云計算與水文信息化

柳 林 ，仝黎熙 ，楊 敏

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 遷西 064309）

1 引言

經(jīng)過多年的建設(shè)，水文信息化取得了顯著成就，提高了管理能力和服務(wù)水平，并在水文工作中發(fā)揮了不可替代的重要作用。隨之也產(chǎn)生了一系列的問題：信息采集方式落后，在采集的信息種類、頻次、站點布局和應(yīng)急監(jiān)測等方面，面對國家防災(zāi)減災(zāi)、實施最嚴(yán)格的水資源管理和保障民生與社會經(jīng)濟發(fā)展的要求，其支撐能力相對滯后亟待進一步提高；在信息服務(wù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)方面，信息資源的開發(fā)利用程度低、共享困難、系統(tǒng)間難以銜接等問題仍然突出，無法滿足業(yè)務(wù)協(xié)同的需求。相關(guān)問題雖然得到了重視，但由于資金和技術(shù)等原因，仍未得到有效解決。

2006年，云計算（Cloud Computing）的概念首次由Google公司提出。隨著技術(shù)發(fā)展和研究實踐的不斷深入，物聯(lián)網(wǎng)、云計算已經(jīng)不再停留在概念層面，云計算已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

鑒于物聯(lián)網(wǎng)在水文行業(yè)已有相關(guān)應(yīng)用分析及案例，而云計算在水文信息化建設(shè)中還是個空白，筆者將重點分析云計算在水文信息化中的應(yīng)用。

2 認(rèn)識誤區(qū)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)識混亂

目前流行的一種觀點將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)對立，認(rèn)為它們是2個不同或不完全相同的網(wǎng)絡(luò)，或者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將會取代互聯(lián)網(wǎng)。筆者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)僅是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與擴展的一個階段性特征，可以說物聯(lián)網(wǎng)是將原有互聯(lián)網(wǎng)的范圍擴展與升級，使得未來互聯(lián)網(wǎng)比先前的互聯(lián)網(wǎng)更為復(fù)雜、包含的范圍更為廣泛，即人與人、人與物、物與物的網(wǎng)絡(luò)綜合體，其本質(zhì)還是互聯(lián)網(wǎng)，即由多個計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接而成，而不論采用何種協(xié)議與技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)。

2.2 云計算和分布式計算混淆

分布式計算研究是把一個大型的計算問題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給網(wǎng)絡(luò)中大量的計算機分別進行處理，最后把計算結(jié)果綜合起來得到最終結(jié)果，其重點是利用網(wǎng)絡(luò)中計算機CPU的閑置處理能力來解決大型計算問題。而云計算重心是服務(wù)和虛擬化的資源，其中分布式計算可以認(rèn)為是云計算的一種服務(wù)方式。同樣是“計算”，但兩者的含義大不相同，這也是兩者易被混淆的一個主要原因。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)和云計算割裂

物聯(lián)網(wǎng)和云計算都是當(dāng)前的熱點，很多城市或部門分別出臺了自己的物聯(lián)網(wǎng)或者云計算發(fā)展規(guī)劃，將兩者人為的割裂開來。然而物聯(lián)網(wǎng)與云計算本就是相輔相成，它們的共同之處在于都是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺，兩者之間互相依存、互相促進、共同發(fā)展。一方面，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開云計算的支撐，云計算憑借處理能力、存儲能力成為物聯(lián)網(wǎng)的后臺支撐平臺，缺少云計算的支持物聯(lián)網(wǎng)的工作性能無疑會大打折扣；另一方面，云計算中各類軟件、信息服務(wù)需要物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)來更好地滿足用戶各個層面的應(yīng)用需求，失去了物聯(lián)網(wǎng)的云計算在信息服務(wù)方面也將黯然失色。

3 水文信息化的發(fā)展瓶頸

水文作為社會公共信息服務(wù)行業(yè)，其信息不僅為水利行業(yè)服務(wù)，更是為全社會生活生產(chǎn)服務(wù)。水文數(shù)據(jù)庫也是我國四大基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源數(shù)據(jù)庫之一 “自然資源和空間地理基礎(chǔ)信息庫”的重要組成部分，這充分表明水文信息是國家最基本的信息資源。

