長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析

鄧宇杰，鄭和震，陳英健

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 概述

長江是我國第一大河流，干流全長6300余km，流域面積約180萬km2，涉及19個省(市、自治區(qū))，是我國重要的資源支撐和生態(tài)屏障，具有重要的戰(zhàn)略地位[1]。長江流域?qū)嵭辛饔蚬芾砼c行政區(qū)域管理相結(jié)合的水管理體制，水利、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、交通等部委和沿江地方政府不同程度履行部分流域涉水管理職能，體現(xiàn)出跨區(qū)域多部門協(xié)同管理的特征[2]。

受人類活動和氣候變化影響，長江流域水旱災(zāi)害頻發(fā)、水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染等問題突出[3]。習(xí)近平總書記高度重視長江流域治理和保護的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性，多次作出重要指示，要求“共抓大保護”[4]?！堕L江保護法》[5]《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》[6]等法律、規(guī)劃要求加強長江流域信息化建設(shè)，提升管理信息化水平，統(tǒng)籌長江流域上中下游、江河湖庫、左右岸、干支流的協(xié)同治理與綜合管理，支撐長江大保護工作的開展。

近年來，國家相關(guān)部委及其派出機構(gòu)、沿江地方政府部門在長江流域信息化建設(shè)和管理方面取得了較大進展，比如，當(dāng)前已初步建成覆蓋氣象(735個國家氣象站)、水文(2.9萬余處各類水文站點)、水資源(488個控制斷面的水位、流量)、水環(huán)境(約4500個水質(zhì)監(jiān)測站點)等各類信息的感知體系，開發(fā)了中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、全國水雨情信息網(wǎng)、國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測實時數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、長江流域防汛抗旱指揮系統(tǒng)、長江流域河湖長制管理信息系統(tǒng)、長江流域重要站實時水情表、長江流域水資源動態(tài)管控平臺、長江流域生態(tài)流量監(jiān)控管理平臺、長江全覆蓋水監(jiān)控系統(tǒng)以及各省市水情服務(wù)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)平臺等眾多業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。但是，長江流域信息化依然存在監(jiān)測體系尚未形成全覆蓋、數(shù)據(jù)分散且信息交流共享困難、應(yīng)用系統(tǒng)功能局限且缺少業(yè)務(wù)協(xié)同、精細化綜合管理與精準化智能決策支撐能力有限、信息化管理機制體制不健全等問題[7]，難以滿足長江大保護背景下的科學(xué)管理需求。

共抓大保護，關(guān)鍵在“共”字，亟需研發(fā)統(tǒng)一管理平臺來支撐長江大保護背景下的綜合管理[8]。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，時空大數(shù)據(jù)云平臺在智慧城市、智慧國土等領(lǐng)域得到較好應(yīng)用，已成為信息化平臺建設(shè)的必然趨勢[9]。因此，研究建設(shè)長江大保護時空大數(shù)據(jù)平臺，以全面提升長江流域信息感知能力和綜合決策水平，統(tǒng)籌管理長江大保護的各項工作。

需求分析是信息化平臺建設(shè)的基礎(chǔ)[10]，本文開展長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析研究，為長江大保護時空大數(shù)據(jù)平臺的研發(fā)與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 需求分析技術(shù)路線

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析分為“調(diào)研分析—現(xiàn)狀評價—需求梳理”3步。

(1)調(diào)研分析：通過廣泛的文獻檢索與調(diào)研分析，全面了解長江流域監(jiān)測站網(wǎng)、數(shù)據(jù)管理、已有的系統(tǒng)平臺、信息化管理機制現(xiàn)狀以及國內(nèi)外流域信息化、大數(shù)據(jù)云平臺等建設(shè)經(jīng)驗。

(2)現(xiàn)狀評價：根據(jù)長江大保護工作對長江流域信息化建設(shè)的要求，厘清長江流域管理涉及的各單位、部門的信息化資源和管理現(xiàn)狀和存在的問題，分析長江大保護背景下各單位、部門的業(yè)務(wù)需求和信息化需求。

(3)需求梳理：基于上述分析，提出長江大保護下時空大數(shù)據(jù)云平臺的建設(shè)需求，主要包括平臺的建設(shè)目標、服務(wù)對象、業(yè)務(wù)需求、功能需求、數(shù)據(jù)需求、安全需求和其它需求等內(nèi)容。

3 云平臺建設(shè)需求

限于篇幅要求，對長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析成果進行簡介，如圖1所示。

圖1 需求分析體系圖

3.1 建設(shè)目標

以長江流域現(xiàn)有信息化資源為支撐，融合大數(shù)據(jù)、云計算、智能化、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，研發(fā)由“一數(shù)、一圖、一網(wǎng)、一平臺、N應(yīng)用”組成的長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺。

