水文信息化功能模型應用實踐

(長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400025)

1 研究背景

信息化是21世紀科技發(fā)展的重要產物，水文信息化是水文行業(yè)走向現(xiàn)代化的工具，同時也是水文現(xiàn)代化的基礎，對新形勢下水文行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。水文信息化建設的參與者應抓住當前發(fā)展的好時機，認真總結工作中的經驗，建立清晰的信息化框架結構，明確發(fā)展方向，努力使水文信息化建設達到新的高度。

長江上游水文水資源勘測局(簡稱“上游局”)，隸屬于水利部長江水利委員會水文局，主要負責長江巫峽以上干流和主要支流的水文測驗、水文水資源勘測設計、水環(huán)境監(jiān)測與分析評價、水文情報預報、河道勘測、測報自動化儀器設備研制及水政監(jiān)察工作。上游局信息化建設從起步到現(xiàn)在已經歷了20 a發(fā)展歷程，目前上游局正努力提高信息化水平，以全面支撐各項水文業(yè)務工作需要。但上游局在信息化最初的十多年時間里發(fā)展較慢。由于缺少系統(tǒng)的管理和整體把控，信息化工作僅以解決眼前水文需求為目的，導致了部分重復性建設、人員分工不明確、網絡結構不合理，到了后期已是負重前行，每當提出新的需求，都需花費較長時間來梳理、重新整合資源，造成事倍功半的后果。

自從上游局搬遷入住新基地以來，網絡管理員逐步樹立新思路，探索新形勢下的水文信息化功能模型，以新理論支撐信息化工作，使上游局網絡信息化建設步入快車道。伴隨著科技進步和智慧水文的倡導，水文工作對信息化依賴度逐步加大，當前長江上游水文信息化工作重點是加快信息化發(fā)展的步伐，滿足職工日益增長的對高效便捷水文工作的需求。因此上游局不僅需要配備高端的設備、尖端的技術和優(yōu)良的隊伍，更需要研發(fā)一套適合的理論模型來指導工作，以全面提升信息化水平，從而最終實現(xiàn)智慧水文的目標。

2 功能模型分析

上游局遷入新辦公樓后，對信息化結構做出重大調整，采用了模塊化理念進行布局。經過1 a多的調整優(yōu)化和經驗總結，上游局信息化結構逐步完善。信息化按照功能劃分，形成7層功能模型，分別為硬件下3層，即物理層、網絡層、虛擬層，軟件中間層，即數(shù)據層、軟件層，以及上面的應用層和管理層。7層功能模型每層所使用的技術相對獨立，各層之間又相互依賴(見圖1)。下面將按照每層的結構特點從下往上逐層分析。

圖1 信息化建設7層功能模型示意

2.1 物理層

物理層指網絡信息化最基礎的硬件設備及布設情況，包括機房搭建狀況、機柜擺放位置、設備上架形式、各種線路布設方式等，是實際存在的與網絡信息化相關的硬件設備，是信息化發(fā)展的基礎保障。當新建一座辦公大樓或者對舊辦公樓進行深入的信息化改造時，第一步就是搭建物理層。機房建設和設備布局將是這個環(huán)節(jié)考慮的重點。具體內容如下。

(1)大樓弱電覆蓋設計。包含每個房間弱電布置、無線ap定位、視頻監(jiān)控、多媒體系統(tǒng)以及門禁系統(tǒng)布線。經過需求調研和反復修改，制作出最完備的設計方案。

(2)機房框架設計(見圖2)。機房框架設計是整個信息化建設的物理核心，如有失誤后期將很難調整，因此機房的選址以及面積規(guī)劃將是重點考慮因素。應根據單位情況與資金狀況對機房評級，不同的級別制定不同的建設標準。

圖2 上游局機房

(3)機柜及設備擺放標準。根據信息化業(yè)務量與制定的網絡結構，決定機柜的數(shù)量、擺放方案以及機柜內設備的上架方案。一般來說應根據功能定義機柜用途，大型機房應根據功能片區(qū)定義機柜群，每種功能應有端頭機柜，中小型機房應按照功能區(qū)分每個機柜的用途，另外應對未來的擴容留有余地。

