水利信息化之水利自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)探討

丁 強(qiáng) ，王紹勤

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 江蘇省防汛防旱指揮部辦公室 江蘇 南京 210029）

水利自動(dòng)化是水利信息化的基本系統(tǒng)和重要組成，因此水利自動(dòng)化的發(fā)展一定是隨著水利信息化的發(fā)展而發(fā)展，水利信息化的發(fā)展方向就是水利自動(dòng)化發(fā)展方向。現(xiàn)在，具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳送、處理入庫(kù)和共享應(yīng)用的水利自動(dòng)化正朝著智慧網(wǎng)和云服務(wù)的方向蛹變。筆者就水利信息化中的水利自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)發(fā)表自己的一家之言，希望拋石引玉。

1 智慧網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 水利智慧網(wǎng)

水利智慧網(wǎng)是利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水利信息采集和監(jiān)控的現(xiàn)代化智能網(wǎng)絡(luò)。從國(guó)家總理的智慧中國(guó)到水利部長(zhǎng)的智慧水利，無(wú)不包含對(duì)智慧網(wǎng)前景的贊褒。

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)傳感設(shè)備按照約定的協(xié)議，把各種網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架中，包含傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng) 2 大系統(tǒng)。傳感網(wǎng)主要在于信息的采集及近距離的信息傳遞，互聯(lián)網(wǎng)主要在于信息的遠(yuǎn)距離傳輸。真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，做到物物相連，物聯(lián)網(wǎng)離不開傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。智慧網(wǎng)是智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，采用物聯(lián)網(wǎng)的傳感器實(shí)現(xiàn)局地智能組網(wǎng)，長(zhǎng)距實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)。

1.2 對(duì)水利自動(dòng)化發(fā)展的影響

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是水利自動(dòng)化的基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)和監(jiān)控是自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要任務(wù)，傳感、采集和傳輸數(shù)據(jù)對(duì)智能和組網(wǎng)的要求越來(lái)越高。傳感網(wǎng)常用的技術(shù)有無(wú)線射頻和傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸和組網(wǎng)通過(guò)無(wú)線快速實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、微處理器和通信模塊的微型嵌入式系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理和短距離無(wú)線通信能力，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)某種協(xié)議自組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，能將采集來(lái)的數(shù)據(jù)融合優(yōu)化，并沿著一定的路徑傳送到信息處理中心。因此可將大量節(jié)點(diǎn)密集分布在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域，從而構(gòu)成能自主完成指定任務(wù)的智能自制測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。

傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸需要移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)運(yùn)用。這種組網(wǎng)的方式使得自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙向?qū)拵У木W(wǎng)絡(luò)傳輸，使許多無(wú)法傳感對(duì)象的監(jiān)測(cè)成為可能，例如水利現(xiàn)場(chǎng)視頻和圖片的傳輸。由于定位和無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)功能，使定位和移動(dòng)檢測(cè)成為水利自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的重要手段。按照監(jiān)測(cè)需求的數(shù)據(jù)加測(cè)，連續(xù)的在線監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控提供了保證，也為實(shí)現(xiàn)數(shù)字水文站和無(wú)人水文站提供了條件。同時(shí)智能組網(wǎng)的快速檢測(cè)使得非接觸檢測(cè)、自我組網(wǎng)、自動(dòng)檢測(cè)、故障修復(fù)、遠(yuǎn)程升級(jí)的智能化傳感器技術(shù)有了飛速發(fā)展。

1.3 應(yīng)用和發(fā)展中的問題

由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻距離短，一般為100～300 m，采用 2.4 GHz 的頻率，繞射性能差，組網(wǎng)條件苛刻且范圍小，無(wú)法運(yùn)用到測(cè)點(diǎn)分布離散的水利自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。盡管已有較長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器產(chǎn)品出現(xiàn)，但其組網(wǎng)和傳輸?shù)目煽啃赃€需證實(shí)。所以目前只是在測(cè)點(diǎn)比較集中的灌區(qū)自動(dòng)化和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)用，在局地的山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中也有使用。

我國(guó)智能傳感器發(fā)展起步較晚，相關(guān)技術(shù)的使用也不盡完善。具有自檢查、糾錯(cuò)、計(jì)算、判斷、修復(fù)的智能傳感器不多，采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的智能傳感器更少，不能滿足水利自動(dòng)化智慧網(wǎng)的要求。所以發(fā)展適應(yīng)智慧網(wǎng)的智能傳感器任重道遠(yuǎn)。

2 云計(jì)算和云服務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 云計(jì)算和云服務(wù)

