基于云計(jì)算的水利綜合管理信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)的研究

張立鑫,王瑞明

(1.河北省三河市水務(wù)局,河北 三河　065200; 2.石家莊市第二中學(xué)西校區(qū),河北 石家莊　050000)

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基于云計(jì)算的水利綜合管理信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)的研究

張立鑫1,王瑞明2

(1.河北省三河市水務(wù)局,河北 三河065200; 2.石家莊市第二中學(xué)西校區(qū),河北 石家莊050000)

分析了水利信息化建設(shè)的必要性，并結(jié)合云計(jì)算技術(shù)提出了基于云計(jì)算的水利綜合管理信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)的設(shè)想，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了感知層、傳輸層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層等多個(gè)層次，并就水位測(cè)量、水流速測(cè)量、雨量測(cè)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)和專家系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和決策支持等技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)的介紹。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將大大提高水利工程的管理水平。

云計(jì)算；數(shù)據(jù)采集；技術(shù)架構(gòu)

水利工程建設(shè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)特別是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，水利工程管理已經(jīng)進(jìn)入了信息化時(shí)代。利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段建設(shè)水利綜合管理信息平臺(tái)將大力地推動(dòng)了水利工程建設(shè)的管理和發(fā)展，通過該平臺(tái)可以對(duì)水位、水流速度、雨量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過共享手段進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)和災(zāi)后相應(yīng)救援，此外，對(duì)多年來保存的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工、處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算和模型預(yù)測(cè)后所得到的信息，將為管理者、專家和工作人員的決策將提供極其重要的依據(jù)

1　管理信息平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

歸納各國(guó)對(duì)于云計(jì)算的定義，其服務(wù)特征可以總結(jié)為：按照客戶要求提供自助服務(wù)、其訪問不受時(shí)間和空間的限制、大規(guī)模的資源和計(jì)算能力共享、重新部署可以快速靈活地實(shí)現(xiàn)、可以被監(jiān)控并可實(shí)現(xiàn)按需付費(fèi)等五項(xiàng)特點(diǎn)。根據(jù)云計(jì)算的定義和特點(diǎn)，本系統(tǒng)的管理信息平臺(tái)的整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于云計(jì)算的水利綜合管理信息平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

基于圖1的技術(shù)架構(gòu)，該信息平臺(tái)將分為感知層、傳輸層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層等多個(gè)層次：

(1) 感知層。感知層是該應(yīng)用平臺(tái)的最底層，它對(duì)采集來的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行安全存儲(chǔ)和加工處理，對(duì)于本平臺(tái)，它主要負(fù)責(zé)對(duì)水位、水流速度、雨量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和采集，感知層是信息管理平臺(tái)的信息輸入點(diǎn)，也是感知末梢節(jié)點(diǎn)，它可以采用了諸多先進(jìn)技術(shù)，如：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、傳感器、傳感網(wǎng)絡(luò)、北斗/GPS+GIS的定位技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)視頻采集技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象物理性質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警傳感、衛(wèi)星定位、環(huán)境監(jiān)測(cè)及視頻采集等操作。

(2) 傳輸層。傳輸層的作用是將感知層傳來的數(shù)據(jù)向高層傳遞，以及將高層傳來的信息進(jìn)行低層傳達(dá)，是對(duì)信息進(jìn)行智能化處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，其主要設(shè)備包括：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)專業(yè)虛擬網(wǎng)以及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

(3) 基礎(chǔ)設(shè)施層。通過虛擬化技術(shù)，建立IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))，建立基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)。IaaS提供了基礎(chǔ)架構(gòu)硬件以及軟件資源，此外它還可以提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、OS、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和相應(yīng)的信息資源。

(4) 平臺(tái)層。以業(yè)務(wù)組件化、組件能力化及服務(wù)化為設(shè)計(jì)思路，基于云架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立PaaS(平臺(tái)即服務(wù))，實(shí)現(xiàn)將分散的功能資源轉(zhuǎn)化為集中的功能服務(wù)，最大限度實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，最終實(shí)現(xiàn)按需模式構(gòu)建、部署和運(yùn)行定制的功能平臺(tái)；同時(shí)它還可以整合、調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層的各類資源，并為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的應(yīng)用框架，全面支持日常水利工程的監(jiān)測(cè)和管理以及旱澇災(zāi)害后應(yīng)急救援的決策支持和指揮。

平臺(tái)對(duì)硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配和管理，同時(shí)對(duì)上層應(yīng)用提供開發(fā)、運(yùn)行、監(jiān)控以及安全各方面的支撐，主要包括:

1) 分布式服務(wù)框架。平臺(tái)提供一個(gè)完整的分布式服務(wù)框架，以供上層應(yīng)用運(yùn)行。該框架核心部分包括:集群容錯(cuò)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、遠(yuǎn)程通訊等，其中遠(yuǎn)程通訊可以提供對(duì)多種基于長(zhǎng)連接的NIO框架抽象封裝，包括多種線程模型，序列化，以及“請(qǐng)求一響應(yīng)”模式的信息交換方式。通過該服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)透明化的遠(yuǎn)程方法調(diào)用、軟件實(shí)現(xiàn)的負(fù)載均衡及容錯(cuò)機(jī)制、服務(wù)自動(dòng)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)等三方面的功能。

2) 共享組件服務(wù)。共享組件服務(wù)包括基礎(chǔ)組件服務(wù)和業(yè)務(wù)組件服務(wù)。平臺(tái)將一些通用功能進(jìn)行抽象和封裝形成基礎(chǔ)組件服務(wù)，保證上層應(yīng)用調(diào)用相關(guān)服務(wù)的一致性。對(duì)于一些通用的算法、功能，平臺(tái)提供可靈活配置調(diào)用的業(yè)務(wù)組件服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的固化、應(yīng)用方式的一致、維護(hù)的統(tǒng)一。通過發(fā)布一訂閱的方式對(duì)外暴露相應(yīng)服務(wù)的訪問接口，實(shí)現(xiàn)服務(wù)化管理。

3) 數(shù)據(jù)服務(wù)。提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理及分析平臺(tái)，面向平臺(tái)的內(nèi)、外部，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采集、處理并分析各類異構(gòu)數(shù)據(jù)。

4) 應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境服務(wù)。為應(yīng)用服務(wù)的運(yùn)行及開發(fā)提供相應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)測(cè)試環(huán)境。

(5) 應(yīng)用層。基于平臺(tái)層(PaaS)核心業(yè)務(wù)服務(wù)組件提供的各類標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的服務(wù)接口，通過調(diào)用平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施云及其相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施云的資源，建立軟件即服務(wù)(SaaS)，為最終業(yè)務(wù)用戶提供實(shí)際相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(6) 運(yùn)行管理層。該層的作用是對(duì)信息管理平臺(tái)中的應(yīng)用層、平臺(tái)層和基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)管理，從而保證系統(tǒng)應(yīng)用的高效性、穩(wěn)定性，為系統(tǒng)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)擴(kuò)充提供技術(shù)支持。

(7) 安全管理層。統(tǒng)一的安全管理，利用面向服務(wù)的架構(gòu)，通過授權(quán)管理、驗(yàn)證管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密、專用數(shù)據(jù)通道、緩存管理等簡(jiǎn)歷統(tǒng)一的管理管理機(jī)制。

2　關(guān)鍵技術(shù)的使用

2.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)

感知層所采集的數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)信息生成的基礎(chǔ)，因此其精度、采集的頻率水平以及自動(dòng)化程度會(huì)直接影響到最終信息的質(zhì)量，因此必須根據(jù)水利工程的特點(diǎn)，在水位、流速、雨量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)量方面采用先進(jìn)的技術(shù)和成熟的技術(shù)。

圖2　自記式浮子水位計(jì)示意圖

(1) 水位的自動(dòng)采集。浮子液位計(jì)是根據(jù)阿基米德定理，并利用浮力中恒浮力原理工作的液位測(cè)量?jī)x表，它通過利用浮子與水位的升降同步的原理，通過機(jī)械方式傳輸水位情況，并利用電子傳感器將取得的水位數(shù)據(jù)通過線路傳入系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

(2) 水流速的自動(dòng)采集。聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP，Acoustic Doppler Current Profilers)是二十世紀(jì)末出現(xiàn)并發(fā)展起來的一種新型流速測(cè)量設(shè)備,它通過利用多普勒效應(yīng)原理。ADCP客服了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)流速儀的缺點(diǎn)，利用聲波換能器作為前端的傳感器，它的原理是:首先聲波換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波在水體中利用不均勻分布的浮游生物、泥沙顆粒等反散射，并由換能器來接收信號(hào)，通過測(cè)定多普勒頻移數(shù)據(jù)而測(cè)算出流速。其特點(diǎn)可以歸納為：能夠直接測(cè)出斷面的流速剖面、具有測(cè)速范圍大、測(cè)驗(yàn)速度快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),因此，聲學(xué)多普勒流速剖面儀在海洋、河流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測(cè)驗(yàn)等方面具有廣泛的應(yīng)用。