(4)網絡布線(見圖3)。網絡布線非常考驗施工工藝，要求數(shù)據中心的走線方式既美觀、方便操作又能便于后期管理維護。每年機房設備都有一定程度的更替調整，應根據情況對機房的網線進行重新梳理，盡量保持線路整潔。

圖3 標準布線工藝

(5)標簽規(guī)范。對于信息化設備和線路，規(guī)范標簽尤為重要。在設備上批注標簽可方便后期維護，線路上按照規(guī)范貼標簽可對后期查詢和處理故障帶來極大便利。

上游局目前已實現(xiàn)局本級、下屬分局的物理層標準化布設，正在努力將信息化功能延伸到基層測報一線，再經過1 a的努力，上游局將整體實現(xiàn)信息化硬件基礎標準化架構，為后續(xù)信息化工作的開展做好基礎保障。

2.2 網絡層[1]

網絡層主要對信息化網絡邏輯結構進行規(guī)劃和配置，是信息化的筋脈。不同的網絡結構具有不同的特性和優(yōu)缺點，根據實際辦公需求選擇合適的網絡結構非常重要。選擇得當可以降低網絡部署成本，同時保證網絡數(shù)據傳輸效率以及提高安全性和可靠性。網絡層是在物理層基礎上搭建起來的，需要物理層提供硬件支持。網絡層需要考慮概括如下問題。

(1)內網結構設計。為便于管理與維護，單位上下級機構應采用統(tǒng)一的網絡結構，區(qū)分核心區(qū)、業(yè)務區(qū)、辦公區(qū)、外聯(lián)區(qū)和互聯(lián)網出口區(qū)，各區(qū)域功能既明確又相互聯(lián)系。特別要注意區(qū)分骨干網、重要業(yè)務區(qū)域與分支線路，重要的部位應采用多備技術手段，提高網絡穩(wěn)定性和傳輸效率。

(2)外網邊界設計。網絡配置上應對外網連接進行統(tǒng)一規(guī)劃，規(guī)范廣域網邊界結構，以便于后期維護和未來擴展。若條件允許，內網與外網連接應采用多線路設計，保證有安全冗余。

(3)網絡資源規(guī)劃。內網的網絡資源應提前規(guī)劃，如IP地址劃分應形成甘特圖等資料，內部虛擬子網劃分應遵循前期制定的規(guī)則。

(4)網絡安全。適當采購網絡安全設備，構建安全的網絡結構，包括邊界網絡安全，出口網絡安全，增加訪問控制、日志審計、防篡改等功能以及建立DMZ區(qū)等。還可根據網絡安全需求建立物理隔離的涉密專網或涉密計算機。

網絡層是水文數(shù)據傳輸?shù)耐ǖ?，也是水文相關業(yè)務訪問的載體。為打造安全、穩(wěn)定、高效的網絡經脈，在滿足網絡層的基本要素外，上游局應采用定制方案，對不同的應用采用不同安全級的網絡。河道數(shù)據專網、財務專網采用物理隔離的獨立網絡構建，再輔之以門禁、攝像頭和網絡監(jiān)控軟件，打造高安全級網絡；水情網應采用多重安全防護邏輯隔離的網絡構建，上游局將本級及下屬分局的水情專網統(tǒng)一管理，采用態(tài)勢感知系統(tǒng)進行集中式監(jiān)控，輔助運用軟、硬件防火墻和殺毒軟件，滿足日常的安全需求；辦公網則主要考慮用戶使用方便，采用專線、VPN、互聯(lián)網等方式，將本單位內網、異地分支機構、臨時外出辦公人員匯聚于一張廣域網中，充分發(fā)揮網絡互聯(lián)互通的優(yōu)勢，為信息共享、異地辦公創(chuàng)造基礎條件。

