汾河灌區(qū)私有云建設(shè)思考

王 茹 王國君 梁龍強(qiáng)

（1、3.山西省汾河灌溉管理局 山西祁縣 030900；2.山西水投汾河水務(wù)有限公司 山西太原 030300）

灌區(qū)信息化建設(shè)的目標(biāo)是充分利用計(jì)算機(jī)、電子、通訊、控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，圍繞灌溉管理，打造灌區(qū)工程管理、水情管理及運(yùn)行管理的支持、應(yīng)用平臺(tái)。其主要建設(shè)內(nèi)容一般包括:調(diào)度管理、閘門監(jiān)控、水雨情測(cè)報(bào)、墑情監(jiān)測(cè)、辦公自動(dòng)化等系統(tǒng)的建設(shè)，以及數(shù)據(jù)庫和通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。而上述的各項(xiàng)應(yīng)用都離不開服務(wù)器的支撐，傳統(tǒng)意義上來說，有多少個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目就會(huì)有多少臺(tái)服務(wù)器支撐，這不可避免地進(jìn)行了重復(fù)建設(shè)，造成了資源的浪費(fèi)，如果能將這些應(yīng)用運(yùn)行在灌區(qū)自己的云平臺(tái)上，節(jié)約投資，減少運(yùn)維成本的優(yōu)勢(shì)顯而易見。因此，對(duì)于汾河灌區(qū)建設(shè)私有云將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

1 私有云的概念及特點(diǎn)

私有云（Private Clouds），也叫做內(nèi)部云（internal cloud）或企業(yè)云（corporate cloud），是針對(duì)專有計(jì)算架構(gòu)的營(yíng)銷術(shù)語，這個(gè)架構(gòu)向處于防火墻（firewall）的有限人群提供托管服務(wù)，是為一個(gè)客戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的，因而提供對(duì)數(shù)據(jù)安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制。比如一個(gè)單位充分利用自己的局域網(wǎng)，在基礎(chǔ)的服務(wù)平臺(tái)上，采用虛擬手段部署應(yīng)用程序，并能夠有效控制。一旦使用云計(jì)算、人工智能（AI）等技術(shù)，就可以方便快捷且精準(zhǔn)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。私有云可部署在一個(gè)單位數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，也可以將它們部署在一個(gè)安全的主機(jī)托管場(chǎng)所，私有云的核心屬性是專有資源。私有云可以分為三大部分:私有云平臺(tái)、私有云服務(wù)、私有云管理。同時(shí)還具有公有云無法比擬的優(yōu)勢(shì):數(shù)據(jù)安全性好、服務(wù)質(zhì)量高、軟硬件資源利用率高等。

2 汾河灌區(qū)信息化現(xiàn)狀

汾河灌區(qū)是山西省的大型灌區(qū)之一，灌溉面積近10萬hm2，位于山西省太原盆地，北起山西省太原市尖草坪上蘭村，南至?xí)x中市介休洪相村，西以太汾公路和磁窯河為界，東以大運(yùn)公路和南同蒲鐵路為界，南北長(zhǎng)140 km，東西寬約20 km。擔(dān)負(fù)著太原市、晉中市、呂梁市488個(gè)村的近10萬hm2土地的灌溉任務(wù)，是山西省農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支撐，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

汾河灌區(qū)經(jīng)過在全國大Ⅱ型試點(diǎn)灌區(qū)的信息化建設(shè)，進(jìn)行了測(cè)水站點(diǎn)建設(shè)、閘門控制系統(tǒng)建設(shè)、測(cè)控一體化閘門、信息中心分中心建設(shè)，構(gòu)建了全局的VPN網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、大屏/沙盤演示系統(tǒng)、手持測(cè)報(bào)系統(tǒng)等，初步搭建起了灌區(qū)信息化的基本框架，雖然取得了不少成就，給灌區(qū)管理方面提供了不少的便捷，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了不少問題，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等方面的缺失；量測(cè)水、工情信息所采集的數(shù)據(jù)沒有得到分析應(yīng)用，成為死數(shù)據(jù)；各類應(yīng)用系統(tǒng)各自為政，形成了“信息孤島”；頻繁地將一些敏感數(shù)據(jù)在公網(wǎng)上傳輸，帶來了數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等。

汾河灌區(qū)屬于山西省最大的自流灌區(qū)，跨越3市11縣，點(diǎn)多面廣，由于水資源的有限性，農(nóng)作物需水的時(shí)效性、灌區(qū)供水的動(dòng)態(tài)性等方面的特性，導(dǎo)致灌區(qū)水管理工作的復(fù)雜性。如果不能將信息技術(shù)更好整合應(yīng)用，將難以實(shí)現(xiàn)汾河灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用。因此便需要找到適合灌區(qū)實(shí)際的信息化管理手段，解決各類管理和調(diào)度上的不足，經(jīng)過多次分析認(rèn)為，搭建汾河灌區(qū)自己的云平臺(tái)可以很好地解決此類不足。

