南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭海鷹，王用紅，張?jiān)骑w，陳亞明

（1.南京市水利局，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

2014年第二屆青奧會(huì)將在南京舉辦，在運(yùn)動(dòng)會(huì)籌辦、舉行階段，都需要使用到大量的水利信息，同時(shí)，作為南京青奧會(huì)帆船比賽場(chǎng)地的金牛湖本身就是南京市的重要水庫(kù)，為了保證青奧會(huì)的順利舉辦，根據(jù)青奧會(huì)籌辦工作和運(yùn)動(dòng)會(huì)召開階段的具體需求，需建設(shè)南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)，提供相應(yīng)的水雨情信息服務(wù)和相關(guān)預(yù)警功能支撐。

南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)主要由2大部分組成：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和功能展示系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)匯集到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中供功能展示系統(tǒng)進(jìn)行查詢分析；功能展示系統(tǒng)以地圖為載體，多維地對(duì)實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與分析，提供相關(guān)的防汛預(yù)警功能支持，并結(jié)合防汛預(yù)案信息，通過短信方式及時(shí)地把防汛工作部署指令發(fā)送到相關(guān)責(zé)任方，相關(guān)責(zé)任方可以據(jù)此開展及時(shí)有效的防汛工作。

本文將從系統(tǒng)總體方案、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)3個(gè)方面來具體闡述該系統(tǒng)的建設(shè)情況，并在結(jié)語(yǔ)部分對(duì)系統(tǒng)所做工作及存在不足進(jìn)行總結(jié)。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)特定的水利信息化背景與需求，本系統(tǒng)有如下特征：

1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。通過對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的匯集，系統(tǒng)每5min 對(duì)最新的水雨情數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，保證了本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。此外，在本系統(tǒng)中，對(duì)重要監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行顯示，有利于對(duì)汛情的監(jiān)視和預(yù)警。

2）數(shù)據(jù)安全性高。當(dāng)遠(yuǎn)程或者本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器由于斷電等特殊原因宕機(jī)時(shí)，有部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由于沒有及時(shí)匯集到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中而容易引發(fā)數(shù)據(jù)丟失問題。當(dāng)服務(wù)器恢復(fù)正常之后，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)能夠自啟動(dòng)，及時(shí)同步本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，保證與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的一致。通過該自適應(yīng)功能，能夠大大提高數(shù)據(jù)的安全性，保證系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

3）前臺(tái)展示方式豐富，用戶體驗(yàn)良好。系統(tǒng)基于 WebGIS 技術(shù)，將地理信息位置與實(shí)時(shí)水雨情信息進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，用戶可以方便地在地圖上查看到測(cè)站的實(shí)時(shí)水位和雨量信息，當(dāng)水位、雨量超過預(yù)設(shè)警戒線時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)在地圖上發(fā)布水雨情預(yù)警信息。另外，對(duì)于系統(tǒng)水雨情分析中的統(tǒng)計(jì)圖部分，系統(tǒng)使用 FusionCharts 技術(shù)，解決了一般畫圖插件存在的瀏覽器兼容問題，動(dòng)畫效果好，用戶體驗(yàn)佳。

綜上，系統(tǒng)主要總體架構(gòu)如圖1所示，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，經(jīng)由通信專線，將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)與已有系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行同步[1]，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性。通過南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)的開發(fā)，提供對(duì)水雨情等信息的查詢、分析等功能，并提供用戶體驗(yàn)良好的交互界面。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)匯集技術(shù)

數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)是國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)“兩臺(tái)一庫(kù)”的重要組成部分，是防汛抗旱信息向各節(jié)點(diǎn)匯集，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的重要設(shè)施[2]。通過數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)從分中心、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、流域機(jī)構(gòu)直至國(guó)家防汛抗旱總指揮部的防汛抗旱信息交換，根據(jù)需要有些信息還要在上述單位之間互相交換。

依據(jù)系統(tǒng)的具體需求，系統(tǒng)需獲取到實(shí)時(shí)的報(bào)訊及遙測(cè)水雨情信息對(duì)外進(jìn)行發(fā)布。而南京防辦自有的數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有實(shí)時(shí)的水雨情信息，需從南京水文局獲取到該信息。為減輕南京水文局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)訪問的負(fù)擔(dān)及提高本系統(tǒng)的運(yùn)行效率，將南京水文局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)匯集到南京防辦本地庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)是最優(yōu)的解決方案。

