云計算與水文信息化

柳 林 ，仝黎熙 ，楊 敏

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 遷西 064309）

1 引言

經過多年的建設，水文信息化取得了顯著成就，提高了管理能力和服務水平，并在水文工作中發揮了不可替代的重要作用。隨之也產生了一系列的問題：信息采集方式落后，在采集的信息種類、頻次、站點布局和應急監測等方面，面對國家防災減災、實施最嚴格的水資源管理和保障民生與社會經濟發展的要求，其支撐能力相對滯后亟待進一步提高；在信息服務和業務系統建設方面，信息資源的開發利用程度低、共享困難、系統間難以銜接等問題仍然突出，無法滿足業務協同的需求。相關問題雖然得到了重視，但由于資金和技術等原因，仍未得到有效解決。

2006年，云計算（Cloud Computing）的概念首次由Google公司提出。隨著技術發展和研究實踐的不斷深入，物聯網、云計算已經不再停留在概念層面，云計算已經得到了廣泛的應用。

鑒于物聯網在水文行業已有相關應用分析及案例，而云計算在水文信息化建設中還是個空白，筆者將重點分析云計算在水文信息化中的應用。

2 認識誤區

2.1 物聯網和互聯網認識混亂

目前流行的一種觀點將物聯網與互聯網對立，認為它們是2個不同或不完全相同的網絡，或者認為物聯網將會取代互聯網。筆者認為物聯網僅是互聯網發展與擴展的一個階段性特征，可以說物聯網是將原有互聯網的范圍擴展與升級，使得未來互聯網比先前的互聯網更為復雜、包含的范圍更為廣泛，即人與人、人與物、物與物的網絡綜合體，其本質還是互聯網，即由多個計算機網絡相互連接而成，而不論采用何種協議與技術的網絡。

2.2 云計算和分布式計算混淆

分布式計算研究是把一個大型的計算問題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給網絡中大量的計算機分別進行處理，最后把計算結果綜合起來得到最終結果，其重點是利用網絡中計算機CPU的閑置處理能力來解決大型計算問題。而云計算重心是服務和虛擬化的資源，其中分布式計算可以認為是云計算的一種服務方式。同樣是“計算”，但兩者的含義大不相同，這也是兩者易被混淆的一個主要原因。

2.3 物聯網和云計算割裂

物聯網和云計算都是當前的熱點，很多城市或部門分別出臺了自己的物聯網或者云計算發展規劃，將兩者人為的割裂開來。然而物聯網與云計算本就是相輔相成，它們的共同之處在于都是以互聯網為基礎平臺，兩者之間互相依存、互相促進、共同發展。一方面，物聯網的發展離不開云計算的支撐，云計算憑借處理能力、存儲能力成為物聯網的后臺支撐平臺，缺少云計算的支持物聯網的工作性能無疑會大打折扣；另一方面，云計算中各類軟件、信息服務需要物聯網產生海量的數據來更好地滿足用戶各個層面的應用需求，失去了物聯網的云計算在信息服務方面也將黯然失色。

3 水文信息化的發展瓶頸

水文作為社會公共信息服務行業，其信息不僅為水利行業服務，更是為全社會生活生產服務。水文數據庫也是我國四大基礎性、戰略性資源數據庫之一 “自然資源和空間地理基礎信息庫”的重要組成部分，這充分表明水文信息是國家最基本的信息資源。

水文信息化的目標是為社會提供更新、更好的信息產品。因此，如何利用先進的技術，獲取更多種類、更大時空尺度的信息，充分開發利用水文信息資源，滿足社會經濟發展的需求，是水文信息化要解決的根本問題。雖然水文信息化在過去多年的建設中取得了很大的發展，但在信息化體系、基礎信息源建設、信息服務和應用整合與協同理念等方面仍然存在較大差距。目前水文信息化建設具有明顯不足：

（1）基礎設施落后：水文是信息密集型的基礎行業，基礎信息的建設尤為重要。目前，測站數量嚴重不足，并且許多測站還處于人工觀測的階段，信息采集手段落后、效率低，影響了信息的數量和精度。

