基于敏捷搭建技術的水利業務應用系統架構研究

李琪 唐海華 黃瑤 周超

摘要：針對當前水利專業應用系統的一體化耦合程度高、功能模塊復用性低、業務范圍擴展困難、開發耗時較長的問題，提出了基于敏捷搭建技術的業務應用系統架構。從配置化搭建、系統平臺服務、模型微服務框架3個方面重點闡述了如何解耦系統，并用組態化、流程化的設計思路實現業務應用系統靈活搭建的關鍵技術。研究成果為不同專業方向、不同區域范圍的水利業務應用提供了快速建設系統的思路。該成果在多個區域水利業務應用系統的建設中得到了實踐，驗證了其高效性、靈活性和擴展性，具有良好的實用推廣價值。

關 鍵 詞：

水利業務應用; 敏捷搭建技術; 系統架構; 配置化; 流程化; 微服務

中圖法分類號： TP391

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.037

中國是一個水旱災害頻繁發生的國家。水工程防災聯合調度是水旱災害防御工作的一個重要環節。在過去的幾十年里，中國水工程防災聯合調度業務發展迅速，積累了豐富的寶貴經驗。特別是隨著國家級、流域級、區域級綜合規劃、防洪規劃等規劃批復實施，一批防洪重點工程、水資源配置重點工程開工建設，使得國家防洪工程體系、水資源配置體系逐步完善，在抵御洪水和保障水資源安全過程中開始發揮作用。近年來隨著國家防汛抗旱指揮系統、中小河流水文監測系統等重大工程建設，水文監測預報預警服務邁上新臺階，同時也為水工程防災聯合調度提供了準確可靠的暴雨洪水監測和預警預報信息。在此基礎上的防洪調度不再只是一個簡單的獨立問題，而是包含了一整套水利工程、理論體系、計算方法的系統工程，必須通過專業信息系統來計算和管理。

長期以來，水文預報系統[1]、水庫調度系統[2]受專業分工限制，各專業擅長領域不同，業務協同程度不足，導致在進行預報調度業務的過程中，系統功能融合程度不深，制約了決策分析會商的時效性和準確性。經過近些年的發展，預報系統和調度系統已形成了合力，演變為全流程業務統一管理的一體化系統[3-4]。在此基礎上結合大數據[5]、空間關系[6]的水利業務應用系統逐漸成為主流。

但一體化系統也不是一勞永逸的解決辦法。最主要的問題就是一體化系統耦合度過強，不具有普適性，在不同的區域面向不同的對象需要重新構建開發系統，復用性很低。在此基礎上，也有針對自動構建的基于樹型結構的決策支持系統[7]，探索了系統的可擴展性和可維護性，多模型集成技術也有了新的思路[8]。但是對于系統的架構，業務流程的搭建等方面還沒有完善的解決方案。本文擬通過多組合復雜水利調控計算的敏捷搭建技術，解耦水利業務應用系統，實現可配置、可擴展的系統架構。

1 系統現狀

1.1 系統設計

當前水利行業信息化系統及平臺大多采用MVC架構[9]或者面向服務的SOA架構[10]開發，這類體系架構能夠對系統進行清晰明確的分層，各層級之間相對獨立，具有較好的維護性，各上層業務應用也可以共用公共資源，具有體系結構清晰、開發分工明確、公共模塊統一等優點。以國家防汛抗旱指揮系統（二期）[11-12]為例，其系統架構如圖1所示。

系統將水情應用、防洪調度應用、抗旱管理應用三大業務涉及的各類資源整合為4個層次，從上到下分別為：采集層、網絡層、平臺層、應用層。采集層負責從各種不同渠道收集水情、工情、旱情和災情等數據;網絡層負責從采集層到平臺層的數據傳輸鏈路以及整個系統運轉的網絡體系;平臺層包含“兩臺一庫”，即應用支撐平臺、數據匯集平臺和數據庫，負責支撐上層應用;最后應用層實現三大業務應用。整個系統架構較為嚴謹，但是實施過程耗時耗力，而且系統整體耦合度很高，復用性較低。

