水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息化體系的設(shè)計與開發(fā)

季克強，李自順，蔡云華，陳玉斌

（1.云南省水文水資源局，云南 昆明 650106；2.云南省水文水資源局紅河分局，云南 蒙自 661100）

隨著互聯(lián)網(wǎng)及信息化技術(shù)的不斷迭代，現(xiàn)有的水文資料遙測數(shù)據(jù)匯集和交互系統(tǒng)已不適應當今信息化發(fā)展的需要。智慧水利體系對水文業(yè)務、水文服務提出了更高的要求，設(shè)計開發(fā)基于“云”架構(gòu)的水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)已勢在必行。

1 背景

云南省現(xiàn)有的水文資料遙測數(shù)據(jù)匯集和交互系統(tǒng)由各水文分局以項目的形式各自開發(fā)和建設(shè)，省級水文遙測數(shù)據(jù)由各水文分局通過各自的軟件平臺交互后上傳給省級平臺。由于各水文分局水文數(shù)據(jù)接收、交互軟件眾多且沒有統(tǒng)一標準，不僅給管理帶來困難，而且因數(shù)據(jù)接收服務器分散部署造成了資源浪費。另外，由于設(shè)備的交互環(huán)節(jié)較多，以分局為單元的水文資料數(shù)據(jù)匯集、交互很難形成統(tǒng)一的技術(shù)路徑和數(shù)據(jù)口徑，數(shù)據(jù)溯源時往往因過程復雜而中斷，致使數(shù)據(jù)溯源工作難以進行。因此，重新部署水文在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建立全新的信息化體系，實現(xiàn)全省水文數(shù)據(jù)的融合和統(tǒng)一。

2 系統(tǒng)開發(fā)目標

水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)的信息化體系建設(shè)，既要兼顧歷史與現(xiàn)狀，也要符合未來信息化發(fā)展要求，同時還要滿足行業(yè)信息安全的要求。因此，需要設(shè)計開發(fā)全省水文在線數(shù)據(jù)既集中統(tǒng)一又具有差異化、還能體現(xiàn)個性化的在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2.1 實現(xiàn)五個統(tǒng)一

（1）平臺統(tǒng)一。通過“云平臺”的開發(fā)，實現(xiàn)全省水文資料在線數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的平臺上運行。通過可視化界面，采取分級授權(quán)的方式，在同一平臺上完成數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護和數(shù)據(jù)應用。

（2）標準統(tǒng)一。結(jié)合實際，建立云南水文遙測設(shè)備數(shù)據(jù)準入機制。在項目建設(shè)中，只有符合標準的產(chǎn)品才可準入。

（3）口徑統(tǒng)一。統(tǒng)一RTU 數(shù)據(jù)編碼、報文解析、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)應用的口徑，便于在線數(shù)據(jù)的管理、應用和存檔。

（4）取數(shù)統(tǒng)一。統(tǒng)一水文在線數(shù)據(jù)收發(fā)標準，提供查看數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)一入口。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。建立報文接收、報文歸集、數(shù)據(jù)核審、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為一體的系統(tǒng)應用模塊。

2.2 實現(xiàn)差異化

由于云南省水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)是各分局在不同時期、采用不同標準建設(shè)完成的，在線數(shù)據(jù)從采集至應用各環(huán)節(jié)的形式和方法存在差異，在平臺設(shè)計開發(fā)時需考慮以下因素。

（1）遙測設(shè)備接收差異化。系統(tǒng)開發(fā)應通盤考慮各個歷史時期建設(shè)設(shè)備的兼容性，確保目前應用的遙測設(shè)備數(shù)據(jù)能貫通到系統(tǒng)。

（2）應用數(shù)據(jù)需求差異化。根據(jù)管理人員、數(shù)據(jù)應用人員、數(shù)據(jù)維護人員、資料整編人員等不同應用需求提供差異化的應用界面和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在同一平臺實現(xiàn)不同的應用需求。

（3）數(shù)據(jù)獲取方式差異化。為用戶提供差異化的數(shù)據(jù)獲取方式，系統(tǒng)應具有報表、智能取數(shù)和二次分析等功能。

（4）專題分析差異化。在應用過程中，系統(tǒng)可為不同處室、不同分局按需求提供差異化的數(shù)據(jù)和專題分析應用場景。

2.3 實現(xiàn)個性化

（1）重點指標個性化定制。不同處室和分局可根據(jù)需要定制可視化平臺中需要展示的重點指標及指標展現(xiàn)形式。

（2）報表個性化維護。基于大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、奇異值數(shù)據(jù)來源、分局數(shù)據(jù)源溯源提供重要報表的維護分析。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

