湖北省水文數據統一接收系統

文｜李文豪 張阮玲子

水文數據采集是指監測河流、湖泊、水庫等的降水、流量、水位等水文基礎要素的變化情況，水情數據的及時性、時效性都極大的影響著防汛抗旱的指揮。該研究采用MINA框架實現數據采集服務，RTU協議分布式部署服務，集群部署接收服務，解決了前期數據采集存在的前端采集傳輸數據缺乏規范化、數據缺乏邏輯整合、維護管理困難等問題，將原17個地市分中心升級為省中心統一接收。統一數據庫管理提高了數據傳輸效率，保證了數據的安全性、可靠性，全面提升湖北省水文報汛的質量，為防災減災提供了有力支撐。本文詳細介紹了統一接收平臺系統設計原則、總體架構、技術框架、數據信息流程、總體功能和安全管理，以期為相關研究提供借鑒。

一、引言

近年來受厄爾尼諾現象的影響，短時間集中性強暴雨頻發，形成災害，對人們的生活、人身及財產安全造成很大的影響。水文數據采集是監測河流，湖泊，水庫等的降水、流量、水位等水文基礎要素的變化情況，水情數據的及時性、時效性都極大的影響著防汛抗旱的指揮。2012年開始湖北省開始大面積建設水文遙測自動測報站點。由于測站建設是分批分項目建設，設備廠家眾多，加上《水文監測數據通信規約》（SL-651）和《水資源監測數據傳輸規約》（SL/T 427-2021）等多種協議在采集傳輸階段使用，數據采集、發送缺乏規范化，導致不同品牌廠家與接收軟件互不兼容，資源浪費較為嚴重，故障維護需要多個廠家支持，后期成本高，數據之間缺乏關聯，數據之間的關系無法挖掘，數據邏輯不集中等一系列問題。

本文在解決目前數據采集存在的前端采集傳輸數據缺乏規范化、數據缺乏邏輯整合、系統安全性差、維護管理困難等問題的基礎上，將原17個地市局接收數據升級為省中心統一接收，接收平臺代碼重構，統一數據庫管理，將SQL server遙測數據庫改為Oracle數據庫，查詢系統修改為前后分離架構，并添加行政區劃表，按照行政區劃分配管理權限。滿足各地市水文局各廠家不同協議設備的遙測數據接收的要求，建立一個統一接收平臺，實現各類設備數據的統一接收。

二、系統設計原則

（一）實用性和可行性

主要技術架構必須具有成熟、穩定的特點；同時，綜合全面的考慮客戶需求，應提高系統的實用性，既要便于用戶使用，又要便于系統管理。

（二）先進性和成熟性

既要采用先進的技術，又要注意思維的合理性，技術的可行性，方法的正確性。先進性與成熟性并重。

（三）開放性與標準化

接收平臺應是一個開放的且符合業界主流技術標準的系統平臺，并使網絡的硬件環境、軟件環境、通信環境、操作平臺之間的相互依賴小。

（四）可靠性和穩定性

從系統結構，技術措施，系統管理等方面著手，確保系統運行的可靠性和穩定性。

（五）可擴展性及易升級性

為適應應用不斷拓展的需要，應用平臺的軟硬件環境必須有良好的可擴充性。

（六）安全性和保密性

既要充分考慮信息資源的共享，更要注意信息資源的保護和隔離，應分別針對不同的應用和不同的網絡通信環境，采取不同的措施，包括系統安全機制、數據存取的權限控制等。

（七）可管理性和可維護性

整個系統是由多個子系統組成，為了便于系統的日常運行維護和管理，要求所選系統應用體系結構具有良好的可管理性和可維護性。

三、系統總體架構

遙測終端RTU發送的報文通過楚天云防火墻端口映射發送到指定IP和端口號；接收節點需三臺應用服務器分布式部署，提高數據接收效率和系統可靠性；報文通過負載均衡服務器發送至三臺接收服務器；Redis集群服務可部署在接收服務器上；采用一臺應用服務器部署入庫軟件；監控系統采用前后分離的架構，分布式部署在兩臺應用服務器上；數據庫采用兩臺高配置服務器作Oracle RAC集群，用于存放遙測數據和5分鐘數據。

