云技術(shù)在黃河防汛抗旱信息化建設(shè)中的應(yīng)用

湯進(jìn) 馮建 李自尊

摘 要：黃河防汛抗旱任務(wù)具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和艱巨性等特點(diǎn)。近年來，防汛抗旱信息化建設(shè)按照“大平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)”的集成整合建設(shè)思路，以基于云技術(shù)的黃河云平臺(tái)為基礎(chǔ)，為上層防汛抗旱業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐服務(wù)?；谠朴?jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，一定程度上解決了黃河防汛抗旱信息化建設(shè)中存在的難題。

關(guān)鍵詞：云技術(shù);黃河防汛抗旱;資源整合;虛擬化;微服務(wù)

中圖分類號(hào)：TV87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0007-03

Abstract： The Yellow River flood control and drought relief task has the characteristics of long-term， complex and arduous. In recent years， the flood control and drought relief information construction has provided support services for the upper flood control and drought relief business application based on the Yellow River cloud platform based on cloud technology according to the integrated construction idea of "big platform， big data and big system". The key technology based on cloud computing solved the problems existing in the information construction of flood control and drought relief of the Yellow River to a certain extent.

Keywords： cloud technology;flood control and drought relief of the Yellow River;resource integration;virtualization; microservice

黃河干流全長(zhǎng)5 464 km，流域面積為7.95×105 km2，流經(jīng)9個(gè)省區(qū)，自然條件復(fù)雜，河情特殊。黃河防汛抗旱任務(wù)具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和艱巨性的特點(diǎn)。近年來，在水利信息化及國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)的大背景下[1]，水利部黃河水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“黃委”）建成了水情和工情信息采集、洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度以及黃河防汛決策綜合會(huì)商支持等系統(tǒng)，在防汛抗旱信息化建設(shè)中取得了一定成績(jī)，但與治黃發(fā)展的新形勢(shì)及新要求相比仍存在不足，主要表現(xiàn)在資源整合共享難、遺產(chǎn)系統(tǒng)重用難以及運(yùn)行維護(hù)管理難等方面[2]。

針對(duì)黃委防汛抗旱信息化建設(shè)的實(shí)際需求，詳細(xì)闡述如何基于云計(jì)算的先進(jìn)理念，綜合運(yùn)用多架構(gòu)融合技術(shù)，搭建基于云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）和平臺(tái)即服務(wù)（Platform-as-a-Service，PaaS），解決當(dāng)前存在的難題。

1 總體架構(gòu)

以黃河云平臺(tái)為基礎(chǔ)，按照“大平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)”的集成整合建設(shè)思路，集成整合計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，融合多種技術(shù)，搭建黃河一張圖、一個(gè)庫等應(yīng)用支撐平臺(tái)資源，為黃河防汛抗旱信息化系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。如圖1所示，總體架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源池、資源平臺(tái)層以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層組成[3]。其中：基礎(chǔ)設(shè)施層和資源平臺(tái)層基于黃河云平臺(tái)融合多種技術(shù)構(gòu)建;基礎(chǔ)設(shè)施層為數(shù)據(jù)資源提供安全可靠的存儲(chǔ)空間;資源平臺(tái)層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供服務(wù)支撐。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包含機(jī)房環(huán)境和計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源，通過虛擬化技術(shù)組建的資源池，提供數(shù)據(jù)資源、資源平臺(tái)及業(yè)務(wù)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和統(tǒng)一管理。

1.2 數(shù)據(jù)資源池

黃委防汛業(yè)務(wù)涉及的信息種類繁多。數(shù)據(jù)資源池主要包括涉及水利業(yè)務(wù)和政務(wù)應(yīng)用全局的水利對(duì)象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間地理信息數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)包含經(jīng)濟(jì)社會(huì)、工情險(xiǎn)情災(zāi)情、指揮決策以及防汛部署等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和水文氣象等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 資源平臺(tái)層

資源平臺(tái)層依據(jù)面向服務(wù)的體系架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）思想，結(jié)合云計(jì)算的特性引入微服務(wù)架構(gòu)，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[4]，實(shí)現(xiàn)將分散的功能資源轉(zhuǎn)化為集中的功能服務(wù)，最大限度地實(shí)現(xiàn)共享組件、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境等的功能復(fù)用，同時(shí)整合、調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層的各類資源，全面支持黃委防汛抗旱業(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演以及預(yù)案等。

1.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

基于基礎(chǔ)設(shè)施層提供的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等云基礎(chǔ)設(shè)施，調(diào)用資源平臺(tái)層提供的各類平臺(tái)組件服務(wù)，建立防汛抗旱各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

云計(jì)算可以運(yùn)用在黃河防汛抗旱信息化建設(shè)中，涉及虛擬化、微服務(wù)、容器以及資源管理等諸多關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是將計(jì)算機(jī)物理資源如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)，使用戶可以采用比原本組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源。這些資源的虛擬部分不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理組態(tài)的限制。從基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)資源到應(yīng)用資源，不同層次都可以應(yīng)用虛擬化技術(shù)。常見的虛擬化技術(shù)有系統(tǒng)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等[5]。

2.2 云存儲(chǔ)技術(shù)

云存儲(chǔ)是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來的一個(gè)概念。它是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用軟件、公用訪問接口、接入網(wǎng)和客戶端程序等多個(gè)部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)外提供安全、可靠、高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能。

云存儲(chǔ)用于解決4個(gè)問題：①提供高可擴(kuò)展性;②提供高性能的存儲(chǔ);③提供安全的共享數(shù)據(jù)訪問;④提供強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，確保存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可用性。

2.3 微服務(wù)技術(shù)

