水文水情分中心冗余管理技術(shù)分析

張利 田次平

摘要：為實現(xiàn)水文水情分中心冗余管理功能，達到精細化管理的目的。分析了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、水情數(shù)據(jù)處理、相應(yīng)流量推算、值守人員管理等每個環(huán)節(jié)的冗余管理技術(shù)。對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，建立了質(zhì)量管理保障體系。冗余管理技術(shù)的應(yīng)用已在沙市水情分中心實踐應(yīng)用多年，應(yīng)用冗余管理技術(shù)使水情報汛每個環(huán)節(jié)都有一定的容災(zāi)能力，實現(xiàn)了經(jīng)濟上合理可行、水文信息安全通暢、報汛質(zhì)量達到或優(yōu)于有關(guān)技術(shù)要求的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：冗余管理技術(shù);水情數(shù)據(jù)：水文信息;水文水情分中心;沙市

中圖法分類號：P332 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.015

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0083 - 07

1 概 述

及時準(zhǔn)確地掌握水情信息對國家防汛抗旱、防災(zāi)減災(zāi)不可或缺。水文水情分中心（以下簡稱“水情分中心”）作為所轄區(qū)域內(nèi)水文站點與上級水文情報預(yù)報中心水情信息的收集、貯存、處理、完善的中轉(zhuǎn)節(jié)點，必須確保水情信息完整、安全、及時、準(zhǔn)確地報送，滿足水情報汛漏、錯報率≤1%，預(yù)報合格率≥75%。因此，水文水情分中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、水文信息數(shù)據(jù)庫、水文信息處理、相應(yīng)流量推算、值守人員管理等都要應(yīng)用冗余管理技術(shù)，使每個環(huán)節(jié)都有一定的容災(zāi)能力，達到經(jīng)濟上合理可行、水文信息安全通暢的目的。

水情分中心由1 個或若干水情分中心，若干個中央報汛站或流域報汛站組成，圖1為水情中心水情數(shù)據(jù)傳輸與處理流程。

容錯技術(shù)是指在系統(tǒng)部分硬件發(fā)生故障或部分軟件發(fā)生錯誤的情況下，系統(tǒng)仍能正確執(zhí)行任務(wù)的能力。其實質(zhì)是利用“冗余”思想屏蔽故障影響，提高系統(tǒng)的可靠性[1]。水情分中心運行管理時，要求能夠做到無論任何時刻，發(fā)生任何故障，均需保證水情報汛工作正常進行。水情分中心工作與業(yè)務(wù)系統(tǒng)密不可分，火災(zāi)、地震等災(zāi)害和人為操作失誤、聯(lián)網(wǎng)攻擊等“災(zāi)難”一旦發(fā)生時，要盡快且完整地恢復(fù)正常的業(yè)務(wù)工作，減少災(zāi)難造成的損失。通過冗余管理技術(shù)，能較好地解決系統(tǒng)安全穩(wěn)定不間斷運行的需求。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余管理為水情傳輸提供保障，數(shù)據(jù)庫冗余管理保證水情數(shù)據(jù)的安全，水情數(shù)據(jù)處理冗余管理、相應(yīng)流量推算冗余管理為水文實時報汛提供接口，值班冗余管理輔助水情中心日常工作正常運行，圖2為冗余管理功能模塊。

在冗余管理功能模塊中，以災(zāi)備措施為基礎(chǔ)，將水情分中心硬件進行災(zāi)備，以保證設(shè)備運行正常;傳輸層包含網(wǎng)絡(luò)拓撲與GPRS信道、北斗信道等，為水情分中心信道冗余管理;表現(xiàn)層為數(shù)據(jù)的需求展示結(jié)果，即應(yīng)用系統(tǒng)冗余管理包括數(shù)據(jù)庫冗余管理、相應(yīng)流量推算冗余管理和值班冗余管理等。

2 水情分中心冗余管理

2.1 信息網(wǎng)絡(luò)