四、系統技術架構

（一）使用MINA框架實現數據采集服務，RTU協議分布式部署服務，提高采集效率，解決因連接不釋放導致的端口阻塞問題。

（二）集群部署接收服務，保證數據可靠性，高可用，防止報文丟失和因服務器故障導致整個系統癱瘓。

（三）中間數據庫集群部署，提高寫入和查詢數據的性能，防止大數據量高并發造成的數據庫崩塌。

（四）數據庫及時歸檔處理。

（五）使用多臺服務器集群部署查詢平臺，進行服務器壓力分流，保證系統高可用。實現前后端分離，使用JQuery+Css+Html+Ajax構建前端應用，SpringBoot+Mybatis構建后端服務應用，兼容手機端訪問。所有的平臺管理系統和配置工具確保使用BS架構，使用瀏覽器進行訪問控制，兼容最新版谷歌瀏覽器。

（六）使用Nginx中間件進行前后端服務負載均衡，提高系統性能。搭配Nginx插件進行后端集群健康檢查，提高系統可用性。

(七)全平臺開發采用SpringBoot、Java、Oracle數據庫、Ngnix等通用技術工具開發，技術選型種類統一，支持linux部署，保證安全可靠。

（八）開發完成壓力測試，確保系統運行安全可靠，防止意外情況發生。

五、數據信息流程

數據報文從遙測終端發送到中心，中心通過報文頭判斷是哪種協議并進行解析，將報文體的內容存入Redis緩存數據庫，定時任務取緩存報文解析入遙測數據庫，入庫軟件針對遙測數據庫中的臨時數據進行計算，分別將5分鐘數據和小時數據錄入水文標準數據庫和5分鐘數據庫，監控系統分別對遙測數據庫、5分鐘數據庫、水文標準數據庫進行查詢監控，可對RTU發送召測指令，系統將召測指令存入Redis緩存數據庫，定時任務取召測指令向RTU發送，RTU收到指令向中心發送召測報文。

六、系統總體功能

數據統一接收平臺，根據各子系統的規劃和設計，將各系統功能劃分如下幾個部分，總體功能如下：

數據查詢模塊查詢監控實時數據、到報統計等。即可查看水文標準數據到報情況，又可查看臨時庫數據到報情況，以此分析數據遲報未報原因。

遠程控制功能給RTU發送命令，進行校時、召測、修改密碼、恢復出廠設置等操作。

配置管理模塊主要配置臨時庫中測站管理表，可配置管理測站是否接收數據和接收后是否寫入實時庫。

系統管理即用戶、權限管理。系統權限通過行政區劃劃分，用戶可以查看所有站點數據，各地市用戶只能新增和修改自己轄區內站點的數據。菜單管理功能配置管理遙測運維平臺展示的菜單。

七、系統安全管理

（一）利用防火墻技術防止惡意攻擊和病毒入侵。

（二）分布式部署保證系統運行安全，不會因為任何一臺主機掛掉丟失網絡數據。

（三）通過權限管理保證數據安全。

（四）新增操作日志功能，做到溯源查詢。

八、結論

本文詳細介紹了湖北省水文數據統一接收平臺系統設計原則、總體架構、技術框架、數據信息流程、總體功能和安全管理。該系統采用使用MINA框架實現數據采集服務，RTU協議分布式部署服務，集群部署接收服務，實現前后端分離，使用JQuery+Css+Html+Ajax構建前端應用，SpringBoot+Mybatis構建后端服務應用，兼容手機端訪問。解決了前期數據采集存在的前端采集傳輸數據缺乏規范化、數據缺乏邏輯整合、系統安全性差、維護管理困難等問題，將原17個地市局接收數據升級為省中心統一接收，接收平臺代碼重構，統一數據庫管理提高了數據傳輸效率，保證了數據的安全性、可靠性，全面提升湖北省水文報汛的質量和速度，為防災減災提供了有力支撐。