(3) 雨量的自動(dòng)采集。雨量計(jì)是用來測(cè)量某個(gè)地區(qū)一段時(shí)間內(nèi)降水情況的儀器，通常分為翻斗式和虹吸式。其中，翻斗式雨量計(jì)由負(fù)責(zé)前端數(shù)據(jù)采集的感應(yīng)器和后端數(shù)據(jù)記錄和處理的信號(hào)記錄器所組成。感應(yīng)器由承水器、上翻斗、計(jì)量翻斗等部件構(gòu)成，雨水經(jīng)上端的承水口進(jìn)入承水器，然后經(jīng)接水漏斗，通過漏斗口流入翻斗，當(dāng)水量達(dá)到一定程度和使得漏斗失去平衡翻到，并觸發(fā)電路，生成脈沖信號(hào)傳入記錄器，如此循環(huán)，從而測(cè)量出降水量。虹吸式雨量計(jì)由承水器、浮子室、自記鐘和外殼所組成。雨水通過承水口進(jìn)入承水器，并匯集到下端的漏斗進(jìn)入浮子室，浮子室內(nèi)有一個(gè)圓筒內(nèi)裝浮子，隨著雨量的增加，浮子也不斷上升，并帶動(dòng)自記筆進(jìn)行記錄，由于自記鐘固定在座板上，轉(zhuǎn)筒由鐘體做勻速運(yùn)動(dòng)，從而使得記錄筆在記錄紙或記錄傳感板上做出曲線，縱軸為雨量，橫軸為時(shí)間。當(dāng)雨量達(dá)到一定高度時(shí)，浮子室內(nèi)的水升到虹吸管處，虹吸管迅速將浮子室內(nèi)的雨水導(dǎo)入到儲(chǔ)水瓶，記錄筆回到零位，從新開始記錄過程。

2.2專家決策模型設(shè)計(jì)

管理信息平臺(tái)的根本是將自然界中的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集和挖掘，并通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為有用的信息，從而為管理者的決策提供依據(jù)，因此，用于數(shù)據(jù)處理的算法、模型等就顯得十分重要，而專家決策系統(tǒng)是其中最重要的組成部分，日?？梢员O(jiān)測(cè)和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)管理者進(jìn)行指導(dǎo)，災(zāi)害來臨前進(jìn)行預(yù)警和預(yù)案的設(shè)計(jì)，災(zāi)害來到時(shí)，指導(dǎo)人們進(jìn)行必要的和有條不紊的搶險(xiǎn)救災(zāi)。其實(shí)專家決策系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，其中包含了大量專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，它應(yīng)用了人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行推理和判斷，模擬專家的決策過程解決復(fù)雜問題。本平臺(tái)中利用專家系統(tǒng)對(duì)采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并自動(dòng)決策、預(yù)警提示和強(qiáng)大的旱澇災(zāi)害的應(yīng)急救援技術(shù)支持，同時(shí)能夠?yàn)闆Q策者、管理者提供訓(xùn)練、試驗(yàn)、仿真的環(huán)境。

如圖3所示，本平臺(tái)設(shè)計(jì)的專家決策系統(tǒng)將布置在各水利工程、河流、湖泊等的傳感器傳來的水位、水流速、雨量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及當(dāng)前救援物資、交通設(shè)施等的位置數(shù)據(jù)，傳輸?shù)皆品?wù)器端，與系統(tǒng)中預(yù)制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、專家模型等進(jìn)行融合，運(yùn)用專家系統(tǒng)的技術(shù)，研究和分析信息平臺(tái)提供的信息資源、數(shù)據(jù)和背景資料，采用仿真、智能模擬等手段提供當(dāng)前區(qū)域旱澇災(zāi)害的危險(xiǎn)等級(jí)、危險(xiǎn)預(yù)警、災(zāi)害救援初始預(yù)案，災(zāi)害救援指揮等信息，為管理者決策提供技術(shù)支持。

圖3　專家決策模型架構(gòu)

3　結(jié)論

文章提出了建設(shè)基于云計(jì)算的水利綜合管理信息平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)想，該系統(tǒng)依托云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、遙感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)及專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)等，整合了與水利有關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的共享化，可以為水利資源的統(tǒng)一調(diào)度、災(zāi)害的預(yù)警、災(zāi)害發(fā)生后的救援提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[1]QIN Lele,ZHAO Xin.Design and realization of information service platform of logistics parks based on cloud computing[J].Advances in Information Sciences and Service Sciences,2012.4(23):112-120.

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Research on the technology framework of water resources management information platfrom base on cloud computing

ZHANG Li-xin1,WANG Rui-ming2

(1.HebeiSanheWaterAuthority,SanheHebei065200,China;2.ShijiazhuangNo.2HighSchoolWestCampus,ShijiazhuangHebei050000,China)

In this paper,the necessity of water information construction is analyzed.Combined with cloud computing,the tentative plan of technology framework was proposed.Design and application of perceptual layer,transport layer,infrastructure layer and platform layer.Level measuring,velocity measurement,rainfall measurement and other basic data acquisition technology,and data processing,decision support techololgy are introduced emphatically.The implementation of the system will improve the management level of water project.

Cloud computing;Data acquisition;Techology framework

2016-04-20

河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(Z2014097)

張立鑫(1985-),河北省廊坊三河人,助理工程師,主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等方向研究.

1001-9383(2016)02-0012-05

TP311.5

A