1.2 存在的問題

水利行業的業務應用系統因為其復雜性和特殊性，不同專業方向、不同區域范圍的業務目標差異化顯著，具有典型的多樣化和個性化特征[13];且涉及的專業模型眾多，參數類型與規模龐大，到目前為止尚沒有有效的管理手段。針對具體目標對象設計的系統針對性太強，設計者主要通過按需編制和手動編碼的方式完成系統架構設計，這種方式一方面效率相對較低，必須按照目標對象編制對應的模型和系統應用;另一方面開發過程不夠直觀形象，非專業開發人員難以理解和復用。

雖然經過技術研究和發展，模型的標準化和開發框架從理論方法到組件構建，再到集成技術都已經具備一定成果，但也面臨著沒有完整的業務搭建模塊來組裝業務實現應用的狀況。導致現階段的水利信息化工作方式無法滿足越來越復雜的應用場景。

總體而言，面向防汛調度的多方位、高效率、流程化、組件化技術支撐手段嚴重匱乏，支持水利應用推廣的困難較大，因此本次研究設計一種敏捷搭建技術，以改進系統建設的工作方式，滿足水利專業應用的快速建設要求。

2 系統敏捷搭建技術研究

2.1 系統總體架構

“敏捷開發”是以用戶的需求進化為核心，采用迭代、循序漸進的方法進行軟件開發的原則。而本文所述的“敏捷搭建系統”，是一種系統建設方式，該方式以流程化技術為核心、以組件化技術為基礎、以模型組裝銜接為手段，規范輸入輸出表達，通過配置工具，實現系統建設。系統一方面標準化各專業模型的訪問調用，實現各模型在系統中的輸入輸出管理和自動銜接;另一方面支持流程化配置、組件化管理和快速搭建應用，解決防洪調度業務中的專業計算成果孤島，有效提高系統的管理水平和執行效率。系統架構如圖2所示。

系統分為模型微服務框架、配置工具、系統平臺服務、業務應用4個部分。

模型微服務框架部分主要開發水利專業相關的各種模型服務[14]，包括水文預報模型、水庫調度模型、河道演算模型、蓄滯洪區運用模型、二維淹沒計算模型等。并采用微服務技術進行管理和實現，充分利用微服務的高內聚、低耦合、負載均衡、統一管理、自動注冊等特點，提高了模型服務的性能和可維護性。模型服務僅包含計算方法，不內置任何數據，所有數據通過參數庫和輸入接口獲取。

配置工具部分主要實現可視化的流程配置界面，非開發人員也可以使用配置工具，將不同類型的模型進行流程組合，實現水利業務的靈活配置，產生更加復雜的水利業務應用。配置工具主要包括對象配置、模型配置、參數配置、方案配置、拓撲配置、時段配置。配置成果通過配置數據庫保存。

系統平臺服務部分主要維護整個系統的正常運行，并在配置的基礎上生成業務應用，加載基礎數據庫、專業數據庫、配置數據庫，將已配置好的業務流程按計劃進行執行運轉，調用模型微服務，得到業務最終輸出結果。

業務應用部分主要面向終端用戶。所有業務均通過配置工具實現和生成，不再和傳統系統一樣需要逐個單獨開發，而是由系統平臺服務自動生成和承載。

2.2 配置化搭建

該系統架構核心部分通過組件化和流程化技術使模型的調用和銜接問題得以解決，并配合可視化界面便捷實現快速搭建應用的效果。在可視化配置界面中，所有規范化的模型及其輸入輸出信息都以候選節點的形式存在，配置人員可以通過這些節點在配置工具中繪制出業務流程，并且設置各模型的連接關系和所需的參數，最終實現水利專業應用的流程化配置。

配置主要內容包括以下方面：

（1） 對象配置。將水工程聯合調度業務中所有業務節點進行抽象，例如水文站、雨量站、水庫、河段、蓄滯洪區等。并按照不同類型，對各類節點進行基礎屬性配置和動態參數配置，描述各類對象。對象配置是一切業務的基礎，其他配置都在此基礎上進行。

（2） 方案配置。方案主要描述了業務類型，例如預報業務、調度業務、河道演算業務、回水計算業務等。不同的業務決定了要配置哪些類型的對象，對象之間的銜接關系，以及對象關聯的模型是什么種類。方案的配置確定了業務的主要目標。

（3） 時段配置。主要用來控制業務的計算時間范圍，對于預報等業務來說，時段配置還應包括預熱期范圍等特殊時段。

（4） 模型配置。模型配置主要控制系統中所有模型的定義描述和加載。作為可擴展的系統，模型必須能作為插件進行加載集成，這也要求規范化開發模型，并在模型配置時注冊到系統中。