水文信息化的目標(biāo)是為社會提供更新、更好的信息產(chǎn)品。因此，如何利用先進的技術(shù)，獲取更多種類、更大時空尺度的信息，充分開發(fā)利用水文信息資源，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，是水文信息化要解決的根本問題。雖然水文信息化在過去多年的建設(shè)中取得了很大的發(fā)展，但在信息化體系、基礎(chǔ)信息源建設(shè)、信息服務(wù)和應(yīng)用整合與協(xié)同理念等方面仍然存在較大差距。目前水文信息化建設(shè)具有明顯不足：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施落后：水文是信息密集型的基礎(chǔ)行業(yè)，基礎(chǔ)信息的建設(shè)尤為重要。目前，測站數(shù)量嚴(yán)重不足，并且許多測站還處于人工觀測的階段，信息采集手段落后、效率低，影響了信息的數(shù)量和精度。

（2）信息服務(wù)有待加強：水文行業(yè)的成果是信息，信息的價值體現(xiàn)在對內(nèi)對外的服務(wù)。對內(nèi)服務(wù)有助于提高協(xié)作能力和業(yè)務(wù)水平，對外服務(wù)則是水文行業(yè)對整個社會的職責(zé)。隨著信息技術(shù)發(fā)展，借助網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段，通過對水文各類信息資源開發(fā)利用，對各類需求提供多樣化的、合適的分析加工產(chǎn)品是水文信息服務(wù)的發(fā)展方向，也是水文信息化的發(fā)展目標(biāo)。

（3）整合與協(xié)同應(yīng)用亟待加強：由于前期建設(shè)缺乏整合與協(xié)同應(yīng)用的理念，各類信息系統(tǒng)的相互分割和基礎(chǔ)信息的分散導(dǎo)致使用不便，形成了“信息孤島”，影響了信息服務(wù)水平，制約了水文信息分析處理能力的提升。

因此，在通信網(wǎng)絡(luò)日趨完善的前提下，水文信息化必須重點解決信息的采集、服務(wù)和應(yīng)用3個環(huán)節(jié)的問題，逐漸形成以數(shù)據(jù)采集和處理自動化為基礎(chǔ)、以智能化知識發(fā)現(xiàn)工具為手段的水文信息服務(wù)。

4 云計算應(yīng)用構(gòu)想

云計算對于水文信息化的意義在于實現(xiàn)資源的整合與業(yè)務(wù)的協(xié)同，提升對海量數(shù)據(jù)存儲、分享、挖掘、搜索、分析和服務(wù)的能力，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為無形資產(chǎn)得到統(tǒng)一有效的管理，同時為更多公眾服務(wù)。

云計算通過網(wǎng)絡(luò)將各類計算服務(wù)分布在各地的計算機上，為用戶的需求提供服務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模龐大使得云計算的服務(wù)顯得異常神秘，對于熟悉了傳統(tǒng)客戶端服務(wù)器模式的用戶來說會存在這樣那樣的疑問，如誰為我提供的服務(wù)、怎么部署的、什么樣的計算過程、信息是否準(zhǔn)確安全等。其實，云計算并不神秘，在水利信息化建設(shè)中已有類似應(yīng)用，近年來投入使用的實時雨水情數(shù)據(jù)庫和水情信息交換系統(tǒng)就部分借鑒了云存儲的理念。

5 水文信息化主要內(nèi)容

水文信息化圍繞水文信息的采集、傳輸、存儲、信息服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用進行。信息采集系統(tǒng)主要由監(jiān)測儀器、傳感器、衛(wèi)星、遙感、GPS等儀器設(shè)備單獨或組合而成。信息傳輸系統(tǒng)包括有線傳輸（光纖、電纜、公用電話等）、無線傳輸（超短波、衛(wèi)星、GPRS/GSM等）、傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。信息存儲系統(tǒng)將各類信息保存在數(shù)據(jù)庫中。信息服務(wù)系統(tǒng)是面向防汛、抗旱、水資源配置等事務(wù)管理提供數(shù)據(jù)、圖表等基礎(chǔ)性服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)包含相關(guān)的分析、統(tǒng)計、預(yù)測、預(yù)報、評價等功能。