2.3 虛擬層

虛擬層主要指通過虛擬化技術將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，通過重新定義劃分IT資源，實現(xiàn)IT資源的動態(tài)分配、靈活調度、跨域共享，從而顯著提高計算機的工作效率和程序運行環(huán)境的安全性。虛擬層是物理下3層的最高層，它將整合下層的基礎資源，為上層管理維護、數(shù)據庫運行、軟件研發(fā)、報汛業(yè)務、信息化服務提供靈活多變的應用服務。虛擬層需要考慮以下問題。

(1)單機虛擬化。單機虛擬化為用戶提供可在單一桌面上同時運行不同的操作系統(tǒng)，是開發(fā)、測試、部署新的應用程序的最佳解決方案，為網絡管理員、軟件開發(fā)員提供學習、研發(fā)、工作的虛擬環(huán)境，可進一步提高工作效率。

(2)服務器虛擬化[2]。服務器虛擬化通過運用虛擬化技術充分發(fā)揮服務器硬件性能，在確保投入成本的同時，提高運營效率、節(jié)約能源、降低經濟成本和避免空間浪費。對于當前發(fā)展迅速、成長較快的水文行業(yè)來說，可以通過服務器虛擬化技術帶來更多的經濟效益。

(3)存儲虛擬化[3]。存儲虛擬化是對存儲硬件資源進行抽象化的表現(xiàn)，為服務器虛擬化提供強大的后臺支撐。存儲虛擬化需要考慮存儲區(qū)域網絡構建和存儲方式選型。存儲區(qū)域網絡包括IPSAN和FCSAN，存儲方式包括NAS、ISCSI、FC、VSAN、專用虛擬化存儲等?？筛鶕枨笄闆r和經濟情況選擇合適的存儲類型。

(4)桌面虛擬化。桌面虛擬化是指將計算機終端系統(tǒng)進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性?？梢酝ㄟ^智能設備，在任何地點、時間通過網絡訪問屬于用戶個人的桌面系統(tǒng)，這將為后續(xù)信息化管理、應用提供極大的便利。目前流行的桌面虛擬化軟件包括VMware公司和思杰公司的云桌面產品。

(5)虛擬化備份。虛擬化后的操作系統(tǒng)是以文件形式保存在存儲介質上，為了保證這些文件的安全，需要對虛擬化操作系統(tǒng)文件進行實時備份和遠端備份，進一步保證虛擬化環(huán)境的安全。

(6)形成虛擬池。單位內避免各部門單獨搭建服務器，應以虛擬化技術為基礎，形成統(tǒng)一的虛擬池，將服務器的各種硬件功能以資源的形式分配給各部門或個人使用，便于統(tǒng)一管理、減少單點故障、避免資源浪費。

在網絡層的基礎上，針對不同的應用，上游局建立了多套虛擬化集群，包括專用虛擬化集群、水情報汛虛擬化集群和辦公網虛擬化集群，不同級別的信息化應用承載各自獨立的虛擬化集群，充分利用現(xiàn)有資源的同時減少互相干擾，達到信息安全的目的。

2.4 數(shù)據層

數(shù)據是信息資源的最基本元素，水文行業(yè)的水文數(shù)據資料種類多樣、數(shù)據量大，包括水情報汛數(shù)據、資料整編數(shù)據、河道地形數(shù)據、水質數(shù)據、財務數(shù)據、專項數(shù)據等。建立一套完整的數(shù)據存儲模型與備份方案，充分挖掘數(shù)據資源，安全共享數(shù)據資源，是信息化應用得以持續(xù)推進的重要保證，同時數(shù)據層為上層軟件提供基礎數(shù)據。該層需要考慮的問題如下。

(1)數(shù)據庫整體布局。根據單位內不同部門的數(shù)據類型和用途進行分類，建立核心數(shù)據庫、邊界數(shù)據庫、系統(tǒng)數(shù)據庫，形成數(shù)據管理中心，對不同安全級的數(shù)據庫采用不同方式進行隔離保護，并由數(shù)據庫管理員統(tǒng)一維護，保證數(shù)據安全。

