阿克蘇地區(qū)地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺基礎功能及應用效果探討

(新疆阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 843000)

1 阿克蘇地區(qū)地下水自動監(jiān)測站概況

阿克蘇地區(qū)位于新疆西部，天山南麓，塔里木盆地北緣，總面積13.25萬 km2，全地區(qū)八縣一市、兵團農一師及所屬十六個團場分布在地區(qū)境內。在阿克蘇地區(qū)八縣一市和紅旗坡農場、實驗林場131 340.91 km2范圍2008年和2009年兩年內新建地下水監(jiān)測站54處，建有站臺、站箱、圍欄、水準點各54處安裝附屬設施；自動化監(jiān)測儀器設備54套以及阿克蘇信息中心擴容改造(軟、硬件)。經過近十年的運行，地下水監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里存儲了巨大數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)查詢、管理效率低下，功能相對單一，已經不能滿足業(yè)務需要。中心服務器使用時間太久，配置低，運行速度慢，穩(wěn)定性差。其安裝的操作系統(tǒng)還是Windows XP，數(shù)據(jù)庫為老舊的SQL SERVER2000，這些系統(tǒng)軟件微軟早已經停止更新，系統(tǒng)運行安全風險巨大。采用人工觀測方法，手段落后、效率低，成本高，且不能滿足地下水監(jiān)測規(guī)范的頻次要求。工作模式還是建立在手工編制報表的基礎之上，現(xiàn)存的數(shù)據(jù)不能充分利用、分析，發(fā)揮其價值。針對整個阿克蘇地區(qū)現(xiàn)狀及問題分析，最終建立地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺。

2 地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺設計思路

(1)依托云服務及云存儲技術，建立系統(tǒng)基礎運行環(huán)境，在虛擬化的環(huán)境中實現(xiàn)設備自動升級，從而以低成本及穩(wěn)定的方式解決計算機等電子設備過時問題；

(2)構建源數(shù)據(jù)自動接收系統(tǒng)實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)自動采集功能解決落后的人工觀測問題；

(3)構建數(shù)據(jù)異步提取、清晰、自動整理服務，從而使數(shù)據(jù)滿足統(tǒng)計、報表及分析得要求；

(4)建構后端服務與前端可視化分離的系統(tǒng)架構，更方便得實現(xiàn)系統(tǒng)的升級、擴展、兼容，滿足需求的不斷升級要求。

(5)構建地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)分析服務，如：實時等值線生成、過程線等比對服務，從而提高地下水數(shù)據(jù)的分析價值。

(6)構建GIS平臺實現(xiàn)測點位置及數(shù)據(jù)分布展示。

3 云平臺關鍵技術分析

3.1 WEBGIS技術

WebGIS應用瀏覽器/服務器概念來執(zhí)行GIS的分析任務。它把任務分為服務器端和瀏覽器端兩部分，客戶可以從服務器請求數(shù)據(jù)、分析工具或模塊，服務器或者執(zhí)行客戶的請求并把結果通過網(wǎng)絡送回給客戶，或者把數(shù)據(jù)和分析工具發(fā)送給客戶供瀏覽器端使用。

3.2 數(shù)據(jù)實時處理技術

源數(shù)據(jù)來自于各種接收設備以不斷增長的方式進入中心接收站，數(shù)據(jù)處理程序從中心站獲取數(shù)據(jù)并處理，為保證數(shù)據(jù)的一致性，每次提取一定量的增量數(shù)據(jù)送入隊列，數(shù)據(jù)處理程序接到數(shù)據(jù)后進行計算。由于數(shù)據(jù)的實時性要求比較高，所以必須在提取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)之間權衡，最終保障數(shù)據(jù)的實時性和一致性。

3.3 實時等值面技術

一般等值面的生成都采用后處理的方式，即得到數(shù)據(jù)后，利用GIS處理軟件形成等值面圖片，再發(fā)布出來供客戶端使用，這樣很難滿足實時要求。為了讓系統(tǒng)能實時反映地下水的分布情況，本系統(tǒng)借助于云服務器強大的計算功能，實時計算出等值面，極大地滿足了實時的要求。

