基于私有云平臺的高寒區長距離供水工程預警預報系統研發與應用

馬愛華，王懷義，何建村，李 卓

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆水利水電材料工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830049；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

1 私有云平臺的技術特點

私有云平臺是為用戶單獨使用而構建的云數據運用與計算分析平臺，在建筑設計施工、電網建設、城市地下管線管網管理、城軌票務管理等領域已有初步應用[1-4]。它不僅具有一般云計算平臺的高擴展性、超大規模性、高可用性、低成本的優勢[5]，而且與公有云平臺相比較，在數據存儲、資源配置、共享服務上具有更大優勢，具體體現在數據的安全性以及服務質量的自我有效管控，能與內部其他相關計算機軟件管理系統進行打通連接，從而更有利于工程和項目內部系統的集成管理。私有云以其安全性高、使用性好、不影響現有IT流程等特點[6],成為本項目選擇這種云服務模式的根本原因。

長達數百公里高寒區渠道供水工程的預警預報監測涉及數以百計的監測斷面和數以千計的監測儀器，以及大量人工不定期的移動觀測和應急觀測活動，必將產生海量時間序列與空間特性的預警預報信息數據。系統運維依托現有工程管理部門的支持，但管理站所眾多，位置分散，人員專業技術水平不一，為了滿足不同計算機水平的工程管理人員使用需求，系統要有較好的適應性和穩定性。預警預報系統拓展和功能完善，現有工程的監測設施一并接入系統，要盡可能保證原有監測系統的獨立性和原有系統的IT流程完整性。結合客觀使用環境條件和私有云平臺的技術特點，本文針對本系統私有云平臺的搭建進行了深入研究。

2 總體架構與系統功能

本系統的研發根據數據來源復雜性、多樣性、多源性的特點，充分考慮信息數據融合表達的兼容性和擴展性，以及未來系統的發展需求，采用B/S(瀏覽器和服務器)架構進行設計和實現，瀏覽器端是用戶操作系統的接口，用戶通過界面向服務器端提出請求，并對服務器端返回的結果進行處理并展示，系統的邏輯功能通過瀏覽器界面更好地表現出來。服務器端提供包括操作等在內的數據服務功能，把數據處理結果返回中間層，結果顯示在瀏覽器端系統界面上。整個系統在基礎地理信息的“一張圖”展現，實現多源數據集合，構建統一的綜合管理平臺。系統在邏輯上分為五層架構即：基礎層、數據層、應用層、業務層、用戶層。

3 關鍵技術

3.1 多源數據處理流程及策略

本系統的數據來源復雜，既有人機交互采集的數據、也有眾多國內外廠家儀器的自動采集數據，還有計算分析數據等，系統前端——后臺數據傳輸交換頻繁。多源數據的傳輸接口程序采用javascript和php編程語言處理，在確保數據保密的前提下，實現前端——后臺數據信息的自動交換處理，復雜的數據處理流程和策略通過數據文件傳輸路徑標準化和數據結構標準化的技術實現。描述如下：

(1)數據文件傳輸路徑標準化，用戶通過web前端、移動端交互數據到私有云平臺，前端——后端數據模塊根據需要從私有云服務器下載監測數據文件到本地服務器，監測數據的標準化程序對文件信息進行標準化處理后進行質量分析，得到數據質量分析結果，這些數據和通過預處理數據進行預警預報模型解算的結果匯總歸檔后上傳云端服務器，用戶登錄web前端、移動端可以查看和下載詳細的處理成果，系統的數據文件傳輸路徑在一個設定的閉環標準線路運行。

(2)數據結構標準化是實現數據有效傳輸的前提條件，保證系統內各種數據庫的封裝有效性。傳感器監測采集設備的數據結構標準化是整個系統中的重點，本項目中涉及各類監測儀器設備，生產廠家不盡相同，每個廠家對各自的監測儀器和設備所采集的原始數據及計算數據均有不同的命名規則，存儲格式不盡相同，匹配的商業軟件平臺在信息模型的存儲和表達方式上也有很大差異，有txt格式、SQLserver格式、Excel格式、二進制數據格式等，相互之間數據接口不能友好的支持，這些數據的標準化處理，將通過云平臺中的ODBC數據庫和ETL數據工具在系統數據文件標準化傳輸路徑邏輯模塊上進行標準化處理。

3.2 基于多維精準預警預報數學模型的構建技術

高寒區長距離供水工程警情復雜，種類眾多，在獲取大量監測數據后，構建科學合理的數學模型是解決預警預報問題的關鍵，項目團隊深入研究供水渠道工程的凍脹破壞計算模型，優化統一預警預報信息(人工監測信息和儀器自動監測信息)提取與預警模型一致的量化尺度，利用計算機軟件分析時間、空間序列的水-(巖)土-溫(度)-(應)力-(應)變等多因素變化規律和相互關系，建立多維度的綜合預警預報模型[7]。滲透失穩破壞預警預報等其他模型的構建均采取類似方法，通過多維預警指標體系建立和閾值確定的前置路徑，預警指標影響排序和預警等級判斷的后續路徑流程完成。預警指標體系的建立，解決了單一預警預報信息的特征樣本難以建立準確的預警結果、存在多解性等問題，而多維度預警預報信息邏輯判斷構成的預警指標體系，提高了預警的可信度。這樣的數學建模流程消除了渠道周圍環境影響，減少了儀器工作干擾和人工監測缺陷的制約，增加判斷冗余，可在底層程序設計上避免漏判、誤判的可能。隨著后續研究深入，統一的建模流程將使得更多種類的工程破壞預警預報數據模型拓展變得方便易得。