(2)數(shù)據庫分類。按照數(shù)據用途將數(shù)據庫分為存儲類數(shù)據庫，系統(tǒng)配置數(shù)據庫，中間成果數(shù)據庫等。存儲類數(shù)據庫，例如核心數(shù)據庫保存有重要資料并需要長久保存，是最重要的不可再生的數(shù)據庫；系統(tǒng)配置數(shù)據庫，例如水情預報系統(tǒng)的系統(tǒng)配置，存儲的軟件配置信息，數(shù)據量與數(shù)據改變較小，如果遺失會造成一定時期運行困難，需要一段時間恢復；中間成果數(shù)據庫，例如水情信息交換中間數(shù)據庫，該類數(shù)據庫的數(shù)據只是作為中轉用，數(shù)據本身沒有價值，只需要保留表結構即可。區(qū)分數(shù)據類別對數(shù)據備份、數(shù)據安全防護使用何種方法至關重要。

(3)數(shù)據傳輸模型。在水文報汛工作中，數(shù)據庫布局完成之后要設定數(shù)據傳輸方案，水文實時數(shù)據量大且傳輸頻繁，綜合考慮后，適當選擇應用軟件傳輸、數(shù)據庫同步傳輸或者短信傳輸?shù)葌鬏敺绞?，以達到最佳效果，同時做好備注便于維護和持續(xù)改進。

(4)數(shù)據備份。數(shù)據庫備份方式包括自動備份與人工備份，數(shù)據庫備份介質分為熱存儲介質和冷存儲介質，應從功能上對數(shù)據庫進行區(qū)別備份，存儲類數(shù)據庫應實現(xiàn)自動備份與人工備份相結合，存儲方式需要熱存儲與冷存儲并行；參數(shù)類數(shù)據庫由于改變量小，應適時備份即可；中間過程數(shù)據庫由于數(shù)據本身不重要，備份一套數(shù)據庫表結構或者初始數(shù)據庫即可。

(5)數(shù)據容災。數(shù)據容災是指建立一個異地的數(shù)據系統(tǒng)。對于IT而言，就是為計算機信息系統(tǒng)提供的一個能應付各種災難的環(huán)境?？梢哉f，容災系統(tǒng)是數(shù)據存儲備份的最高層次。在經濟和管理允許的情況下，可根據單位實際情況適當選擇遠端容災備份。

(6)形成數(shù)據鏈。將各部門不同種類數(shù)據按規(guī)范存儲，各存儲單元之間形成數(shù)據鏈相互關聯(lián)，數(shù)據之間的交互按照統(tǒng)一規(guī)則進行，有利于數(shù)據資源共享，同時還便于形成大數(shù)據資源鏈，可供二次挖掘與開發(fā)。

水文數(shù)據是水文開展各項工作的基礎，安全存儲、有效管理、合理應用、充分挖掘水文數(shù)據是智慧水文重要的工作內容。上游局應結合當前水文工作的相關內容，建立數(shù)據層模型，將現(xiàn)有水情、河道、水質等數(shù)據庫進行分類，并統(tǒng)一管理，更好地發(fā)揮水文數(shù)據作用，為大數(shù)據建立做好準備。

2.5 軟件層

軟件層主要代表應用軟件，它從數(shù)據層獲取數(shù)據資源，經過運算處理為上層應用提供服務。隨著信息化進程的加快，各種應用軟件應運而生，單位的業(yè)務開展、日常辦公都離不開軟件服務，好的軟件能極大提高辦公效率。做好軟件定義、分類、設計將有助于提高軟件研發(fā)效率、減少開發(fā)成本、最大限度發(fā)揮軟件功能。

(1)通用傳輸軟件。在水文行業(yè)中數(shù)據的報送和交互涉及上下級部門、兄弟單位以及水文服務單位等多個單位部門。彼此間的內部業(yè)務系統(tǒng)不一致，并且水情部門也有很多水情相關業(yè)務軟件需要共享數(shù)據。因此需要定義標準的傳輸模式，開發(fā)通用類型軟件，如數(shù)據傳輸軟件、查詢類軟件。在開發(fā)軟件時應盡量注意將軟件的通用性，可以通過簡單的配置進行功能調整，以達到可重復使用的目的。