報汛要求水情分中心信息網(wǎng)絡(luò)必須24 h不間斷。水情分中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括：核心交換機、接入式交換機、防火墻、深信服VPN和路由器等。在實際工作中，人為失誤操作、電腦硬軟件損壞、病毒侵入、黑客攻擊以及天災(zāi)等因素都會造成計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓以致數(shù)據(jù)丟失。水情分中心主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)冷熱備份，網(wǎng)絡(luò)線路實現(xiàn)雙路或者多路實時切換，圖3為水情分中心網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中有4條逐步報汛信道，主信道為移動MSTP專線，備用信道包括電信MSTP專線、VPN和水利衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中核心交換機互為熱備份，能在不斷網(wǎng)的情況下自動切換，到分局線路為移動和聯(lián)通雙線路備份，服務(wù)器與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均設(shè)相同應(yīng)用系統(tǒng)備件。

對水情工作中信息網(wǎng)絡(luò)收集與轉(zhuǎn)發(fā)故障進行總結(jié)，采用冗余管理技術(shù)對信息故障處理流程進行梳理，以沙市水情分中心為例，建立水情分中心信息冗余管理圖。根據(jù)其信息冗余管理圖，分中心值班人員能夠快速解決信息傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)故障，圖4為水情分中心信息冗余管理圖。管理圖分解為以下情況：

（1）服務(wù)器損壞（數(shù)據(jù)存儲）。①水情接收服務(wù)器損壞，直接切換到備用接收服務(wù)器;②水情交換/處理服務(wù)器損壞，切換到備用水情交換/處理服務(wù)器;③主數(shù)據(jù)庫切換備用數(shù)據(jù)庫。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞（數(shù)據(jù)交換）。①防火墻損壞，直接切換備用防火墻;②核心交換機損壞，熱備份自動切換;③核心路由器損壞，接入備用核心路由器。

（3）網(wǎng)絡(luò)線路故障（數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)發(fā)），提供4條備用線路（除無線mifi，其余自動切換）。①MSTP鏈路故障（電信，移動）;②VPN故障;③水利衛(wèi)星鏈路故障;④無線mifi操作。

（4）備用電源故障。①市電故障，自動切換到UPS;②UPS故障，接入市電或者發(fā)電機;③備用發(fā)電機操作。

2.2 水文信息數(shù)據(jù)庫

水文信息數(shù)據(jù)庫容災(zāi)是為了保證數(shù)據(jù)庫完整性，其對于水情報汛工作極為重要。水情分中心數(shù)據(jù)庫容災(zāi)有兩種方式：①采用水情交換系統(tǒng)，將主數(shù)據(jù)庫連接到備用數(shù)據(jù)庫進行實時備份;②采用數(shù)據(jù)庫快照，復(fù)制定時備份主數(shù)據(jù)庫到專用存儲器。

越來越多有價值的關(guān)鍵信息轉(zhuǎn)變?yōu)樗閿?shù)據(jù)，如果未及時有效地進行數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)，損失將是無法估量的，數(shù)據(jù)庫冗余管理顯得尤為重要。數(shù)據(jù)冗余管理主要指數(shù)據(jù)備份技術(shù)，主要有快照備份、離線備份、異地存儲備份等[2]。為便于管理，自動備份，水情分中心采用數(shù)據(jù)庫訂閱與水情交換的方式實現(xiàn)備份。水情數(shù)據(jù)冗余管理見圖5。

（1）主要備用方式：采用主數(shù)據(jù)庫發(fā)布，備用數(shù)據(jù)庫訂閱的方式，對主數(shù)據(jù)庫進行復(fù)制，保證水情數(shù)據(jù)的安全性。

（2）冗余備用方式：采用水情交換系統(tǒng)，在異地或者異服務(wù)器新建數(shù)據(jù)庫，將主數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實時交換到備用數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)異地備份。

兩種方式實現(xiàn)以下備份策略：①每日01：00，啟動數(shù)據(jù)備份服務(wù)機制，通過網(wǎng)絡(luò)連接到異機服務(wù)器上或進行本地備份。②值班人員每日對備份機制進行巡檢，檢查是否成功備份。每周測試驗證備份數(shù)據(jù)的可用性。③定期對備份進行刻盤，移交到檔案室保存。當(dāng)本地數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)災(zāi)難，將備份數(shù)據(jù)庫恢復(fù)即可，解決實時數(shù)據(jù)保護不能解決的人為誤操作、惡意操作等行為。