5.1 信息采集

信息采集系統(tǒng)是水文信息化的基礎(chǔ)，水文信息化建設(shè)采集的主要信息類型包括降水、水位、流量、水質(zhì)、蒸發(fā)、墑情等各類信息。采用傳感器微電子技術(shù)，把水文信息通過傳感器轉(zhuǎn)為電子信號并通過傳輸系統(tǒng)傳到數(shù)據(jù)中心，同時也可以對測站實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。信息采集系統(tǒng)建設(shè)的目的就是獲取更多種類、更大時空尺度的信息，在時間、空間和水文要素3個方面拓展自身的信息獲取能力。

5.2 信息傳輸

信息傳輸要充分應(yīng)用現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)和計算機應(yīng)用技術(shù)等方式和途徑，借助通信衛(wèi)星、短波數(shù)傳、公用分組交換網(wǎng)、微波通信網(wǎng)以及Internet等媒介，組成完整、高效的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高信息傳遞的可靠性、時效性和準(zhǔn)確性。

5.3 信息存儲

水文信息通過自動采集或信息化處理后，其數(shù)據(jù)和信息量將是海量的，其存儲主要依賴于分布式存儲系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫建設(shè)實現(xiàn)對水文信息數(shù)據(jù)進行分類、存儲、管理。

5.4 信息服務(wù)

作為重要的基礎(chǔ)信息，水文信息無論是在水利行業(yè)還是國家社會經(jīng)濟等方面都有廣泛應(yīng)用。水文不僅要以及時、準(zhǔn)確的水文信息和分析預(yù)報成果在防汛抗旱中為決策提供科學(xué)依據(jù)，而且要為水資源配置、節(jié)約和保護等涉水事務(wù)的管理提供基礎(chǔ)性信息服務(wù)。

在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)面向不同用戶的信息服務(wù)，包括水位、流量、泥沙、水質(zhì)、雨情、蒸發(fā)、墑情以及報汛站基本信息等各類信息，并展現(xiàn)各種分析之后的統(tǒng)計結(jié)果，通過圖形顯示功能繪制雨量柱狀圖、雨量分布圖、水面線圖、洪水過程線圖、大斷面圖等實現(xiàn)信息的可視化，為相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用或業(yè)務(wù)需求提供信息服務(wù)。

（1）基礎(chǔ)信息：提供行政區(qū)劃、河流水系、地形地貌、氣候特征和歷史洪水等基本情況，提供信息的圖表查詢、基于GIS的地圖展示等服務(wù)。

（2）站網(wǎng)信息：實現(xiàn)對各類水文站（包括水文、水位、雨量、蒸發(fā)等）、報汛站、遙測站、地下水監(jiān)測站、水質(zhì)監(jiān)測站等的基礎(chǔ)信息服務(wù)，包括各類測站位置、概況、站類、站級、設(shè)站目的、受水利工程影響程度、測驗項目、測流方式、水文特征值、控制范圍等測站基本信息。

（3）氣象信息：提供衛(wèi)星云圖、氣象圖、數(shù)值預(yù)報、天氣短、中、長期降雨預(yù)報、重要和極端天氣預(yù)警（消息）、臺風(fēng)消息、臺風(fēng)警報、臺風(fēng)緊急警報、臺風(fēng)路徑信息（包括位置、強度、預(yù)報）、雷達(dá)回波圖、降雨量預(yù)報分布圖等實時氣象信息服務(wù)。

（4）雨情信息：提供雨量檢索、累計雨量分析、降雨等值線等值面等信息服務(wù)。

（5）水情信息：提供河道、水庫和閘壩的水位、流量信息查詢、水位流量過程線分析、水位蓄水量過程線分析、出入庫水位流量過程分析、多站對比分析、歷史同期對比分析、歷史洪峰對比分析等服務(wù)。

（6）水質(zhì)信息：對河道控制站和入河排污口水質(zhì)監(jiān)測斷面的水質(zhì)狀況進行查詢、統(tǒng)計、分析服務(wù)。

（7）地下水信息：查詢與發(fā)布地下水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及模型成果數(shù)據(jù)，動態(tài)反映地下水的歷史變化過程和現(xiàn)狀。