3.3 面向多用戶多終端的組合開發技術

多用戶多終端組合開發滿足不同應用場景、多斷面多點監測、人工頻繁現場巡檢等技術需要，主平臺和移動端平臺采用不同架構開發。主平臺采用瀏覽器/服務器(B/S)架構、集成了多樣化的分析計算工具，滿足自動監測儀器采集分析數據性能需求，實現了本系統的所有功能；移動端則采用了基于IOS和 Android架構的APP開發，實現人工便捷和實時采集數據的輸入，以及對工程信息、預警信息等及時掌握和處置。多終端應用開發模式提供了一個完整、可伸縮的系統平臺，為預警預報系統提供了多樣化的應用工具。系統數據庫中的各類結構化圖表數據以及地圖、工程圖紙、三維實景等非結構化數據的內容展示，都可以通過Web端瀏覽器和手機APP兩套不同的展示方式進行展現。這一關鍵技術的運用使得便捷化業務應用和大量高并發訪問需求問題變得結構清楚、層次分明、效率迅捷。

3.4 多庫合一的“一張圖”建置技術

“一張圖”是基于統一的地理空間[8]研發的預警預報平臺，以國土資源系統開源基礎影像本底為基本框架，通過上述統一標準和匯交管理的數據機制，全面整合和沉淀各類預警預報信息數據，面向預警預報業務監測巡查、綜合監管和工程服務目標，集基礎地理信息、工程信息、監測信息、預警預報信息等各類數據而構成，建立16個專題數據庫，形成覆蓋全面、內容豐富，反映供水渠道實時健康監測狀況的“電子沙盤”。通過建立統一標準和共享機制，實現多源數據的統一集中、規范管理，分層展示、按需展現的功能。并在此基礎上，無縫銜接供水渠道原有的監測平臺，拓展預警預報系統平臺，從而有效提升工程的預警預報效能。圖屬一體化展示、圖數聯動更新是“一張圖”管理的特性，在“一張圖”上任選一地點，該地點的工程信息直觀顯示出來，通過快捷縮放點選工程斷面，該斷面的監測儀器設置情況、工程斷面基本信息、實時監測信息等都能及時根據層級和勾選狀態進行呈現，進一步在工程平面圖和斷面圖上點選監測點位，相關監測儀器的參數狀態、歷時監測信息、歷史預警信息一并根據需要勾選顯示?！耙粡垐D”的建置技術解決了數據信息多庫合一和數據分層次顯示的矛盾，使得圖形圖像展示層次清晰、避免了信息展現雜亂。

4 可視化平臺系統實現與應用

作為高寒區長距離供水工程能力提升與安全保障技術研究項目的子系統之一，系統研發后已經過了多次運行測試和修改完善，運維在新疆北疆某長距離供水工程中處于供水工程預警預報應用服務的前列。系統基于上述關鍵技術，高效合理利用私有云平臺，通過監測數據整合，充分挖掘預警預報信息數據，綜合分析判別預警信息，及時給出預警級別，針對工程安全預報的需要，能夠超前實現監測要素數據預估擬合。系統平臺的設計理念和可視化的程序表達方法，使得數據的展現更直觀，人機交互更加友好。通過工程實踐運用表明，預警預報系統為工程運維和安全預警提供了可視化的工具，同時使得預警預報信息的獲取更便捷，預警更精準，預報要素更全面，有效解決了高寒區長距離供水工程多源預警預報信息數據集成和多維度的綜合預警預報模式應用的問題。在預警預報實踐過程中，應用多種技術手段對監測成果信息的規范性、完整性、一致性、準確性進行核查和追溯，全部預警預報信息通過一個操作系統的可視化平臺實現了供水工程預警預報“信息技術標準化、信息采集自動化、信息傳輸網絡化、信息管理集成化、警情預報及時化”的技術目標。

5 結 語

建立在私有云平臺的高寒區長距離供水工程預警預報系統，已實現了基于“一張圖”框架下，對新疆某供水工程運維安全數據管理和預警預報功能構建。私有云平臺提供的分布式計算空間時間分析功能，提高了分析效率，系統軟件面向對象的設計理念和可視化的程序表達方法結合“按需使用，彈性調整”的云計算思路，保證工程智慧預警預報的有序進行，提高了工程管理效率，為該系統在同類工程的運用起到了示范作用。