(2)專用業(yè)務軟件。水文部門在水情數(shù)據的使用上，有專業(yè)的算法和獨有的業(yè)務邏輯，這部分需求是普通信息系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。因此需要專用軟件完成特定工作，單位內不同部門應研發(fā)本部門工作需求的專用軟件，通過工作的不斷積累，逐步優(yōu)化完善本部門的專用業(yè)務軟件，使其能最大限度地滿足工作需要，減少人力成本。

(3)建立軟件功能庫。在研發(fā)軟件時應按照模塊化設計和開發(fā)，每個軟件模塊實現(xiàn)其特有的功能。在長期的使用中積累一些通用的功能模塊，逐漸形成軟件功能庫，便于后期應用時進行組合搭配以實現(xiàn)新的需求，從而降低成本，減少開發(fā)工作量，提高開發(fā)效率。

(4)探索新領域技術。信息化技術發(fā)展迅速，傳統(tǒng)功能的軟件已經不能滿足當前工作需求，軟件移動化、觸摸化、直觀化逐步成為主流，軟件研發(fā)應朝著新形式下的方向發(fā)展，努力探索包括四維仿真技術、VR技術等新技術領域。

(5)制定研發(fā)標準。根據單位的軟件研發(fā)實力，適當結合軟件公司，指定統(tǒng)一的開發(fā)語言對軟件進行研發(fā)，形成相對統(tǒng)一的系統(tǒng)開發(fā)標準，提高軟件的可讀性、可維護性與可擴展性。

上游局在研發(fā)水文業(yè)務軟件時，應以軟件層模型為參考，從軟件分類、建立軟件智庫、探索軟件新技術、制定研發(fā)標準等方面出發(fā)，努力完善基于水文預報、數(shù)據傳輸、河道勘測等水文業(yè)務軟件，為上游局水文工作的順利開展提供優(yōu)質的信息化服務。

2.6 應用層

應用層是與單位職工最接近的一層，它需要硬件層與軟件層的支持，提供各種信息化服務、技術服務和維護服務。具體包括以下功能。

(1)網絡應用服務。包括提供DHCP服務、DNS服務、TNS服務、VPN服務、FTP服務、無線WIFI服務等，為信息化使用者提供網絡基礎服務。

(2)圖形類服務。提供圖形處理、工程制圖、3D制圖、地形繪制、圖形掃描、打印等服務，包括Photoshop、Coreldraw、CAD、3Dmax、GIS等軟件的應用服務。

(3)信息化維護服務。為職工提供系統(tǒng)軟件、辦公應用軟件、打印機和電腦等硬件維護服務，讓使用者能將信息化應用于正常辦公中。

(4)辦公軟硬件技術支持。為職工提供與單位業(yè)務相關的軟、硬件技術支持，包括會商系統(tǒng)使用、多媒體設備應用以及辦公軟件涉及的簽章、認證等技術支持。

(5)安全服務。為提供網絡信息安全把關，包括系統(tǒng)殺毒日常維護、系統(tǒng)升級維護、密碼設定、涉密信息管理等，讓職工有更安全的軟硬件辦公環(huán)境。在發(fā)生大面積病毒預警的情況下，應用層網絡管理員應迅速反應制定解決方案。

(6)信息化專項工作。在水文行業(yè)中包括日常收發(fā)水情信息、處理水情預警信息、數(shù)據資料提取、各種備份等基礎工作，主要是完成單位內各項業(yè)務中的信息化工作。

(7)建立資料文檔。包括完成各項信息化基礎資料的整理工作，按照信息化各項規(guī)章制度完成資料填寫與歸檔，將信息化工作推向制度化，為資料存檔、歷史查詢、貫標提供支撐材料。