2.3 水文信息處理

水文信息處理冗余管理包括水情信息接收、處理與轉(zhuǎn)發(fā)等功能。水情分中心接收冗余管理由兩套水情接收系統(tǒng)構(gòu)成，主接收系統(tǒng)為移動網(wǎng)絡(luò)接入，備用接收系統(tǒng)采用電信網(wǎng)絡(luò)接入，兩套水情接收系統(tǒng)分別安裝在兩臺服務(wù)器上，互不干擾。該冗余管理能夠?qū)崿F(xiàn)在一臺接收系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)器故障時，另一臺正常接收數(shù)據(jù)。水情處理、交換冗余管理以備用服務(wù)器為基礎(chǔ)，安裝水情處理與交換應(yīng)用系統(tǒng)，主服務(wù)器故障時能夠及時切換到備用服務(wù)器，并正常處理與轉(zhuǎn)發(fā)水情數(shù)據(jù)。

根據(jù)水情處理冗余管理技術(shù)，創(chuàng)建水情信息接收應(yīng)急措施流程，值班人員能夠在較短時間內(nèi)快速處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，如圖6所示。水情分中心值班人員每時整點過5 min后查看數(shù)據(jù)是否完整。若所有測站數(shù)據(jù)未到達，查看GPRS信息是否在線。若在線，則檢查服務(wù)時間設(shè)置格式;若GPRS不在線，則測試能否ping通外網(wǎng)，按照步驟進行檢查。若測站只有部分數(shù)據(jù)到達，查看GPRS在線信息，若GPRS掉線可能為電源故障或者RTU、DTU故障，若GPRS在線，則測試能否招測測站數(shù)據(jù)設(shè)置信息，根據(jù)步驟檢查。特殊情況下，通知測站工作人員檢查設(shè)備。

2.4 相應(yīng)流量推算

相應(yīng)流量推算分為臨時繩套線交互與單一流量關(guān)系線。目前，水情分中心擁有一套流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，經(jīng)過該系統(tǒng)直接推算相應(yīng)流量。開發(fā)水情APP作為另一套方便報汛人員直接錄入，推算流量與臨時繩套交互，值班人員進行審核，審核成功發(fā)送到水情分中心現(xiàn)有流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換與發(fā)送，并發(fā)布到水情信息網(wǎng)。水文測站人員與值班人員可隨時在水文信息網(wǎng)查看數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不合理也可重新校正，增加流量預(yù)報準(zhǔn)確度，兩套系統(tǒng)互為備份，圖7為臨時預(yù)報線交互錄入流程。

水情中心臨時交互線繪制為實測流量報汛的重要手段。目前正在開發(fā)水情APP實現(xiàn)遠程錄入實測流量，并提供臨時預(yù)報線交互繪制功能，圖8為繪制臨時繩套交互線界面。在日常報汛工作中，提供歷史水情流量過程線，快速繪制出當(dāng)前水位流量關(guān)系線，完全模擬人工手繪報汛關(guān)系線的過程。實測流量均登記到值班記事本上，包括時間、水位、流量等信息。

2.5 值守人員

值守人員冗余管理在防汛報汛中十分重要，主要包括水情分中心各個應(yīng)用軟件的提醒報警功能與正在開發(fā)的值班管理平臺及值班制度。各個應(yīng)用軟件自帶報警功能，但無法進行重要信息識別與智能提示，值守人員利用值班管理平臺能夠?qū)⒏鱾€軟件報警信息收集處理成為有價值的信息，提高值班人員工作效率，減輕工作壓力。

2.5.1 水情值班管理平臺

水情分中心的各個應(yīng)用系統(tǒng)均有預(yù)警功能，但較為分散，水情值班管理平臺通過收集各個應(yīng)用系統(tǒng)告警信息，經(jīng)過加工過濾選取重要信息生成提示信息。該平臺以水情報汛工作為導(dǎo)向，以滿足水情分中心日常工作、減少值班人員工作量為主，達到信息實時監(jiān)控，信息處理標(biāo)準(zhǔn)化，為值班人員提供一體化工作平臺，并為智慧水文打下基礎(chǔ)。該平臺主要具有以下功能：①網(wǎng)絡(luò)故障語音短信報警功能;②水情信息錯、漏報語音、短信報警功能;③機房環(huán)境監(jiān)控功能。經(jīng)語音短信報警等提示功能，該平臺對值班人員常規(guī)錯誤進行提示糾正，達到冗余管理效果。圖9為值班預(yù)警信息冗余管理。