云計(jì)算和云服務(wù)是近年發(fā)展最迅速的互聯(lián)網(wǎng)模式，云服務(wù)實(shí)現(xiàn)了用戶端工作量的全面轉(zhuǎn)移，運(yùn)行程序的重任不再由本地計(jì)算機(jī)承擔(dān)，轉(zhuǎn)而由云服務(wù)中的計(jì)算機(jī)群來(lái)完成。這樣，對(duì)用戶端計(jì)算機(jī)的軟硬件要求就降低了，用戶端計(jì)算機(jī)只需運(yùn)行像網(wǎng)絡(luò)瀏覽器一樣簡(jiǎn)單的云服務(wù)系統(tǒng)定制的界面軟件，其余工作都由云服務(wù)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)群負(fù)責(zé)。

水利服務(wù)云是以現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、微電子與自動(dòng)化監(jiān)控、信息處理與多媒體技術(shù)為支撐，以服務(wù)防汛抗旱、水資源管理、水利工程監(jiān)控為目的，在“云”系統(tǒng)中構(gòu)建的統(tǒng)一、開放的綜合性應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)水利信息采集、防汛視頻會(huì)商、防汛指揮調(diào)度、水利工程監(jiān)控、山洪災(zāi)害防治、水資源管理、應(yīng)急通信等水利業(yè)務(wù)的綜合管理與應(yīng)用[2]。

2.2 對(duì)水利自動(dòng)化發(fā)展的影響

從系統(tǒng)技術(shù)層面上，通用的水利業(yè)務(wù)軟件勢(shì)必是統(tǒng)一平臺(tái)，統(tǒng)一開發(fā)，發(fā)放配置。數(shù)據(jù)集中在“云”里，應(yīng)用軟件從“云”里下載或配置使用，軟件功能規(guī)范，質(zhì)量保證，數(shù)據(jù)共享，個(gè)性化功能軟件應(yīng)該是在基本框架里的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，適當(dāng)留有特定軟件的接口，便于這類軟件的開發(fā)。服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等設(shè)在有高級(jí)專業(yè)人員設(shè)計(jì)和維護(hù)的“云”端。徹底解決了系統(tǒng)各自開發(fā)時(shí)因開發(fā)者水平良莠不齊造成的質(zhì)量參差不齊的弊端。硬件上只是按照網(wǎng)絡(luò)瀏覽器配置，各服務(wù)端點(diǎn)只要設(shè)置基本的運(yùn)行平臺(tái)和功能，其他的配置和軟件功能可以從云服務(wù)上獲得。“云”中軟件和硬件的升級(jí)，可以使得各服務(wù)端點(diǎn)服務(wù)的升級(jí)，做到了上下同步發(fā)展和升級(jí)。

從系統(tǒng)管理層面上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、軟硬件的維護(hù)只要在“云”端保證就可以了，各服務(wù)端點(diǎn)只要配備簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)及水利業(yè)務(wù)人員。而以前水利業(yè)務(wù)和系統(tǒng)維護(hù)人員都要配備，系統(tǒng)的完好率還保證不了。為保證人員素質(zhì)的培訓(xùn)工作在云服務(wù)時(shí)代也變得簡(jiǎn)單，可以通過(guò)統(tǒng)一教材和授課實(shí)現(xiàn)。

由于云計(jì)算和云服務(wù)的特點(diǎn)，今后系統(tǒng)的開發(fā)招標(biāo)和使用與現(xiàn)在的方式都可能不同。軟件功能、升級(jí)的開發(fā)可以參考蘋果公司的開發(fā)模式?；竟δ懿捎眉虚_發(fā)，統(tǒng)一發(fā)放和配置；輔助功能通過(guò)市場(chǎng)化的征集，誰(shuí)的產(chǎn)品做的好，就采用誰(shuí)的，并付開發(fā)費(fèi)，發(fā)布在“云”端供用戶有償使用。這樣的產(chǎn)品有大有小，也許有一天會(huì)在網(wǎng)上看到水利云服務(wù)產(chǎn)品的發(fā)布。

2.3 云服務(wù)的基本條件和問題

2.3.1 基本條件

了解了云計(jì)算和云服務(wù)，及它可能給水利自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的變化，還需要討論實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的基本條件。具體如下：1）網(wǎng)絡(luò)初步形成并且成熟可靠。所有的“云”都是建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上的，如果網(wǎng)絡(luò)癱瘓了，“云”的一切就無(wú)從談起。2）通信條件具備，可按需求選用。無(wú)論是公共的電信、移動(dòng)或衛(wèi)星通信，還是自建的無(wú)線、有線通信，所有的通信可以按照速率和帶寬的需求選用。3）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，規(guī)范控制。不管是數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)約，數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)還是發(fā)布形式和內(nèi)容，如果不按照統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和研制，大家各行其是，必定是一盤散沙，云計(jì)算和云服務(wù)都是不可能的。4）按照不同的功能，統(tǒng)一平臺(tái)，統(tǒng)一開發(fā)，發(fā)放配置，個(gè)性設(shè)計(jì)。功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在功能體系中，規(guī)定平臺(tái)，并且要滿足跨平臺(tái)的統(tǒng)一開發(fā)和個(gè)性化的設(shè)計(jì)開發(fā)。各種功能模塊可設(shè)置或配置。