本系統(tǒng)通過使用基于 C# 開發(fā)的數(shù)據(jù)匯集程序運(yùn)行在服務(wù)器上，只要服務(wù)器處于啟動(dòng)狀態(tài)，不需要用戶進(jìn)行登錄等操作，數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掃描同步遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)到本地，且該匯集程序支持功能強(qiáng)大的設(shè)置功能，用戶可以根據(jù)自身需求設(shè)置數(shù)據(jù)匯集的數(shù)據(jù)庫(kù)表及匯集頻率等關(guān)鍵信息。

2.2 Web 服務(wù)技術(shù)

Web 服務(wù)（Web Service）是目前程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)，在不同系統(tǒng)平臺(tái)之間具有互操作性，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序之間的遠(yuǎn)程過程調(diào)用。Web服務(wù)[3]使用基于 XML 的消息處理作為基本的數(shù)據(jù)通訊方式，消除使用不同組件模型、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言的系統(tǒng)之間存在的差異，使異類系統(tǒng)能夠作為單個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)行。Web 服務(wù)是建立在一些通用協(xié)議的基礎(chǔ)上，如 Http，SOAP，XML，WSDL，UDDI 等。

本系統(tǒng)通過采用 Web 服務(wù)技術(shù)，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢等操作封裝成為標(biāo)準(zhǔn)的接口，提高了系統(tǒng)的可拓展性。

2.3 應(yīng)用展示層技術(shù)

只有系統(tǒng)的主界面簡(jiǎn)潔、易用、美觀、布局合理，才會(huì)有一個(gè)良好的用戶體驗(yàn)。為了使南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)達(dá)到這些目標(biāo)，并保持系統(tǒng)的安全性、實(shí)時(shí)性、運(yùn)行速度快等性能特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)使用了相關(guān)的開發(fā)技術(shù)，如 Struts 框架技術(shù)[4]，減弱了業(yè)務(wù)邏輯接口和數(shù)據(jù)接口之間的耦合，以及讓視圖層更富于變化；Hibernate 技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的持久化、保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、正確性；WebGIS 技術(shù)[6]，基于“水利信息一張圖”的思想，所有信息均基于 GIS地圖進(jìn)行展示，提高用戶體驗(yàn)；FusionCharts 技術(shù)[7]，現(xiàn)今 Web 端最完備的圖形解決方案，可以方便地在瀏覽器中畫出水位、流量過程線，雨量柱狀圖等統(tǒng)計(jì)圖，且界面美觀，兼容所有瀏覽器。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體架構(gòu)采用國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)“兩臺(tái)一庫(kù)”的體系架構(gòu)，并結(jié)合自身特點(diǎn)對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行了一些調(diào)整和擴(kuò)展，將系統(tǒng)架構(gòu)最終確定為數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、服務(wù)層及顯示層。數(shù)據(jù)層包括了“兩臺(tái)一庫(kù)”架構(gòu)中的數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)，在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)主要提供實(shí)時(shí)的水雨情信息，而數(shù)據(jù)庫(kù)中則保存著和系統(tǒng)業(yè)務(wù)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)及與地理信息系統(tǒng)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)；平臺(tái)層為系統(tǒng)應(yīng)用支撐的關(guān)鍵部分，本系統(tǒng)采用 SOA 的思想，為系統(tǒng)最終的業(yè)務(wù)服務(wù)提供粒度適中的 Web 服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)接口，上層服務(wù)可以基于該組接口實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)服務(wù)功能；服務(wù)層是對(duì)外提供粗粒度的系統(tǒng)服務(wù)，這些服務(wù)被封裝成模塊供用戶進(jìn)行使用；顯示層是瀏覽器，負(fù)責(zé)提供操作員和系統(tǒng)交互的界面。本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)的主要作用為將分中心、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、流域機(jī)構(gòu)直至國(guó)家防總的防汛抗旱信息交換，而匯集實(shí)時(shí)的水雨情信息則是本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)的主要功能；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)支撐系統(tǒng)的屬性及地理信息空間數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層的主要任務(wù)為將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)匯集轉(zhuǎn)換到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)層中核心部分是數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基于 C# 技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。為了滿足報(bào)汛工作的需要，該程序每5min 增量轉(zhuǎn)換1次數(shù)據(jù)庫(kù)，并支持人工設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔。