云南省水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)基于“云”架構(gòu)，所有水文測站的遙測數(shù)據(jù)直接上傳至“云服務器”。系統(tǒng)總體架構(gòu)分為5層，即基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)平臺層、應用管理層和用戶對象層。基礎(chǔ)設(shè)施層由于需要接收巨量的遙測數(shù)據(jù)，消耗的硬件資源較多，所以采用“云服務器”的方式；基礎(chǔ)設(shè)施包括網(wǎng)絡(luò)資源、安全資源、算力資源、存儲資源等，是整個架構(gòu)的硬件支撐部分。數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)平臺層、應用管理層須根據(jù)云南水文數(shù)據(jù)接收、交互、應用的需求實際進行定制化開發(fā)，通過軟件的開發(fā)，實現(xiàn)“一張網(wǎng)、一個平臺、一個應用界面”的系統(tǒng)應用格局。系統(tǒng)建立基于Web瀏覽器界面的工作平臺，通過不同角色的授權(quán)，實現(xiàn)應用功能的可視化操作；同時，水文遙測數(shù)據(jù)在平臺上實現(xiàn)統(tǒng)一接收、交互、共享、應用和管理。云南省水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)匯集方案

全省各遙測站點設(shè)備的RTU 直接將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞【謹?shù)據(jù)中心“云平臺”，14 個分局管理人員通過Web 在省局融合平臺進行在線數(shù)據(jù)維護及管理。在線數(shù)據(jù)包括降水、水位、蒸發(fā)等全要素的水文數(shù)據(jù)。省局數(shù)據(jù)中心將經(jīng)過報文解析后的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)對奇異值進行過濾后，轉(zhuǎn)給測站進行數(shù)據(jù)檢驗，確認數(shù)據(jù)準確無誤后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存至在線數(shù)據(jù)原始庫。

4.2 數(shù)據(jù)匯集架構(gòu)

水文遙測在線數(shù)據(jù)匯集架構(gòu)是整個系統(tǒng)平臺最基礎(chǔ)、最重要的部分，為了確保整個架構(gòu)的統(tǒng)一完整，采取分層式設(shè)計，如圖2所示。

圖2 水文遙測數(shù)據(jù)匯集架構(gòu)

各遙測站設(shè)備按照水文數(shù)據(jù)采集的通信規(guī)約，通過不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至省局數(shù)據(jù)中心。中心數(shù)據(jù)匯集端自下而上按數(shù)據(jù)接收層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層、數(shù)據(jù)存儲層、省局融合平臺層5 層進行數(shù)據(jù)匯集處理，各層級之間形成邏輯一致、關(guān)系統(tǒng)一、層層推進的數(shù)據(jù)交互模式，從而解決數(shù)據(jù)“打架”、過程“擁堵”的問題。

5 服務器支撐體系設(shè)計

5.1 服務器功能

服務器是實現(xiàn)水文資料在線數(shù)據(jù)從采集、接收、交互至應用全過程的全部數(shù)據(jù)“算力”保障，其部署既要實現(xiàn)服務器分布的邏輯統(tǒng)一，也要保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和通暢，因此系統(tǒng)采取多臺服務器分工協(xié)作的方式進行部署。水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)服務器功能，詳見表1。

5.2 “云服務器”部署

“云服務器”部署從4 個方面進行：①數(shù)據(jù)接收和處理服務器：根據(jù)遙測站點不同通信方式上傳的數(shù)據(jù)，建立GPRS、SMS、物聯(lián)網(wǎng)等接收服務器。接收服務器收到報文后即時進行解碼并傳給數(shù)據(jù)處理服務器，數(shù)據(jù)處理服務器一方面對前端遙測設(shè)備工作信息進行實時解析，同時對解析后的報文進行分析，對冒大數(shù)、異常值進行攔截并警示，提示測站管理人員進行審核，經(jīng)審核確認無誤后傳輸給數(shù)據(jù)存儲服務器。②數(shù)據(jù)存儲及轉(zhuǎn)發(fā)服務器：確認后的在線數(shù)據(jù)將存儲在存儲服務器中，根據(jù)數(shù)據(jù)應用的需求，轉(zhuǎn)發(fā)服務器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接給不同用途的應用管理服務器。③中心管理服務器：根據(jù)不同的應用需求，分配權(quán)限給使用人員工作，即系統(tǒng)的應用客戶端。④外圍服務器：包括網(wǎng)管服務器、VPN 服務器、備用服務器等，專門用于提供系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)保障、系統(tǒng)安全、應急保障等。“云服務器”部署情況，如圖3所示。