（2）信息服務有待加強：水文行業的成果是信息，信息的價值體現在對內對外的服務。對內服務有助于提高協作能力和業務水平，對外服務則是水文行業對整個社會的職責。隨著信息技術發展，借助網絡等技術手段，通過對水文各類信息資源開發利用，對各類需求提供多樣化的、合適的分析加工產品是水文信息服務的發展方向，也是水文信息化的發展目標。

（3）整合與協同應用亟待加強：由于前期建設缺乏整合與協同應用的理念，各類信息系統的相互分割和基礎信息的分散導致使用不便，形成了“信息孤島”，影響了信息服務水平，制約了水文信息分析處理能力的提升。

因此，在通信網絡日趨完善的前提下，水文信息化必須重點解決信息的采集、服務和應用3個環節的問題，逐漸形成以數據采集和處理自動化為基礎、以智能化知識發現工具為手段的水文信息服務。

4 云計算應用構想

云計算對于水文信息化的意義在于實現資源的整合與業務的協同，提升對海量數據存儲、分享、挖掘、搜索、分析和服務的能力，使得業務數據作為無形資產得到統一有效的管理，同時為更多公眾服務。

云計算通過網絡將各類計算服務分布在各地的計算機上，為用戶的需求提供服務，由于網絡的規模龐大使得云計算的服務顯得異常神秘，對于熟悉了傳統客戶端服務器模式的用戶來說會存在這樣那樣的疑問，如誰為我提供的服務、怎么部署的、什么樣的計算過程、信息是否準確安全等。其實，云計算并不神秘，在水利信息化建設中已有類似應用，近年來投入使用的實時雨水情數據庫和水情信息交換系統就部分借鑒了云存儲的理念。

5 水文信息化主要內容

水文信息化圍繞水文信息的采集、傳輸、存儲、信息服務和業務應用進行。信息采集系統主要由監測儀器、傳感器、衛星、遙感、GPS等儀器設備單獨或組合而成。信息傳輸系統包括有線傳輸（光纖、電纜、公用電話等）、無線傳輸（超短波、衛星、GPRS/GSM等）、傳輸網絡系統等。信息存儲系統將各類信息保存在數據庫中。信息服務系統是面向防汛、抗旱、水資源配置等事務管理提供數據、圖表等基礎性服務。業務應用系統包含相關的分析、統計、預測、預報、評價等功能。

5.1 信息采集

信息采集系統是水文信息化的基礎，水文信息化建設采集的主要信息類型包括降水、水位、流量、水質、蒸發、墑情等各類信息。采用傳感器微電子技術，把水文信息通過傳感器轉為電子信號并通過傳輸系統傳到數據中心，同時也可以對測站實現遠程控制。信息采集系統建設的目的就是獲取更多種類、更大時空尺度的信息，在時間、空間和水文要素3個方面拓展自身的信息獲取能力。

5.2 信息傳輸

信息傳輸要充分應用現代通信、網絡和計算機應用技術等方式和途徑，借助通信衛星、短波數傳、公用分組交換網、微波通信網以及Internet等媒介，組成完整、高效的通信網絡系統，提高信息傳遞的可靠性、時效性和準確性。

5.3 信息存儲

水文信息通過自動采集或信息化處理后，其數據和信息量將是海量的，其存儲主要依賴于分布式存儲系統，通過數據庫建設實現對水文信息數據進行分類、存儲、管理。

5.4 信息服務

作為重要的基礎信息，水文信息無論是在水利行業還是國家社會經濟等方面都有廣泛應用。水文不僅要以及時、準確的水文信息和分析預報成果在防汛抗旱中為決策提供科學依據，而且要為水資源配置、節約和保護等涉水事務的管理提供基礎性信息服務。

在此基礎上實現面向不同用戶的信息服務，包括水位、流量、泥沙、水質、雨情、蒸發、墑情以及報汛站基本信息等各類信息，并展現各種分析之后的統計結果，通過圖形顯示功能繪制雨量柱狀圖、雨量分布圖、水面線圖、洪水過程線圖、大斷面圖等實現信息的可視化，為相關的業務應用或業務需求提供信息服務。