上游局網絡管理員應結合國際IT服務管理實踐規(guī)范的理論知識，建立應用層模型理論，形成上游局信息化服務目錄，為長江上游水文提供各種信息化應用服務，如用戶權限統(tǒng)一管理、共享軟硬件維護與建立共享存儲空間等。信息化工作者基于應用層為各項水文工作提供的服務有著現(xiàn)實意義，通過應用需求與完善的相互促進，使得信息化有了更廣闊的發(fā)展空間。

2.7 管理層

管理層是信息化建設7層功能模型的最高層，是信息化建設的靈魂，下6層的內容都由管理層進行設計、制定和帶領實施。位于管理層的工作人員必須要熟練掌握前6層的原理和應用，通過管理層制定信息化發(fā)展規(guī)劃，高效地帶領信息化團隊，實現(xiàn)信息化的全面發(fā)展。管理層的工作包括如下內容。

(1)人員分工。人員管理包含全部信息化參與者，嚴格按照7層功能模型進行工作分配，每個人按照技能水平和發(fā)展方向分配到不同層次工作，且做到一專多能。

(2)信息化技能培訓。為更好地培養(yǎng)人才、儲備信息化知識，管理層人員應每年定期舉辦信息化技能培訓，內容應覆蓋前6層的知識。管理層人員應通過多種渠道，聘請信息化資深老師進行授課，并應在培訓結束后統(tǒng)一組織參加專業(yè)認證考試，督促參訓人員提高學習效率和課后復習效果。管理層人員應經常組織信息化人員相互學習、交流、總結并探討工作中的技術難點，營造學習氛圍。

(3)信息化援助服務。信息化管理人員應根據多年的從業(yè)經驗尋求外部技術支持，為前6層選定技術援助服務公司，為本單位信息化水平持續(xù)提高提供保障。

(4)軟硬件供給。信息化管理人員應協(xié)調上級領導，優(yōu)先為本單位信息化工作者提供高性能硬件設備，為工作正常開展提供硬件保障。同時信息化管理人員應做出信息化發(fā)展長遠規(guī)劃，適時為單位爭取信息化軟硬件資源，包括網絡資源、服務器資源、各種正版軟件等，確保信息化工作按照定制的規(guī)劃有序推進。

(5)制度規(guī)范。信息化管理人員應根據前面6層模型，深入思考，建立完善各種規(guī)范和標準，以便信息化工作者嚴格按照統(tǒng)一規(guī)范和標準實施，為信息化可持續(xù)發(fā)展提供制度保障。

(6)信息化專項管理。信息化管理人員在接受上級領導下達的專項任務后，要擬定任務計劃，合理選擇各層工作人員，組建項目團隊，以信息化規(guī)范制度為指導，按時保質保量完成任務。

目前上游局正在逐步完善管理團隊，實現(xiàn)7層模型的科學管理。人員分工逐步明確，7層概念逐步清晰，各層人員技能有序得到提升。通過日常工作和信息化項目經驗的積累，上游局逐步形成了信息化統(tǒng)一驗收標準和服務目錄，并編制有《機房管理制度》、《網絡安全維護手冊》、《數(shù)據庫管理辦法》等制度規(guī)范用于日常工作。

3 結 語

信息化建設7層功能模型是上游局多年信息化工作經驗的總結，它最大的優(yōu)點是融入了模塊化理念，將硬件、軟件、服務和管理明確區(qū)分開來，使信息化的不同功能模塊分擔不同職責，避免籠統(tǒng)地規(guī)劃和實施。管理者應用7層功能模型知識將本來龐大復雜的信息化工作內容進行分解、歸層，逐層制定工作細節(jié)，理清思路，分步實施。在進行單位信息化框架搭建或者開展相關項目工作時，均可按照7層功能模型進行分類，以達到事半功倍的效果。

當今世界信息化發(fā)展迅速，虛擬化、云計算、物聯(lián)網、人工智能等高新技術時刻沖擊著傳統(tǒng)行業(yè)，水文工作者勢必要融入發(fā)展的浪潮才能有所建樹。7層功能模型作為上游水文信息化發(fā)展的設計框架，將指導信息化工作人員通過穩(wěn)扎穩(wěn)打、分步實施的方式順利完成信息化建設。