圖3 “云服務器”部署

6 網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計

水文在線數(shù)據(jù)從采集到應用需要強大的網(wǎng)絡(luò)來支撐，所以構(gòu)建一個完整、系統(tǒng)、安全的網(wǎng)絡(luò)體系是實現(xiàn)水文在線數(shù)據(jù)成功匯集的基礎(chǔ)保障。

6.1 網(wǎng)絡(luò)部署形式

網(wǎng)絡(luò)部署采用“扁平化”的形式，分為核心層和接入層，其中核心層是數(shù)據(jù)處理、存儲、應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

組網(wǎng)按照邏輯功能分為互聯(lián)網(wǎng)出口區(qū)、網(wǎng)絡(luò)服務區(qū)、管理區(qū)、計算區(qū)和存儲區(qū)5 大區(qū)域。互聯(lián)網(wǎng)出口區(qū)主要功能是對接Internet 線路接入；網(wǎng)絡(luò)服務區(qū)提供流量統(tǒng)計、防火墻、負載均衡、VPN 等增值服務；管理區(qū)、計算區(qū)和存儲區(qū)是實際業(yè)務所在區(qū)域。

6.2 網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)設(shè)計分為遙測站數(shù)據(jù)傳入端、水文數(shù)據(jù)在線管理端、水文數(shù)據(jù)在線交互端3個部分。遙測站數(shù)據(jù)傳入端是各測站遙測數(shù)據(jù)從遠端的各站點通過不同的傳輸方式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)報文傳給“云服務器”接收端，遙測站數(shù)據(jù)為數(shù)端并發(fā)，在接收端占用網(wǎng)絡(luò)資源較大；水文數(shù)據(jù)在線管理端部署在“云服務器”運營商機房，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的是本地網(wǎng)絡(luò)交互；水文數(shù)據(jù)在線交互端是省局、分局應用的可視化工作平臺，可采用專網(wǎng)、公網(wǎng)的方式與水文數(shù)據(jù)在線管理端進行聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

6.3 網(wǎng)絡(luò)安全保障策略

（1）互聯(lián)網(wǎng)出口安全。使用路由器與Internet網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，使用BGP(邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議)或者靜態(tài)路由與外部網(wǎng)絡(luò)進行互通。可靠性方面通過主備鏈路方式實現(xiàn)，即采用雙線雙鏈路接入，每線連接一個運營商，以保證數(shù)據(jù)中心外聯(lián)線路的可靠性。

（2）Anti-DDoS 流量清洗。用于防止來自數(shù)據(jù)中心外部的DDoS 攻擊。Anti-DDoS 使用策略路由回注方式將清洗的流量引入路由器中，路由器上使用策略路由將清洗之后的流量牽引到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部,以保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的流量安全。

7 數(shù)據(jù)存儲體系設(shè)計

7.1 主備式數(shù)據(jù)存儲部署

核心數(shù)據(jù)庫采用主備方式進行部署，即一個主節(jié)點和一個備節(jié)點，支持數(shù)據(jù)持久化。主備節(jié)點通過數(shù)據(jù)同步的方式保持一致，備節(jié)點對用戶不可見，不支持客戶端直接讀寫數(shù)據(jù)。當主節(jié)點發(fā)生故障，備節(jié)點自動升級為主節(jié)點，無需用戶操作。

主備節(jié)點具備自動切換功能。發(fā)生切換的歷史記錄在TeleMonitor 前臺界面可查。告警切換過程的配置主備數(shù)據(jù)完全一致，未同步數(shù)據(jù)通過事務響應重新推送，實現(xiàn)快速路由切換、秒級檢測、分鐘級切換。