（5） 參數配置。主要針對模型，可以設置模型的一些必要參數，例如API產流模型，可以配置WM，K，B等參數。

（6） 拓撲配置。拓撲是業務流程中對象組織的描述方式。通過組態化的方式，將業務解耦，再通過內在邏輯關系，以拓撲結構圖的形式進行重組耦合。拓撲結構采用的是“單點雙向”描述方法：“單點”指任意拓撲節點，包括編碼、名稱、類型等屬性;“雙向”包括指向和流向，其中指向反映父子層級關系，流向反映同層級上下游關系。

2.3 系統平臺服務

系統平臺服務是整個業務流程的執行機構，承載了系統的運行，是系統的核心部分。整個平臺服務功能分為如下幾部分。

（1） 流程引擎。工作流是一項分離業務操作和業務流轉的技術，其將業務流轉交給計算機處理，實現業務流程的自動化。工作流技術從萌芽到成熟經歷了幾十年的發展，但更多的是應用在審批流程等更通用的領域。在水利專業信息化領域，還沒有針對水利專業分析的通用框架。該系統以工作流技術為基礎，依托配置化敏捷思想，實現面向水利專業的流程引擎。該引擎主要解決以下關鍵技術要點：

① 拓撲結構中上下節點之間傳遞數據。在配置工具中，業務人員配置了業務拓撲，但在實際執行過程中，計算機并不能直接理解業務人員的想法，因此，流程引擎通過解析配置信息，分析數據流向，形成了上下游、干支流節點的銜接關系。

② 模型和節點的關聯。每個節點都會配置業務所需的模型，水利業務的宗旨就是調節水，當水在整個業務流程中流轉時，模型負責在各個節點對水進行調節計算。例如在水庫節點進行水庫調度計算，在河段節點進行演進計算，在蓄滯洪區節點進行分洪計算。當流程運轉到對應的節點時，引擎自動按照配置好的模型計算并繼續數據流轉。

（2） 數據管理。業務執行過程中的所有數據都在系統平臺服務中管理。執行時從數據庫取出所有基礎數據、監測數據、配置數據、參數數據等，交由流程引擎進行計算，計算的結果再存儲到數據庫中。所有數據的維護由此處統一控制，保證數據的一致性和高效性。

（3） 服務接口。服務接口分兩部分：一部分接口負責業務的執行控制，例如初始化數據、參數設置、計算執行、結果查看等，這部分接口主要用于執行流程，充分發揮平臺的基礎支撐作用;另一部分接口負責承載界面，向界面提供所要展示的數據。因為該系統是一個可配置的敏捷搭建系統，不會固化在某一個具體業務上，所以界面除了主體框架確定以外，要展示的內容和方式都可以通過界面接口實現多樣化。

2.4 模型微服務框架

模型的組件化使模型可以更加獨立和內聚，但是在水利業務應用執行的過程中，性能也是不可忽視的問題。部分模型計算速度慢、消耗計算資源多，雖然用來做研究可以忽略性能低帶來的時間消耗，但是業務應用系統是用來支撐決策分析的，時間效率是重要考察因素之一。

微服務架構是一種新的架構模式，它的主旨是將一個原本獨立的系統拆分成多個彼此獨立的小型服務，分別獨立運行、維護、升級、擴展。主要設計方式如圖3所示。

各模型服務注冊到模型服務注冊中心上，業務應用通過模型服務注冊中心查詢到模型服務信息，然后在實際調用時通過該信息去直連服務。該模式既解決了傳統模式混亂的調用鏈，又解決了ESB模式中心壓力過大的問題。并且對于同一個模型服務1，由模型服務注冊中心動態分配，通過1A和1B進行負載均衡，充分提高了平臺擴展性和可維護性。

在模型標準化的基礎上，通過模型微服務框架建設，實現了如下優勢：

（1） 各水利專業模型作為微服務，不再耦合進一個應用系統中，而是可以獨立運行。一方面可以類似MIKE、Deltares、Wallingford一樣，開發模型包，打造成專業計算軟件，隨時可以增加新的模型微服務;另一方面，模型的拆分使敏捷搭建配置業務成為可能，當需要快速搭建系統或者遇到堰塞湖等突發情況時，可以迅速根據實際情況組合各微服務模塊，搭建業務系統。