（1）基礎信息：提供行政區劃、河流水系、地形地貌、氣候特征和歷史洪水等基本情況，提供信息的圖表查詢、基于GIS的地圖展示等服務。

（2）站網信息：實現對各類水文站（包括水文、水位、雨量、蒸發等）、報汛站、遙測站、地下水監測站、水質監測站等的基礎信息服務，包括各類測站位置、概況、站類、站級、設站目的、受水利工程影響程度、測驗項目、測流方式、水文特征值、控制范圍等測站基本信息。

（3）氣象信息：提供衛星云圖、氣象圖、數值預報、天氣短、中、長期降雨預報、重要和極端天氣預警（消息）、臺風消息、臺風警報、臺風緊急警報、臺風路徑信息（包括位置、強度、預報）、雷達回波圖、降雨量預報分布圖等實時氣象信息服務。

（4）雨情信息：提供雨量檢索、累計雨量分析、降雨等值線等值面等信息服務。

（5）水情信息：提供河道、水庫和閘壩的水位、流量信息查詢、水位流量過程線分析、水位蓄水量過程線分析、出入庫水位流量過程分析、多站對比分析、歷史同期對比分析、歷史洪峰對比分析等服務。

（6）水質信息：對河道控制站和入河排污口水質監測斷面的水質狀況進行查詢、統計、分析服務。

（7）地下水信息：查詢與發布地下水基礎數據、空間數據、動態監測數據、業務數據以及模型成果數據，動態反映地下水的歷史變化過程和現狀。

（8）墑情信息：提供各類遙感、人工監測土壤墑情信息，并集成土壤、植被、氣象、地下水、水源地、城市供水等信息服務。

（9）報表管理：提供報表模板管理、報表定制、報表輸出等功能。根據業務需要制作報表模板、基于報表模板對要輸出的報表格式進行定制，并綁定數據源進行報表輸出。

5.5 業務應用

隨著水文科學和信息技術的發展，大量業務應用系統（如站網管理系統、洪水預報系統、蓄滯洪區洪水演進系統、枯水期徑流預報系統、地下水管理系統、水質預警預測系統、墑情管理系統等）相繼投入業務分析處理應用。

（1）站網管理系統：為掌握水文監測動態信息，及時調整站網布局提供工具支撐，實現各類水文站（包括水文、水位、雨量、蒸發等）、報汛站、遙測站、地下水監測站等的動態管理。

（2）洪水預報系統：實現對雨水情信息分析處理、預報參數的過濾計算、預報方案的優選比較、專家經驗的整合參考、預報成果的綜合分析、洪澇災害分析預測、預報結果的綜合輸出以及預報成果的檢驗分析，以提高洪水預報的精度和預見期。

（3）蓄滯洪區洪水演進系統：通過在2維數字地形圖或3維數字模型上疊加各種水文要素、經濟社會及生態信息，綜合地表達水文要素和各種地理實體的空間分布，分析洪水演進過程，統計估算經濟損失。

（4）枯水期徑流預報系統：在分析研究氣候特征及枯季徑流來水規律的基礎上，用水文氣象方法和水文方法分別建立枯水期徑流預報模型，為水資源管理和調度服務。

（5）地下水管理系統：通過構造地下水水流測試模型，以可視化的形式對地下水位及其變化作出反映，對區域水量平衡進行分析，實現水資源的優化配置和科學調度。

（6）水質預警預測系統：通過構造河流中污染物的擴散輸移模型，對污染物的擴散及輸移進行模擬分析，對河流水質狀況及其變化作出預測，提高對突發、惡性水質污染事故的預警預報及快速反應能力，為水資源管理和優化配置服務。

（7）墑情管理系統：利用遙感、水文、氣象、農業等信息，采用多種方法，估算各類干旱指數及其綜合指數，分析旱情狀況和未來旱情發展變化趨勢，為指導抗旱、水資源調度、農業生產等提供科學依據和決策支持。