3.4 過程圖形比對技術

為充分利用地下水數(shù)據(jù)，使其產生分析價值，本系統(tǒng)大量利用可視化的圖形、圖像展示功能，實時產生不同測站、不同時間段的數(shù)據(jù)比對功能，更好的管理地下水的分布及開采情況。

3.5 云服務技術

將大量計算利用云端超強計算機完成，客戶端只需獲得簡單的數(shù)據(jù)結果，并且能在用戶不知情的情況下按需增強計算能力，這是云服務的理念。本系統(tǒng)借助于阿里云，將虛擬服務器ECS和虛擬數(shù)據(jù)庫RDBS放在云端，并建立云處理程序，以服務的方式定向公開接口給客戶端使用。

3.6 展現(xiàn)層分離技術

互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，讓人們無時無刻都能感覺到網(wǎng)絡的存在，因此，出現(xiàn)了各種不同的訪問端口，如：電腦瀏覽器、手機瀏覽器、手機APP、IPAD等設備，服務接口與展現(xiàn)層分離顯得尤其重要，本系統(tǒng)采用同一開發(fā)過程，統(tǒng)一服務接口，從而增強了系統(tǒng)的可維護性、可擴展性。

OPC UA TSN還將滿足未來物聯(lián)網(wǎng)應用的要求。該項技術支持多達數(shù)以萬計個節(jié)點的網(wǎng)絡，并能從以太網(wǎng)標準的帶寬擴展中受益。即使是大量數(shù)據(jù) ，例如由集成機器視覺應用產生的數(shù)據(jù)，也都可以輕松處理。

4 地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺基本功能概述

4.1 系統(tǒng)范圍

本系統(tǒng)主要用于管理阿克蘇地區(qū)八縣一市和紅旗坡農場、實驗林場131 340.91 km2范圍內54處地下水監(jiān)測站及監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在此基礎上實現(xiàn)業(yè)務操作功能及統(tǒng)計分析功能。

4.2 用戶范圍

主要用戶包括，水利水務管理職能部門。如水務局、流域機構水資源管理部門，水文局等水文部門，國土資源部環(huán)境監(jiān)測部門等。安裝使用類型分類：

用戶類型1：管理部門領導，重點關注系統(tǒng)的信息展示直觀性、友好性。

用戶類型2：系統(tǒng)使用人員，重點關注數(shù)據(jù)整編準確性，統(tǒng)計表格規(guī)范性，數(shù)據(jù)修改便捷性，以及是否便于進行各種地下水年報分析使用。

用戶類型3：系統(tǒng)管理維護人員，重點關注系統(tǒng)的可靠性、可維護性及可擴展性。

4.3 數(shù)據(jù)范圍

系統(tǒng)所需要采集的源數(shù)據(jù)，主要包括測站基本信息數(shù)據(jù)、自動采集數(shù)據(jù)、人工錄入數(shù)據(jù)等。自動采集數(shù)據(jù)主要包括地下水水位、埋深數(shù)據(jù)，水溫、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)。自動采集數(shù)據(jù)采集間隔為4 h，分別為4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h。現(xiàn)場自動采集設備，在每日8 h將前一天的6組數(shù)據(jù)一次發(fā)送至云服務器并入庫。現(xiàn)在測站上報數(shù)據(jù)為測站埋深值，水位值=地面高程-埋深。

4.4 業(yè)務范圍

4.4.1 系統(tǒng)登錄

作為一個業(yè)務系統(tǒng)，需要登錄和使用權限。

4.4.2 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控顯示

(1)在電子地圖實時顯示所有測站的地下水水位、埋深及水質監(jiān)測參數(shù)。

(2)對于數(shù)據(jù)超限測站，測站圖標閃爍報警提示。超限參數(shù)如：地下水埋深低位警戒值，當實測埋深高于該值時報警；地下水埋深變化警戒值，當實時上報埋深與上次測量埋深變化值超過設定值后報警，埋深降低和埋深增加超限報警采用不用顏色閃爍顯示;地下水水質參數(shù)超標警戒值，當監(jiān)測地下水某一水質參數(shù)超過設定值后，報警提示。