（8）墑情信息：提供各類遙感、人工監(jiān)測土壤墑情信息，并集成土壤、植被、氣象、地下水、水源地、城市供水等信息服務(wù)。

（9）報表管理：提供報表模板管理、報表定制、報表輸出等功能。根據(jù)業(yè)務(wù)需要制作報表模板、基于報表模板對要輸出的報表格式進行定制，并綁定數(shù)據(jù)源進行報表輸出。

5.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用

隨著水文科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，大量業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)（如站網(wǎng)管理系統(tǒng)、洪水預(yù)報系統(tǒng)、蓄滯洪區(qū)洪水演進系統(tǒng)、枯水期徑流預(yù)報系統(tǒng)、地下水管理系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)、墑情管理系統(tǒng)等）相繼投入業(yè)務(wù)分析處理應(yīng)用。

（1）站網(wǎng)管理系統(tǒng)：為掌握水文監(jiān)測動態(tài)信息，及時調(diào)整站網(wǎng)布局提供工具支撐，實現(xiàn)各類水文站（包括水文、水位、雨量、蒸發(fā)等）、報汛站、遙測站、地下水監(jiān)測站等的動態(tài)管理。

（2）洪水預(yù)報系統(tǒng)：實現(xiàn)對雨水情信息分析處理、預(yù)報參數(shù)的過濾計算、預(yù)報方案的優(yōu)選比較、專家經(jīng)驗的整合參考、預(yù)報成果的綜合分析、洪澇災(zāi)害分析預(yù)測、預(yù)報結(jié)果的綜合輸出以及預(yù)報成果的檢驗分析，以提高洪水預(yù)報的精度和預(yù)見期。

（3）蓄滯洪區(qū)洪水演進系統(tǒng)：通過在2維數(shù)字地形圖或3維數(shù)字模型上疊加各種水文要素、經(jīng)濟社會及生態(tài)信息，綜合地表達(dá)水文要素和各種地理實體的空間分布，分析洪水演進過程，統(tǒng)計估算經(jīng)濟損失。

（4）枯水期徑流預(yù)報系統(tǒng)：在分析研究氣候特征及枯季徑流來水規(guī)律的基礎(chǔ)上，用水文氣象方法和水文方法分別建立枯水期徑流預(yù)報模型，為水資源管理和調(diào)度服務(wù)。

（5）地下水管理系統(tǒng)：通過構(gòu)造地下水水流測試模型，以可視化的形式對地下水位及其變化作出反映，對區(qū)域水量平衡進行分析，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)度。

（6）水質(zhì)預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)：通過構(gòu)造河流中污染物的擴散輸移模型，對污染物的擴散及輸移進行模擬分析，對河流水質(zhì)狀況及其變化作出預(yù)測，提高對突發(fā)、惡性水質(zhì)污染事故的預(yù)警預(yù)報及快速反應(yīng)能力，為水資源管理和優(yōu)化配置服務(wù)。

（7）墑情管理系統(tǒng)：利用遙感、水文、氣象、農(nóng)業(yè)等信息，采用多種方法，估算各類干旱指數(shù)及其綜合指數(shù)，分析旱情狀況和未來旱情發(fā)展變化趨勢，為指導(dǎo)抗旱、水資源調(diào)度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

6 云計算與水文信息化

6.1 物聯(lián)網(wǎng)與信息采集

信息采集與傳輸是水文信息化的基礎(chǔ)。然而，由于數(shù)據(jù)采集點數(shù)量少、范圍廣、技術(shù)落后和自然條件惡劣等原因，長期以來信息的采集傳輸一直是制約水文信息化發(fā)展的一個瓶頸。

與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等并不是全新的技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的“物”在水文信息化中可以泛指各類固定或移動采集設(shè)備和各類水工建筑物。物聯(lián)網(wǎng)在信息采集方面的應(yīng)用其實就是將測站數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和控制模塊融為一體，實現(xiàn)各種信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動采集、實時傳輸、處理和控制。通過對各類實時信息的采集、控制、傳輸、處理加工和應(yīng)用，切實提高水利行業(yè)管理的綜合能力和管理水平，實現(xiàn)向動態(tài)管理、精細(xì)管理、定量管理和科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變。

6.2 云存儲與信息共享

水文信息的存儲與共享是水文業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。云存儲通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格或分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中海量的不同類型存儲設(shè)備或系統(tǒng)通過應(yīng)用軟件平臺集合起來協(xié)同工作，提供統(tǒng)一的水文業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問，為防汛、抗旱、水資源管理、水環(huán)境保護等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供信息服務(wù)與支持。