6 云計算與水文信息化

6.1 物聯網與信息采集

信息采集與傳輸是水文信息化的基礎。然而，由于數據采集點數量少、范圍廣、技術落后和自然條件惡劣等原因，長期以來信息的采集傳輸一直是制約水文信息化發展的一個瓶頸。

與物聯網相關的傳感器技術、網絡技術等并不是全新的技術，物聯網的“物”在水文信息化中可以泛指各類固定或移動采集設備和各類水工建筑物。物聯網在信息采集方面的應用其實就是將測站數據采集模塊、通信模塊和控制模塊融為一體，實現各種信息數據的遠程自動采集、實時傳輸、處理和控制。通過對各類實時信息的采集、控制、傳輸、處理加工和應用，切實提高水利行業管理的綜合能力和管理水平，實現向動態管理、精細管理、定量管理和科學管理的轉變。

6.2 云存儲與信息共享

水文信息的存儲與共享是水文業務的基礎。云存儲通過集群應用、網格或分布式文件系統等技術，將網絡中海量的不同類型存儲設備或系統通過應用軟件平臺集合起來協同工作，提供統一的水文業務數據存儲和業務訪問，為防汛、抗旱、水資源管理、水環境保護等業務應用提供信息服務與支持。

云存儲通過對海量數據存儲、分享、挖掘、搜索、分析和服務，對各類水文數據進行統一有效的管理，同時借助數據集成和融合技術，打破區域、部門間的數據限制，實現規范的常態化的信息服務與共享機制。這符合目前水利行業內各類信息資源分級分類信息管理的模式；同時，適合于諸如防汛、山洪、水污染這突發事件等現地與指揮中心聯合指揮中對于現地指揮統一、有效、有針對性的信息支持。同時，云存儲還在一定程度上提供了對重要數據容災備份的功能，展現了系統數據存儲和備份向資源集中化和服務化轉變的發展趨勢。

6.3 云桌面與信息服務、業務協同

云桌面是云計算的重要應用領域之一，也是最具特點的應用之一。通過云計算平臺將各類公有云和私有云應用服務集成到云桌面，同時結合傳統的個人電腦桌面服務，為用戶提供基于云計算平臺的桌面服務，實現業務應用桌面定制化服務，以面向業務和面向對象來選擇和定制用戶的個性化桌面。由用戶根據業務工作需要選擇不同的應用和應用組合，確定應用運行在客戶端還是云端。業務應用成果可以存儲在客戶端或云端，實現信息共享與業務協同。

水文信息化建設中的信息服務包括基礎信息、站網管理、氣象信息、雨情信息、水情信息、水質信息、地下水信息、墑情信息、統計分析、報表管理等；水文信息化建設中的主要業務應用為洪水預報、蓄滯洪區洪水演進、枯水期徑流預報、地下水管理系統、水質預警預測系統、墑情管理系統等。同時，可針對不同的管理對象類型個性化定制單位或用戶桌面，包括測站、水庫、水閘、泵站、取水口、水源地、排污口等。

由于各項業務應用都需要統一發布在云桌面平臺上，同時通過云存儲系統獲得信息服務，所以云桌面的方式在業務應用系統建設中，可以推進標準化與規范化，使得標準化與規范化工作更加有的放矢，促進水利行業業務應用系統的軟件產品化開發與推廣應用，減少重復開發，降低開發與成本，適合于具有一定通用性的水文專業應用系統或模型的統一開發。

同時，業務的整合與協同是水文信息化發展方向。隨著云計算和相關信息技術的發展，為解決業務應用的整合和系統問題提供了可能。云桌面可以有效集成統一發布的各類業務應用服務與資源，推進業務整合與協同，提高綜合應用水平，使得各項業務工作相互分工協作，保障信息在各個層面的共享和交換，使得業務系統能夠充分滿足各方面的需求，既能獨立運行，又能相互協同工作。

7 展望

隨著技術的不斷發展，物聯網、云計算已經不再停留在理論或是理想狀態。隨著傳感器在水利行業的廣泛應用，這為物聯網的應用和建設創造了良好的基礎，同時各類信息管理、業務應用系統已經為云計算的建設打下了良好的基礎。新時期經濟社會發展對水文行業信息化建設提出了更高的要求，為滿足新形勢下對水文的新要求，就要在原有水文信息服務的基礎上，增加服務種類和數量，拓寬服務面，提高服務水平和質量，云計算作為一種新的信息服務模式也將推動水文信息服務水平的提高。