(3)實時地下水(埋深)數(shù)據(jù)表。包括：站碼、站名、地下水水位值、埋深值、采集時間等信息。

(4)在電子地圖上進行長期資料分析。地下水水位(埋深)等值線、等值面的繪制包括測站某一個具體時間點，日平均值，月平均值，年平均值的等值線、面繪制；兩個比較時段的地下水水位(埋深)變化值的等值面繪制。如2017年所有監(jiān)測點年平均埋深與2016年所有監(jiān)測點年平均埋深變化值得等值面繪制。2017年8月1日，所有測站地下水水位(埋深)于往年同期(去年、前年等)比較變化值等值面繪制。采用這種方式，可以直觀反映不同歷史時期，監(jiān)測區(qū)域地下水水位埋深變化趨勢及情況。

4.4.3 系統(tǒng)管理

實現(xiàn)系統(tǒng)設置、角色權限、用戶管理、系統(tǒng)日志等功能。

4.4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、修改

提供歷史數(shù)據(jù)任意時段，任意測站地下水水位、埋深數(shù)據(jù)查詢，并支持人工對數(shù)據(jù)進行增、刪、改等操作并保存。并且能夠提供所查詢數(shù)據(jù)的直接導出到excel表。

4.4.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形分析展示

提供歷史數(shù)據(jù)任意時段、任意測站地下水水位、埋深、以及水質各參數(shù)數(shù)據(jù)過程線。支持單站、多站同圖顯示。這部分數(shù)據(jù)不做整編，僅將歷史數(shù)據(jù)(如有修改，采用人工修改后的)圖形及表格顯示出來即可。表格可以只將特征值顯示出來，如查詢時段的平均值、最高值及時間、最低值及時間。

4.4.6 成果報表

按照地下水監(jiān)測規(guī)范，每個表都是一年年終匯總生成，是否可以考慮要求用戶每月對數(shù)據(jù)進行校正確認。主要實現(xiàn)這幾個報表：(1)原始記載表；(2)月平均水位表；(3)月平均埋深水位；(4)年特征值統(tǒng)計表；(5)埋深年特征值統(tǒng)計表；(6)分縣年特征值計算表。

表1 基礎功能分析表

5 結語

通過地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺在新疆阿克蘇地區(qū)的實踐應用，取得了很好的應用效果。

(1)基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，依賴云服務器和云數(shù)據(jù)庫，開發(fā)及部署了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、消息服務、業(yè)務系統(tǒng)服務、終端服務，最終搭建了地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)云平臺。

(2)基于終端服務，接通業(yè)務系統(tǒng)服務，采用最先進的UI組件技術，開發(fā)了電腦瀏覽器客戶端系統(tǒng)，實現(xiàn)了包括首頁、系統(tǒng)管理、基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表等五大功能模塊的管理,大大提升了地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析能力。

(3)由于等值面的生成需要依賴專業(yè)的線下工具并且耗費大量的計算資源，因此在線等值面的應用一直是個難點，本系統(tǒng)利用分布式計算、緩存技術、并發(fā)訪問構建了實時等值面生成方法，并得到了廣泛應用，大大提高了工作效率。

(4)地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測的基礎上，為充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的分析價值，實現(xiàn)了系統(tǒng)的分析和比對功能，其中包括過程分析和特征值分析，為更好地管理及監(jiān)測地下水的變化動態(tài)并采取措施提供了很好的依據(jù)。

(5)完成了標準的地下水報表生成功能。為更好地管理地下水，充分利用數(shù)據(jù)資源及計算機能力、減輕管理者的工作壓力，系統(tǒng)提供了一鍵生成標準年報表的功能，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作者從繁雜的數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來并確保數(shù)據(jù)的準確性。