云存儲通過對海量數(shù)據(jù)存儲、分享、挖掘、搜索、分析和服務(wù)，對各類水文數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一有效的管理，同時借助數(shù)據(jù)集成和融合技術(shù)，打破區(qū)域、部門間的數(shù)據(jù)限制，實現(xiàn)規(guī)范的常態(tài)化的信息服務(wù)與共享機制。這符合目前水利行業(yè)內(nèi)各類信息資源分級分類信息管理的模式；同時，適合于諸如防汛、山洪、水污染這突發(fā)事件等現(xiàn)地與指揮中心聯(lián)合指揮中對于現(xiàn)地指揮統(tǒng)一、有效、有針對性的信息支持。同時，云存儲還在一定程度上提供了對重要數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的功能，展現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和備份向資源集中化和服務(wù)化轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢。

6.3 云桌面與信息服務(wù)、業(yè)務(wù)協(xié)同

云桌面是云計算的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是最具特點的應(yīng)用之一。通過云計算平臺將各類公有云和私有云應(yīng)用服務(wù)集成到云桌面，同時結(jié)合傳統(tǒng)的個人電腦桌面服務(wù)，為用戶提供基于云計算平臺的桌面服務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用桌面定制化服務(wù)，以面向業(yè)務(wù)和面向?qū)ο髞磉x擇和定制用戶的個性化桌面。由用戶根據(jù)業(yè)務(wù)工作需要選擇不同的應(yīng)用和應(yīng)用組合，確定應(yīng)用運行在客戶端還是云端。業(yè)務(wù)應(yīng)用成果可以存儲在客戶端或云端，實現(xiàn)信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同。

水文信息化建設(shè)中的信息服務(wù)包括基礎(chǔ)信息、站網(wǎng)管理、氣象信息、雨情信息、水情信息、水質(zhì)信息、地下水信息、墑情信息、統(tǒng)計分析、報表管理等；水文信息化建設(shè)中的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用為洪水預(yù)報、蓄滯洪區(qū)洪水演進、枯水期徑流預(yù)報、地下水管理系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)、墑情管理系統(tǒng)等。同時，可針對不同的管理對象類型個性化定制單位或用戶桌面，包括測站、水庫、水閘、泵站、取水口、水源地、排污口等。

由于各項業(yè)務(wù)應(yīng)用都需要統(tǒng)一發(fā)布在云桌面平臺上，同時通過云存儲系統(tǒng)獲得信息服務(wù)，所以云桌面的方式在業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中，可以推進標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，使得標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化工作更加有的放矢，促進水利行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品化開發(fā)與推廣應(yīng)用，減少重復(fù)開發(fā)，降低開發(fā)與成本，適合于具有一定通用性的水文專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)或模型的統(tǒng)一開發(fā)。

同時，業(yè)務(wù)的整合與協(xié)同是水文信息化發(fā)展方向。隨著云計算和相關(guān)信息技術(shù)的發(fā)展，為解決業(yè)務(wù)應(yīng)用的整合和系統(tǒng)問題提供了可能。云桌面可以有效集成統(tǒng)一發(fā)布的各類業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)與資源，推進業(yè)務(wù)整合與協(xié)同，提高綜合應(yīng)用水平，使得各項業(yè)務(wù)工作相互分工協(xié)作，保障信息在各個層面的共享和交換，使得業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠充分滿足各方面的需求，既能獨立運行，又能相互協(xié)同工作。

7 展望

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算已經(jīng)不再停留在理論或是理想狀態(tài)。隨著傳感器在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用，這為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和建設(shè)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，同時各類信息管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)為云計算的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。新時期經(jīng)濟社會發(fā)展對水文行業(yè)信息化建設(shè)提出了更高的要求，為滿足新形勢下對水文的新要求，就要在原有水文信息服務(wù)的基礎(chǔ)上，增加服務(wù)種類和數(shù)量，拓寬服務(wù)面，提高服務(wù)水平和質(zhì)量，云計算作為一種新的信息服務(wù)模式也將推動水文信息服務(wù)水平的提高。