（1）網(wǎng)絡(luò)故障語音短信報警功能。TTS語音合成技術(shù)實現(xiàn)機器閱讀文字與預(yù)警信息。安裝真人語音包后，利用水情網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，可人性化提醒值班人員網(wǎng)絡(luò)故障，降低工作壓力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，ping不通的情況下，語音提示網(wǎng)絡(luò)不通，并發(fā)送短信告知值班人員。該系統(tǒng)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)情況實時監(jiān)控，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲通過大屏展示，使值班人員隨時了解網(wǎng)絡(luò)情況，確保網(wǎng)絡(luò)暢通。

（2）水情信息錯、漏報語音、短信報警功能。與水情處理數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，當(dāng)值班人員錄入實測流量與水位相差較大、出現(xiàn)明顯錯誤的情況下，平臺發(fā)出語音短信報警。

（3）機房環(huán)境監(jiān)控功能。與機房環(huán)控數(shù)據(jù)庫連接，機房出現(xiàn)溫度升高或其他故障時，根據(jù)提示報警并推送短信。

2.5.2 值班制度冗余管理

（1）排班制度。對值班人員結(jié)對替補安排，按照值班管理系統(tǒng)中的排班順序進行日常輪班，值班人員有特殊情況下，可隨時替換。

（2）水情分中心報汛制度。按照“頂?shù)米　y得到、報得出、報得準(zhǔn)”的要求，15 min內(nèi)收齊局屬各類水情信息，并于30 min內(nèi)報送上級水情信息中心，總到報率或正確率達到95%。在整點報文收齊后40 min內(nèi)不得離開，以備各方隨時查詢。值班人員完成當(dāng)天各類質(zhì)量文件記錄，嚴格填寫設(shè)備運行記錄和值班日志，負責(zé)本局當(dāng)天的水情信息發(fā)布，并對所發(fā)生的問題如實反映。發(fā)生重大事件時，應(yīng)及時向領(lǐng)導(dǎo)反映，同時采取有效措施將影響降到最低水平。

3 質(zhì)量管理保障體系

水情分中心質(zhì)量保障體系包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、分中心設(shè)備和人員等保障，圖10為水情資料保障體系關(guān)系。

水情信息網(wǎng)絡(luò)保障：報汛站點多面廣，網(wǎng)絡(luò)為報汛主要傳輸通道，一旦出現(xiàn)故障，靠人工報汛無法保障時效。汛前，進行網(wǎng)絡(luò)安全檢查及網(wǎng)絡(luò)與信息安全自查工作，軟硬件統(tǒng)計表與軟硬件資產(chǎn)清查;汛中，進行網(wǎng)絡(luò)故障排查、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測評估;汛后，進行總結(jié)，開展自查自評等工作。

分中心設(shè)備保障：主要設(shè)備包括服務(wù)器、報汛站及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。服務(wù)器為重要存儲運行設(shè)備，出現(xiàn)故障，其他設(shè)備無法替代，為保證其正常運行，水情分中心制定定期巡檢流程、硬件備份等措施。報汛站設(shè)備要求短時間恢復(fù)，必須做好備品備件準(zhǔn)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保障水文信息正常傳輸，利用故障監(jiān)測，應(yīng)急備份等冗余管理進行保障。

人員保障：值班人員能夠做到靈活，并按制度規(guī)程處理故障。主要包括以下人員：

（1）網(wǎng)絡(luò)管理人員：①必須熟悉各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能和操作方法，不得帶電進行硬件維修。②經(jīng)常檢查機柜及設(shè)備接地情況，保證設(shè)備接地良好，防止靜電傷人或起火。③檢查設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，防止設(shè)備過熱損壞或起火。④氣溫較高時，必須開啟空調(diào)對設(shè)備降溫。