一數(shù)：建立一套長江大保護時空大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對長江流域全面、綜合的感知，形成支持大數(shù)據(jù)挖掘的核心，為平臺研發(fā)與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一圖：實現(xiàn)長江大保護一張圖，以可視化的方式呈現(xiàn)長江流域全要素，支持長江大保護工作智慧決策。

一網(wǎng)：通過物聯(lián)網(wǎng)將智能傳感器連接起來，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的智能傳輸和存儲，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的融合對話和智慧服務(wù)。

一平臺：建立統(tǒng)一的支撐云平臺，將數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用模塊統(tǒng)一在云端，打破長江流域數(shù)據(jù)條段化與孤島效應(yīng)，提升長江大保護工作服務(wù)水平。

N應(yīng)用：基于長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺，實現(xiàn)長江大保護時空大數(shù)據(jù)的智慧應(yīng)用。

3.2 服務(wù)對象

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺主要服務(wù)于長江流域管理相關(guān)的國家部委及其派出機構(gòu)、19省(市、自治區(qū))省級行政主管部門。其中，國家部委及其派出機構(gòu)主要包括水利部、生態(tài)環(huán)境部、自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、應(yīng)急管理部、國家發(fā)展和改革委員會、中國氣象局、國家林業(yè)和草原局、國家能源局、水利部長江水利委員會、生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局、交通運輸部長江航務(wù)管理局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江流域漁政監(jiān)督管理辦公室、中國氣象局長江流域氣象中心等，省級行政主管部門主要包括青海、四川、西藏、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海、貴州、甘肅、陜西、河南、浙江、廣西、廣東、福建等 19 個省(市、自治區(qū))的水利、生態(tài)環(huán)境、住建、交通、農(nóng)業(yè)、應(yīng)急管理、發(fā)改、氣象、林業(yè)等部門。

3.3 業(yè)務(wù)需求

根據(jù)調(diào)研分析，長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺應(yīng)能統(tǒng)籌管理長江上下游、左右岸、干支流以及跨區(qū)域跨部門的共保共治行動，主要從水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水空間等5大板塊，遵循“豎向到底、橫向到邊”的業(yè)務(wù)梳理要求，細化各項重點業(yè)務(wù)，見表1。

表1 長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺業(yè)務(wù)需求表

3.4 功能需求

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺應(yīng)以基礎(chǔ)地理信息、水情、工情、氣象等要素監(jiān)測以及水工程運行設(shè)施監(jiān)控為抓手，通過對各類數(shù)據(jù)資源等實施全面整合，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)可查、成果可看、業(yè)務(wù)完整、決策可用、監(jiān)督考核”的功能要求。因此，長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺的主體功能需求分為信息服務(wù)、業(yè)務(wù)管理、決策支持和監(jiān)督考核等4類。

(1)信息服務(wù)

信息服務(wù)功能包括基礎(chǔ)信息服務(wù)、監(jiān)測信息服務(wù)、信息共享服務(wù)、信息融合服務(wù)及信息發(fā)布服務(wù)等5類，極大豐富長江大保護時空大數(shù)據(jù)資源，為長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺智慧應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)業(yè)務(wù)管理

業(yè)務(wù)管理功能包括水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水空間等5大板塊業(yè)務(wù)的科學(xué)管理。

(3)決策支持

決策支持功能是長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺的“智慧”所在，在整合多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行大數(shù)據(jù)的深度挖掘分析及專業(yè)模型應(yīng)用服務(wù)，將分析場景應(yīng)用至水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水空間等5大板塊業(yè)務(wù)，最終實現(xiàn)平臺智慧應(yīng)用的決策支持。

(4)監(jiān)督考核

監(jiān)督考核功能主要針對長江流域水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水空間等5大板塊業(yè)務(wù)，提供移動/PC多終端一體的投訴舉報、定期核查、人工抽查等多種方式以及包含單位自查、社會監(jiān)督、群眾監(jiān)督等多種渠道的監(jiān)督考核入口，從而強化業(yè)務(wù)內(nèi)部管理、提高公眾滿意度。

3.5 數(shù)據(jù)需求

數(shù)據(jù)是長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)和應(yīng)用的核心，數(shù)據(jù)需求分為數(shù)據(jù)類型與來源、多源數(shù)據(jù)整合建庫、數(shù)據(jù)共享服務(wù)和數(shù)據(jù)挖掘分析等4類。

(1)數(shù)據(jù)類型與來源

經(jīng)過分析，長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺的數(shù)據(jù)類型可分為基礎(chǔ)時空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等4類，可來源于監(jiān)測站點、已有數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)共享、相關(guān)統(tǒng)計及規(guī)劃設(shè)計報告等成果、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取等。