微服務(wù)架構(gòu)的目標(biāo)是將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用拆分為多個(gè)服務(wù)模塊。每個(gè)模塊專注單一業(yè)務(wù)功能對(duì)外提供服務(wù)，并可以獨(dú)立編譯、部署、更新。同時(shí)，各模塊間通過輕量級(jí)的交互機(jī)制進(jìn)行通信，組合為整體對(duì)外提供完整服務(wù)。由于每個(gè)模塊功能互相隔離，以容器為載體，可細(xì)粒度伸縮[6]，微服務(wù)架構(gòu)相較于傳統(tǒng)架構(gòu)更穩(wěn)定，具有更高的兼容性，更靈活集約，主要適用于數(shù)據(jù)量大或服務(wù)類型復(fù)雜、需要局部平滑升級(jí)以及故障恢復(fù)困難的情況，具有高可用性的特點(diǎn)。

2.4 容器技術(shù)

容器化是一種輕量級(jí)的虛擬化技術(shù)，區(qū)別于虛擬機(jī)的硬件層面虛擬化。容器是建立在操作系統(tǒng)級(jí)的虛擬化技術(shù)，有效地將單個(gè)操作系統(tǒng)管理的資源劃分到孤立的組中，以更好地在孤立的組之間平衡有沖突的資源的使用需求，具有性能損耗小、升級(jí)簡(jiǎn)單快速、部署快速以及服務(wù)無狀態(tài)化等特點(diǎn)。容器與微服務(wù)有著天然的契合度，是微服務(wù)的絕佳載體。

3 技術(shù)應(yīng)用與探索

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施資源整合共享

3.1.1 技術(shù)應(yīng)用?；A(chǔ)設(shè)施層通過融合多種存儲(chǔ)備份架構(gòu)、虛擬化技術(shù)、資源管理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的整合共享，并采用物理到虛擬（Physical to Virtual，P2V）遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)原有系統(tǒng)的云化遷移。

黃委防汛抗旱業(yè)務(wù)涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，既包括防汛抗旱工作核心的水情、雨情、工情、險(xiǎn)情以及災(zāi)情等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包括社會(huì)輿情、政務(wù)公文、防汛業(yè)務(wù)相關(guān)的圖片和視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有遙感影像和矢量等空間地理信息數(shù)據(jù)。針對(duì)不同數(shù)據(jù)類型，采用光纖通道存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Fibre Channel Storage Area Network，F(xiàn)C-SAN）、網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)（Network Attached Storage，NAS）等存儲(chǔ)架構(gòu)，提供塊、文件、對(duì)象等存儲(chǔ)方式，通過存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)池化管理。

計(jì)算資源池由一組可自動(dòng)分配、彈性配置的CPU以及內(nèi)存等資源組成。它既包括新增高性能資源池服務(wù)器，又兼顧原有性能較好的部分舊服務(wù)器。根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求及資源性能特點(diǎn)，它可劃分為業(yè)務(wù)應(yīng)用集群、資源平臺(tái)集群及開發(fā)測(cè)試集群，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，滿足高可用需求。

在利用傳統(tǒng)方式對(duì)文件、數(shù)據(jù)庫等定時(shí)備份的基礎(chǔ)上，還可利用云平臺(tái)自身的快照、克隆等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的整機(jī)備份。當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)因意外宕機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速恢復(fù)。

3.1.2 效益對(duì)比。對(duì)原有黃河防汛抗旱信息化系統(tǒng)進(jìn)行云改造后，具體效益對(duì)比分析如表1所示。

3.2 “黃河一張圖”平臺(tái)層服務(wù)

3.2.1 技術(shù)應(yīng)用。按照“基礎(chǔ)共享，專業(yè)自建，分布服務(wù)”的創(chuàng)新地理信息服務(wù)模式，“黃河一張圖”基礎(chǔ)采用天地圖和“水利一張圖”提供的底圖，結(jié)合各專業(yè)發(fā)布的專題信息服務(wù)，形成黃委統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)服務(wù)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)資源整合和業(yè)務(wù)優(yōu)化，消除應(yīng)用壁壘和信息孤島。針對(duì)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）服務(wù)數(shù)據(jù)海量、計(jì)算密集、請(qǐng)求的超高并發(fā)等特點(diǎn)，“黃河一張圖”基于黃河云平臺(tái)建設(shè)，地圖服務(wù)依托云中計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)布，由多臺(tái)虛擬機(jī)支持一個(gè)發(fā)布地圖服務(wù)的站點(diǎn)。

3.2.2 發(fā)展探索。隨著黃河防汛抗旱業(yè)務(wù)基于“黃河一張圖”發(fā)布服務(wù)需求的增加、軟件不斷地更新迭代以及對(duì)安全要求的不斷提升，傳統(tǒng)基于虛擬機(jī)部署GIS服務(wù)的模式存在的升級(jí)緩慢、不能快速迭代、故障不能快速定位以及無法快速解決等問題愈發(fā)突出?；谖⒎?wù)架構(gòu)思想，以容器為部署載體，自動(dòng)化編排、運(yùn)維管理的GIS軟件體系架構(gòu)具有敏捷、可靠、高彈性、易擴(kuò)展、故障隔離保護(hù)以及不中斷業(yè)務(wù)持續(xù)更新等優(yōu)點(diǎn)，可以較好地解決上述問題。

4 結(jié)語

按照“邊整合、邊應(yīng)用、邊完善”的建設(shè)思路，云技術(shù)已在黃委防汛抗旱信息化建設(shè)中全面推廣使用。此技術(shù)有力支撐了上層防汛抗旱業(yè)務(wù)應(yīng)用，并在一定程度上解決了防汛抗旱信息化建設(shè)中存在的資源整合共享難、遺產(chǎn)系統(tǒng)重用難以及運(yùn)行維護(hù)管理難等問題。

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