（2）通訊管理維護人員：①巡查機房設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，如果發(fā)現(xiàn)可疑噪音或不正?，F(xiàn)象，必須立即斷電檢查，及時采取措施加以排除，在沒有排除故障前不得上電。②檢查機柜風(fēng)扇運轉(zhuǎn)情況，確保設(shè)備運行時風(fēng)扇運轉(zhuǎn)正常。③檢查機柜及設(shè)備接地情況，確保設(shè)備接地良好。④不得帶電檢修基站設(shè)備，防止高頻灼傷。⑤檢修設(shè)備時，必須配帶防靜電手鐲，防止靜電損壞設(shè)備。⑥隨時觀察系統(tǒng)運行情況，防止高壓電源通過用戶線路損壞設(shè)備并危及人身安全。⑦巡查避雷接地設(shè)施，保證避雷線可靠入地。

（3）水文測驗維護管理人員：①工作前，應(yīng)戴好勞動防護用品。疫區(qū)作業(yè)時，應(yīng)涂抹血吸蟲防護膏，以防血吸蟲感染。②水上作業(yè)時，應(yīng)穿著救生衣，做好救生防護措施。③作業(yè)時，要集中精力，以防刀傷、碰傷、棒傷、砸傷、燙傷、踩膜跌倒及身體被卷入轉(zhuǎn)動設(shè)備等事故的發(fā)生。

（4）報汛值班人員：①巡查機房設(shè)施設(shè)備，發(fā)現(xiàn)問題及時上報。②檢查機房溫、濕度情況，以防設(shè)備過熱損壞或起火、濕度過高導(dǎo)致絕緣性降低或短路。③檢查后備電源供應(yīng)，以防電瓶發(fā)生漏液、銹蝕、接觸不良等情況;④檢查市電供應(yīng)及線路使用情況，確保不發(fā)生打火、線路老化過熱、絕緣不良等現(xiàn)象。⑤熟悉消防設(shè)施存放位置及使用方法。

4 冗余管理在沙市分中心的應(yīng)用

自2015年起，信息網(wǎng)絡(luò)未出現(xiàn)因故障導(dǎo)致的報汛延遲;水文信息數(shù)據(jù)庫未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或其他故障;水情信息處理系統(tǒng)均正常運行，主備切換正常;相應(yīng)流量推算及時錄入;值守人員未出現(xiàn)不在崗情況，保障了沙市水情分中心可靠運行。2018年沙市分中心累計發(fā)送信息量37萬余條，30 min有效數(shù)據(jù)98.53%，如表1所示;更正信息總量6 672條，占總量1.7%，更正信息超時效數(shù)量占總量0.6%，如表2所示。

5 結(jié)論與展望

水情分中心以報汛為第一需求向?qū)?，通過冗余管理技術(shù)應(yīng)用，融入備災(zāi)措施，使各個環(huán)節(jié)合理的重復(fù)備份，達到一定的容災(zāi)能力。同時，對信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、相應(yīng)流量推算、值守人員等水情分中心運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，建立質(zhì)量管理保障體系，以達到精細化管理的目的。

冗余管理技術(shù)的應(yīng)用已在長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局沙市水情分中心實踐應(yīng)用多年，達到了經(jīng)濟上合理可行、水文信息安全通暢、報汛質(zhì)量達到或優(yōu)于有關(guān)技術(shù)要求的目的。

由于研究僅僅只是初探，今后還有若干問題要利用未來技術(shù)進一步完善，包括：①值班管理系統(tǒng)開發(fā)完善與其他報汛軟件的融合性。②實現(xiàn)異城備份，進一步保障數(shù)據(jù)安全。③加強網(wǎng)絡(luò)安全探索。④應(yīng)用虛擬技術(shù)提高設(shè)備利用率。

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（編輯：唐湘茜）

Analysis on redundancy management technology of hydrological sub center

ZHANG Li， TIAN Ciping

（Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission， Jingzhou 434000， China）

Abstract： In order to realize redundancy management function of hydrological sub center and realize fine management， the redundancy management technology of each link， such as network equipment， database， hydrological data processing， calculation of corresponding flow and management of personnel on duty ， should be analyzed. This paper analyzes the monitoring of key links in hydrological sub center， the establishment of quality management assurance system. The application of redundancy management technology has been applied in Shashi hydrological sub center for many years. The application made every links of flood reporting have a certain disaster tolerance ability， achieved the purpose of reasonable and feasible economy， safe and smooth in hydrological information， and up-to-standard or higher standard flood reporting quality required by relevant technical requirements.

Key words： redundancy management technology; hydrological data; hydrological information; hydrological sub center; Shashi City