2.3.2 解決的問題

滿足了基本條件，還需要討論在云計(jì)算和云服務(wù)上需要做些什么，解決哪些問題，筆者認(rèn)為最重要的是要有一個(gè)基于智慧水利云計(jì)算和云服務(wù)的頂層設(shè)計(jì)。希望在已有水利信息化頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充智慧網(wǎng)和云計(jì)算、云服務(wù)的頂層設(shè)計(jì)，為基于水利云計(jì)算和云服務(wù)的水利信息系統(tǒng)“統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)、強(qiáng)化資源整合、促進(jìn)信息共享、保障良性運(yùn)行”提供必要的技術(shù)與管理依據(jù)。構(gòu)造相對(duì)完整的頂層資源共享與業(yè)務(wù)協(xié)同體系結(jié)構(gòu)，為推進(jìn)信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同的組織管理和實(shí)施提供頂層規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品與依據(jù)，保障全國(guó)水利信息化科學(xué)協(xié)調(diào)推進(jìn)[3]。其次，在頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開展整體解決方案的設(shè)計(jì)、水利云的設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及水利云安全的研究。

云計(jì)算和云服務(wù)還需重點(diǎn)解決安全問題。隨著云服務(wù)的推廣，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的安全成為最大的障礙之一，例如數(shù)據(jù)完整性、機(jī)密性、可用性和遠(yuǎn)程驗(yàn)證，訪問的私密性，滿足云服務(wù)的服務(wù)效能，防止服務(wù)被濫用，防止攻擊者非法獲得資源或破壞合法用戶[4]。

云服務(wù)的另一個(gè)問題是如何滿足服務(wù)對(duì)象的個(gè)性化要求，滿足應(yīng)急和移動(dòng)監(jiān)測(cè)的服務(wù)需求。

2.3.3 應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)目前開展的國(guó)家水資源管理信息系統(tǒng)采用的架構(gòu)已有云服務(wù)的雛形。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一跳到?。ㄊ校?、流域，服務(wù)器和應(yīng)用軟件統(tǒng)一在上層部署，各層配置使用。設(shè)計(jì)平臺(tái)總體集成，設(shè)計(jì)了開發(fā)支撐類通用軟件，開發(fā)了 3 層平臺(tái)（3 級(jí)通用的門戶、統(tǒng)一應(yīng)用、數(shù)據(jù)集成支撐軟件）。

河海大學(xué)近年開展的“基于云計(jì)算的防汛防旱信息集成平臺(tái)的研究”和“水利云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”研究項(xiàng)目，在江蘇省淮安市水利局進(jìn)行了成功的應(yīng)用示范?！盎谠朴?jì)算的防汛防旱信息集成平臺(tái)的研究”項(xiàng)目，集成了云管理、云會(huì)商、云搜索、云普查和云預(yù)報(bào)等云服務(wù)族和多個(gè)遺產(chǎn)系統(tǒng)，構(gòu)成了多業(yè)務(wù)處理的交叉平臺(tái)，展示了“水利云”的智能化、一體化、綜合化的特征[5]，并獲得大禹科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上水利自動(dòng)化是水利信息化的重要組成部分，水利自動(dòng)化的智慧網(wǎng)和云計(jì)算不可能獨(dú)立存在，必須與水利信息化的智慧網(wǎng)和云計(jì)算同步發(fā)展。當(dāng)然，水利信息化不僅是水利自動(dòng)化的信息采集與工程監(jiān)控，還有資源共享服務(wù)、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及運(yùn)行和保障環(huán)境建設(shè)等等，文中沒有詳述?？傊?，通過(guò)水利自動(dòng)化的智慧網(wǎng)和云計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)的探討，可見水利信息化發(fā)展趨勢(shì)的一斑。

[1] 蔣云鐘，冶運(yùn)濤，王浩. 基于物聯(lián)網(wǎng)理念的流域智能調(diào)度技術(shù)體系芻議[J]. 水利信息化，2010 (4): 1-5.

[2] 翟惠云，徐海波. 物聯(lián)網(wǎng)在水資源管理方面的應(yīng)用技術(shù)初探[J]. 水利信息化，2010 (4): 6-10.

[3] 艾萍，吳禮福，陳子丹. 水利信息化頂層設(shè)計(jì)的基本思路與核心內(nèi)容分析[J]. 水利信息化，2010 (1): 9-13.

[4] 梁知音，段鐳，韋韜，等. 云存儲(chǔ)安全技術(shù)綜述[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013 (4): 130.

[5] 河海大學(xué)，淮安水利局. 水利云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范[M]. 淮安：淮安水利局，2013: 3-100.