(2)多源數(shù)據(jù)整合建庫

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺數(shù)據(jù)來源廣泛、數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)格式多樣、內(nèi)容豐富，且各類數(shù)據(jù)之間存在著緊密的聯(lián)系，互為彼此使用和管理的重要依據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)整體管理效能、加強數(shù)據(jù)共享，節(jié)約資源建設(shè)，更好的服務(wù)于長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用，需要對多源數(shù)據(jù)整合建庫，主要包括數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建庫等3個步驟。

(3)數(shù)據(jù)共享服務(wù)

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺不但需要集成已有的各種數(shù)據(jù)，還要向相關(guān)單位、部門共享各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，保持數(shù)據(jù)的聯(lián)動更新，提高信息資源利用效率。針對全國水雨情信息網(wǎng)、各省市水情服務(wù)系統(tǒng)、國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測實時數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)等已有系統(tǒng)的水雨情、水文、水資源、水質(zhì)、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)，長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺應(yīng)與各系統(tǒng)進行充分的數(shù)據(jù)共享與交換，支撐相關(guān)單位、部門共享應(yīng)用數(shù)據(jù)，科學(xué)履行職責(zé)業(yè)務(wù)。

(4)數(shù)據(jù)挖掘分析

為了充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，滿足長江大保護業(yè)務(wù)管理決策需求，長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺利用各種數(shù)據(jù)資源的融合，通過大數(shù)據(jù)分析模型和水文氣象預(yù)報模型、洪水災(zāi)情預(yù)測模型、水資源預(yù)測模型、水生態(tài)環(huán)境預(yù)測模型、調(diào)度模型等各類專業(yè)模型，輔助決策管理，支撐水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水空間等5大板塊業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.6 安全需求

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺的建設(shè)成果包括物聯(lián)感知體系、基于大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等，在信息安全方面有著強烈的需求，需按照《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》《信息安全等級保護管理辦法》、GB/T 25070—2010《信息系統(tǒng)等級保護安全設(shè)計技術(shù)要求》、GB/T 22239—2019《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護基本要求》等相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)程規(guī)范的要求，建立“可信、可控、可管”的信息安全保障體系，使得平臺能夠按照預(yù)期運行，免受攻擊和破壞。

3.7 其它需求

3.7.1性能需求

物聯(lián)感知性能方面，應(yīng)能快速獲取信息，匯聚的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，多源數(shù)據(jù)應(yīng)傳輸順暢；專業(yè)模型性能方面，各專業(yè)模型應(yīng)在滿足業(yè)務(wù)需求的情況下最大程度提高計算效率和計算精度，且能長期穩(wěn)定運行；業(yè)務(wù)應(yīng)用性能方面，應(yīng)能滿足平臺全部用戶同時在線操作，響應(yīng)速度能滿足業(yè)務(wù)工作要求。

3.7.2接口需求

為了保證長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺高效、準確地交換信息，接口需求如下：①平臺與外部系統(tǒng)接口應(yīng)具備完整性、規(guī)范性、開放性和靈活性；②接口定義應(yīng)遵循易理解、易使用、易交流和易擴展的原則；③保證平臺與外部系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)一致性；④在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下，使接口數(shù)據(jù)量盡量少，最大限度地減輕數(shù)據(jù)提供方壓力；⑤具有可靠完善的接口數(shù)據(jù)傳輸與錯誤處理機制；⑥平臺的服務(wù)接口應(yīng)符合開放系統(tǒng)的標準協(xié)議，且具有安全控制機制和擴展能力。

3.7.3界面需求

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)要強調(diào)結(jié)構(gòu)化、模塊化、標準化，做到界面清晰，連接暢通。界面完全遵照 GUI(圖形用戶界面)的標準，用戶只要了解業(yè)務(wù)應(yīng)用的工作流程和操作系統(tǒng)的使用方法，無需經(jīng)過復(fù)雜的操作培訓(xùn)即可很方便地使用。菜單格式、快捷鍵等要充分考慮用戶習(xí)慣，做到方便易用。

3.7.4運維需求

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺應(yīng)定期巡檢、檢修，必要時進行升級、更新，發(fā)生故障后應(yīng)及時處理故障并出具故障調(diào)查處理報告，定期編制平臺運維分析報告。

4 結(jié)論

為解決當(dāng)前長江流域信息化建設(shè)難以滿足長江大保護背景下的科學(xué)管理需求的現(xiàn)實問題，研究建設(shè)長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺十分必要。本研究按照既定的技術(shù)路線，提出了科學(xué)合理的平臺建設(shè)需求。

長江大保護時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析可為平臺研發(fā)與應(yīng)用提供指導(dǎo)，同時為其它時空大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)需求分析提供參考。下一步將繼續(xù)深入研究長江大保護時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)方案，積極推進長江大保護時空大數(shù)據(jù)平臺盡快研發(fā)，以全面提升長江流域信息感知能力和綜合決策水平，統(tǒng)籌管理長江大保護的各項工作，開創(chuàng)長江大保護的新局面。