數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基于 XML 的技術(shù)，具有很高的拓展性和自定義性，可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表的配置，還可以對(duì)名稱不同、但是結(jié)構(gòu)相同的數(shù)據(jù)表進(jìn)行映射和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

3.3 平臺(tái)層設(shè)計(jì)

平臺(tái)層采用 SOA 的思想，用于開發(fā)適用于服務(wù)層水雨情信息查看、分析等具體業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用接口。該套應(yīng)用接口符合標(biāo)準(zhǔn)的 Web 服務(wù)體系架構(gòu)，對(duì)于服務(wù)層的具體服務(wù)開發(fā)者來說是透明的，主流開發(fā)框架均可以基于這套公共接口來開發(fā)符合自身業(yè)務(wù)需求的具體服務(wù)。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，平臺(tái)層主要對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并統(tǒng)一發(fā)布成標(biāo)準(zhǔn)的 Web 服務(wù)接口供用戶調(diào)用。采用這種方式進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，隔離了上層用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的依賴性，由服務(wù)提供者來發(fā)布接口，服務(wù)使用者依附于業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，只需專注于具體上層業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)，提高了二次開發(fā)的可擴(kuò)展性及開發(fā)效率。

3.4 服務(wù)層設(shè)計(jì)

服務(wù)層是系統(tǒng)的核心部分，其基于平臺(tái)層發(fā)布的接口，完成對(duì)系統(tǒng)功能的具體開發(fā)任務(wù)。

結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況，系統(tǒng)使用 Struts2框架進(jìn)行系統(tǒng)的具體開發(fā)工作。在實(shí)際系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯層，系統(tǒng)對(duì)防汛工作的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行了抽象，如完成站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和實(shí)時(shí)汛情數(shù)據(jù)查詢等，而這些數(shù)據(jù)的來源為平臺(tái)層提供的 Web 服務(wù)接口，并非傳統(tǒng)的 Hibernate 或 JDBC 方式；對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的控制層，主要通過 Struts2框架的 Action 實(shí)現(xiàn)，對(duì)于來自客戶端的請(qǐng)求，在控制層中進(jìn)行響應(yīng)和處理，避免了應(yīng)用表示層對(duì)數(shù)據(jù)的直接操作，而是通過轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求到對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理后返回客戶端需要的結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.5 顯示層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的顯示層采用 jQuery 和 Ajax 等方式，提供兼容性強(qiáng)、功能豐富、及時(shí)響應(yīng)、界面精美的客戶端，提高了系統(tǒng)的開放性和拓展性，為用戶提供良好的用戶體驗(yàn)的同時(shí)也使得系統(tǒng)易于拓展升級(jí)。

系統(tǒng)在顯示層還提供 WebGIS 功能，用戶可以通過在地圖中直觀地查看實(shí)時(shí)水雨情信息，該功能基于 ArcGIS API for JavaScript 技術(shù)進(jìn)行開發(fā)；在水雨情分析部分，需要使用水位、流量過程線及雨量柱狀圖等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維的展示，系統(tǒng)使用FusionCharts 技術(shù)，繪制各類界面美觀、動(dòng)畫效果強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)圖，提高用戶體驗(yàn)。系統(tǒng)基于地圖的水雨情信息查看界面如圖3所示，基于 FusionCharts 技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的界面如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

南京青奧會(huì)防汛專題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用，取得了一定的成果，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)匯集到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的增量轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；對(duì)于展示系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的SOA 思想，提高了系統(tǒng)的可移植性和擴(kuò)展性；在前臺(tái)展示方面，系統(tǒng)使用 WebGIS技術(shù)、FusionCharts 技術(shù)，為用戶提供了兼容性強(qiáng)、功能豐富、及時(shí)響應(yīng)、界面精美的客戶端，用戶體驗(yàn)好。

圖3 系統(tǒng)水雨情信息查看界面

圖4 系統(tǒng)水雨情信息分析界面

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