7.2 數(shù)據(jù)備份策略

（1）備份機制。首次備份為全量備份，備份“云服務器”、文件系統(tǒng)已使用空間；后續(xù)備份均為增量備份，備份上次備份后變化的數(shù)據(jù)，縮短備份時長、節(jié)約備份空間。刪除備份時，僅刪除不被其他備份依賴的數(shù)據(jù)塊，不影響使用其他備份進行恢復。無論是全量還是增量備份，都可以快速、方便地將數(shù)據(jù)恢復至備份所在時刻的狀態(tài)。

（2）備份策略。建立實時監(jiān)測庫數(shù)據(jù)、核心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)周期性備份的機制。核心數(shù)據(jù)采用三備份方式，即本地數(shù)據(jù)存儲、“云”存儲主數(shù)據(jù)、“云”存儲災備數(shù)據(jù)。

（3）災備存儲。核心數(shù)據(jù)在本地數(shù)據(jù)庫存儲，災備備份數(shù)據(jù)通過對象存儲在異地進行“云”存儲。

8 系統(tǒng)安全體系設(shè)計

系統(tǒng)安全體系包括系統(tǒng)主機安全、應用安全、安全管理、網(wǎng)絡(luò)安全以及數(shù)據(jù)安全等。

8.1 用戶安全管理

應做好以下4 項工作：①用戶之間的安全隔離，對用戶賬號進行管理，記錄用戶身份證號碼或手機號碼，實現(xiàn)工作賬號與使用人一一對應；②建立“統(tǒng)一認證”系統(tǒng)，強化用戶的賬號安全管理；③建立基于角色的操作權(quán)限管理，按照用戶的權(quán)限進行授權(quán)，實現(xiàn)一人一賬號；④建立用戶角色權(quán)限分離機制，不同用戶和角色只能按權(quán)限范圍訪問所授權(quán)的系統(tǒng)。

8.2 基礎(chǔ)設(shè)施安全保障

數(shù)據(jù)存儲通過KMS 保護與管理，保證數(shù)據(jù)機密性及可靠性；通過容災備份設(shè)施，確保數(shù)據(jù)安全。

8.3 系統(tǒng)安全架構(gòu)建立完善

建立完善的系統(tǒng)安全架構(gòu)，保障數(shù)據(jù)接收、交互、應用全流程的數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)安全架構(gòu)分3 個層級，第一層建立系統(tǒng)外圍安全架構(gòu)，即安全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全區(qū)域邊界；第二層建立系統(tǒng)平臺安全體系，包括虛擬安全體系、數(shù)據(jù)安全體系、API 安全體系，使平臺運轉(zhuǎn)全過程均有系統(tǒng)認證安全保障；第三層建立安全組件和安全感知體系，對涉及安全性操作和入侵情況及時感知并提出預警，對超出安全或保密的行為及時封裝賬號，閃退應用端服務。

8.4 基于“云”體系的安全專區(qū)部署

安全專區(qū)為用戶提供單點登陸、自動授權(quán)、即開即用、統(tǒng)一管理、彈性擴容、能力完善的云安全等一體化合規(guī)解決方案。

針對“云”用戶場景構(gòu)建安全系統(tǒng)專區(qū)，整合云安全管理中心、云防火墻、終端安全EDR、云數(shù)據(jù)庫審計、云日志審計、云堡壘機等各類云安全合規(guī)組件，具備云安全防護能力，滿足等級保護防護需求。

8.5 線下引流場景設(shè)計

建立基于“云”系統(tǒng)安全專區(qū)VPC，在安全專區(qū)VPC 內(nèi)開通專線服務，線下機房通過云專線策略路由接入安全專區(qū)，由安全專區(qū)對機房內(nèi)業(yè)務進行安全防護。

9 結(jié)論

（1）針對水文在線數(shù)據(jù)匯集分散、應用平臺雜、數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)多、數(shù)據(jù)安全存在隱患等問題提供系統(tǒng)性解決方案。

（2）采取全新的“云”架構(gòu)設(shè)計，應用“云服務器”的強大功能，完成系統(tǒng)的升級改造和軟件開發(fā)，既保留了原有設(shè)施，又規(guī)避了新建項目的重復投資。

（3）采用“一站式”數(shù)據(jù)匯集模式，減少了系統(tǒng)運行及管理環(huán)節(jié)，提升了工作效能。

（4）水文資料在線數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息化體系充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸、存儲、算力、安全等因素，為平臺軟件系統(tǒng)構(gòu)建一個完整、安全、一體化的信息化支撐體系。