库、大坝运行安全，开展相应的安全监测预警工作提供技术和决策支持，显得尤为重要和紧迫；再者，我国 95%的水库为小型水库，量大面广，基本为县级政府或乡镇村组所有，由于大多数地区基层力量薄弱，小型水库管护能力和水平较低，难以实现统一规范管护。为此，在物联网传感、通讯技术、信息技术取得长足发展并日臻成熟的背景下，开展自动化、信息化、标准化的安全监测预警工作，更有利于水库大坝日常巡查、维修养护、安全监测、调度运用工作的开展。基于行业发展历程及发展趋势，水库大坝安全监测其内涵有所转变，从坝体结构运行状态监测为主转变为坝体运行状态、库区水雨情、水库大坝安全监测预警解决方案水文、水质以及地质环境监测等方面，从单纯的服务于技术管理向服务综合管理转变。
1.3 执行的技术标准和规范性引用文件
1）技术标准
（1）《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）
（2）《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）
（3）《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）
（4）《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）
（5）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）
（6）《工程测量规范》（GB50026-2007）
（7）《全球定位系统(GPS)测量规范》（GB/T18314-2009）
（8）《明渠堰槽流量计》（JJG711-90）；
（9）《水位观测标准》（ GB T 50138-2010）
（10）《公共安全视频监 控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》（GB/T28181-2016）
（11）《水利视频监视系统技术规范》(SL 515-2013)
（12）《通信用太阳能电源系统》（GB/T 26264-2010）
（13）《外壳防护等级（IP 代码）》（GB 4208-2008）
（14）《电工电子产品环境自然环境条件温度与湿度》（GB4797.1-2005）
（15）《通信电源设备的防雷技术要求》（YD/T 944）
（16）《信息安全技术网络基础安全技术要求》（GB/T20270-2006）
2）规范性引用文件
（1）《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》（国办发〔2021〕8 号）
（2）《小型病险水库除险加固项目管理办法》（水利部 2021年 10 月 19 日）
（3）《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》（水利部 2021 年 10 月 19 日）
（4）《水库大坝安全鉴定办法》（水利部）
（5）《坝高小于 15 米的小（2）型水库大坝安全鉴定办法（试行）》（水利部）
如今的水库大坝安全监测手段还主要停留在人工采集数据的传统阶段，但是由于其监测范围小、工作量大、效率低，采用传统人工方式进行监测的次数有限，也即存在较大的时间域空白，无法获取水库大坝营运期间的实时动态数据，不能实时掌握水库大坝安全状况，因此无法对水库大坝运营提供实质的帮助。近年来，自动化监测技术逐步成熟，水库大坝自动化、信息化、标准化安全监测可实施性增强，其主要特点如下：
自动化采集传输：通过在大坝监测点布设监测终端设备，采用北斗+4G/5G 网络部署方式，各类监测站点设备可根据预置的监测频率自动完成数据的采集和传输，建立自动化监测系统及工作机制，能有水库大坝安全监测预警解决方案效提升监测效率和管理水平。
智能化在线分析：水库大坝自动化监测系统可根据监测参数，进行智能在线分析，计算出三维位移分量及各向变形速率，自动生成变形历史曲线、变形分布图和多因素相关图，并且定期生成大坝变形数据分析报告、三维向量分析报告，以供监管方掌握关键的安全指标，为大坝安全管理提供决策支持。
多功能预警报警：大坝一旦发生严重的变形，将造成严重的安全事故和巨大的经济损失，系统的建设具备风险自动报警功能，当监控参数超限，系统能够自动进行声光报警、短信报警、邮件报警，提醒相关人员采取措施，预防事故发生。
1）现场监测系统
针对本项目安全监测工作实施，监测系统分为传感、传输、分析、应用四个层次，安全监测系统架构如下图：
2）软件系统功能架构
本监测工作实施涉及软件系统有巡查巡检 APP、安全监测软件平台两大部分。其中巡查巡检 APP 主要用于巡库、设备巡检、宏观巡查影像采集、资料填报使用，平台软件主要包括数据采集、数据存储与分析、成果数据及预警研判等专用应用。
为贯彻库区监测运行维护工作科学管理要求，需结合应用需求定制开发了 APP 系统，其主要功能界面参照图所示。
图 7 APP 主要功能界面
从宏观层面上该 APP 系统实现在手机端对库区安全监测进行巡检维护记录、设备维修记录、人员运维轨迹记录等管理。同时为保障运维工作有效的开展，设备运维管理 APP 实现与平台软件的对接，上报现场相关情况。
从具体微观层面上来说，该设备运维管理 APP 具备以下主要功能：
（1）主界面基于第三方地理信息插件，从两个层级展示待运维对象，一是展示运维点地理位置，二是展示各监测点位地理位置，基于此可实现运维工作计划制定以及运维路线规划；
（2）主界面各监测点关联设备状态信息，实现设备当前状态查询、历史运行状态追溯，未来运行状态预测；
（3）主界面悬浮按钮可开启/关闭轨迹记录功能；
（4）主界面下部设置三个菜单，一是实现运维计划制定或导入，实现运维时间节点提醒；二是设置各隐患点运维责任人，该功能关联后续签名有效性；三是导入各监测仪器设备详情，包括但不仅限于设备厂商、品牌、型号、技术参数、维保记录等。
（5）宏观地质巡查界面完全执行相关标准规范规定而编制，实现对主要变形迹象或异常迹象的描述及影像采集，并可上传至制定信息系统，同时支持定制化导出，作为相应的宏观地质巡查表格。
（6）仪器设备巡检界面主要依据项目运维实际需求而开发，实现各监测仪器设备状态查询，宏观微观巡检情况记录以及运行隐患预测，上述信息采集后可上传至制定信息系统，同时支持定制化导出，作为相应的仪器设备巡检记录表格。
水库大坝安全监测软件平台主要包括项目管理、数据管理、数据分析、定制输出、辅助功能等模块，开发期间注重平台整体可视化效果（包括安全监测展示、水雨情、出库流量、视频可视化展现），其主要功能架构如下：