（2） 專業系統運行時，部分功能非常復雜，例如二維水動力模擬耗時嚴重，系統的執行效率受其影響，用戶體驗很差。通過微服務可以擴展運算節點、增加耗時節點計算性能等，提高系統整體性能。

（3） 提高系統可維護性。傳統模型集成到系統之后，當系統出現異常時，只能通過日志去查看問題，很難定位到問題具體位置，也不易恢復。同時因為耦合度較高，可能下級某些系統功能運轉異常會導致上級管理系統運轉失敗。微服務架構可以減少系統內的強耦合，使系統與模型之間獨立管理和監控，便于恢復和升級維護，當某個模型服務出問題時，其他模型服務依然能保持正常運轉，并通過負載均衡自動切換。

（4） 為云計算提供條件。將模型微服務與云計算結合，利用云來為公眾和科研院所等更廣泛的機構提供計算服務，推進互聯網+水利的發展。

3 應用實踐

本文所提出的系統架構設計方案在水利專業應用領域具備了良好的應用實踐可能性。并且在該架構設計的敏捷搭建思路下，可以繼續擴展專業應用范圍，運用到水文預報、防洪調度、水量調度、水質分析等多種場景。

從系統建設角度來看，當前以該技術為基礎，以敏捷搭建的方式實現了重慶防汛管理信息化系統，配置了包括水文預報、水庫調度、水庫回水計算、河道水文演算、河道一維水動力演算、決策綜合模擬、二維淹沒分析等多個業務模塊。以小于規定的開發時間要求實現了所有系統功能，并且功能可調整，在后期業務范圍出現變更時，也能靈活增刪節點和模型，極大提高了業務建設效率。另外，針對伊洛瓦底江流域水文預報系統，根據需求和設計目標，采用常規開發方式，從零到系統開發完成約需4月;而采用此技術建設，實際花費約40 d，節省了66.7%的時間，充分體現了本架構在建設過程中的高效性。

從性能角度來看，采用了模型微服務框架，充分利用了并行和負載均衡的優勢。對于節點少、流程簡單的業務，該方式和常規一體化串行系統的計算性能差距不大，但當計算節點量和業務流程復雜度增加后，該框架逐漸開始發揮優勢。原來多個模型需要排隊計算，現在可以直接分發到不同機器獨立計算再匯總結果，隨業務流程的不同，提高性能在50%以上。

從未來趨勢來看，水利大數據平臺已從概念逐漸往實踐發展，未來水利行業將重點發展“大數據+專業平臺”的總體布局。本技術從設計上就充分考慮了云計算的發展趨勢，并結合對專業的梳理，能夠支撐專業平臺的建設。

4 結 語

水利業務應用是一個綜合性命題，是充分利用水資源、發揮水工程效益的重要依據。基于敏捷搭建技術的水利業務應用系統既能充分解決專業領域問題，又能充分利用先進的計算機技術，走出了以往系統“一次開發、一處使用”的困局，同時提高了系統執行的性能，得到了多個項目驗證，具有良好的應用前景。

但同時，本文當前主要關注核心業務流程，在展示方式上還不夠細致，并且針對在計算流程中如何結合大數據和云計算，僅從設計角度做了提前規劃，有待進一步探索。未來在水利行業信息化發展中，可以繼續深化研究本架構，在不同專業應用的擴展、云計算整合、大數據分析等方面進行完善。

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（編輯：鄭 毅）

Research on architecture of water conservancy application system based

on agile configuration technology

LI Qi，TANG Haihua，HUANG Liyao，ZHOU Chao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to solve the problem of water conservancy application system such as high coupling of integration，low reusability of modules，difficult extending for application and time consuming in developing process，an application system architecture based on agile configuration technology is proposed.From three aspects of configuration，system platform service，and model micro-service framework，this paper focuses on the key technologies of how to decouple the system and build the application system by the design ideas of configuration and workflow.It provides an idea to construct application system rapidly for different professions and different regions.The result of the study has high practical value while its efficiency，flexibility and expansibility have been verified by several application system constructions.

Key words：

water conservancy application;agile configuration technology;system architecture;configuration;workflow;micro-service