3 搭建私有云支撐及必要性

3.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)需求

私有云的構(gòu)建與運(yùn)行離不開基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，無論是灌區(qū)自建局域網(wǎng)還是搭建的VPN通道，都在一定程度上為數(shù)據(jù)傳輸安全和應(yīng)用安全提供保證。在灌區(qū)局域網(wǎng)未全覆蓋各測(cè)量水站的情況下，只能充分利用公網(wǎng)構(gòu)建VPN通道，這樣加大了對(duì)公網(wǎng)的依賴性，增加了灌區(qū)各類數(shù)據(jù)泄密的風(fēng)險(xiǎn)。汾河灌區(qū)所處的地理因素，決定了利用公網(wǎng)存在的缺陷，因?yàn)楣鄥^(qū)主要功能是農(nóng)業(yè)灌溉，可想而知所在的地理位置是村鎮(zhèn)，屬于公網(wǎng)的末端，技術(shù)力量相對(duì)薄弱，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性差。對(duì)于汾河灌區(qū)的量測(cè)水、監(jiān)控等系統(tǒng)的MCU布置在私有云上，無論是采用C/S或B/S架構(gòu)，只有在穩(wěn)定快速的網(wǎng)絡(luò)條件下，灌區(qū)上下才可以安全而又輕松的與MCU進(jìn)行通信，查詢或調(diào)用到私有云端的各類數(shù)據(jù)。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施的需求

記得互聯(lián)網(wǎng)上有人提到過這樣一個(gè)問題:私有云平臺(tái)和本地布置各類應(yīng)用有什么本質(zhì)區(qū)別。其實(shí)私有云平臺(tái)分為兩類，一類是租用運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)服務(wù)器，然后布置自己所需要的應(yīng)用系統(tǒng)；另一類是單位自己購置基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，采用虛擬技術(shù)，將其進(jìn)行虛擬分割，每塊虛擬切塊可以運(yùn)行各自的應(yīng)用程序，即將部署業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的一臺(tái)臺(tái)硬件服務(wù)器整合到虛擬平臺(tái)上，雖然前期構(gòu)建平臺(tái)時(shí)投資比較大，但進(jìn)入運(yùn)行期，運(yùn)維人員只需維護(hù)云平臺(tái)，基本不需要投入運(yùn)維費(fèi)用，還可以減少專業(yè)技術(shù)運(yùn)維人員，汾河灌區(qū)要搭建的私有云思路屬于后者。經(jīng)過幾期的信息化建設(shè)，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的部署模式:即每個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)部署在對(duì)應(yīng)的硬件服務(wù)器上?？雌饋砬捌谕度霙]有云平臺(tái)大，然而需要每月甚至每天專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)維，給故障排查帶來諸多不便，由此必須投入高額的運(yùn)行費(fèi)用和技術(shù)力量。汾河灌區(qū)下轄9個(gè)基層單位，相應(yīng)的就應(yīng)該配備最少10名IT人員，而灌區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況不但是IT人員缺乏，就連一線的水管人員都少，因此，建立私有云后，將全部的應(yīng)用系統(tǒng)匯聚到云端，由局信息中心進(jìn)行管理維護(hù)。

3.3 搭建私有云的必要性

汾河灌區(qū)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)主要是租用公網(wǎng)，通過建立VPN通道同基層單位進(jìn)行通信，由此帶來的問題表現(xiàn)為帶寬難以保證、公網(wǎng)穩(wěn)定性差、同時(shí)與多個(gè)運(yùn)營(yíng)商溝通困難等方面。灌區(qū)有部分量測(cè)水站點(diǎn)位于兩行政區(qū)域的交界處，站點(diǎn)的通訊大多采用GPRS方式，使得網(wǎng)絡(luò)切換頻繁，數(shù)據(jù)延時(shí)和丟包現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；最主要的問題是運(yùn)營(yíng)商的溝通，由于汾河灌區(qū)的管轄區(qū)域，決定了需要面對(duì)的電信運(yùn)營(yíng)商涉及五家之多，只要有一家溝通不暢就會(huì)影響工作。如一基層單位，為了節(jié)約成本，由固定IP的網(wǎng)絡(luò)專線改用家庭寬帶后，為了重新構(gòu)建VPN通道，需要運(yùn)營(yíng)商機(jī)房修改數(shù)據(jù)，管理人員采取了多種辦法協(xié)商溝通，到目前仍無法重建VPN。

汾河灌區(qū)通過幾年的信息化建設(shè)，基層單位都建立了各自的信息分中心，都配套了各自的應(yīng)用服務(wù)器，但是基層單位的運(yùn)維力量相當(dāng)薄弱，服務(wù)器發(fā)生故障后，缺乏數(shù)據(jù)搶救的能力，有的單位為了保證宕機(jī)后數(shù)據(jù)不丟失，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)采購商處，帶來了不必要損失。對(duì)此，無論是量測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)還是墑情數(shù)據(jù)，通過自建局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云平臺(tái)，同時(shí)備份到磁盤陣列，對(duì)灌區(qū)的管理有著極其重要的意義。

4 理想的私有云在灌區(qū)中的應(yīng)用

筆者認(rèn)為，理想的私有云指為充分利用高帶寬的局域網(wǎng)，制定軟硬件防火墻分層訪問策略，方便管理單位或人員使用的各類應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫里各類數(shù)據(jù)資源，利用云計(jì)算技術(shù)，經(jīng)過科學(xué)分析后，為用戶提供安全的可控制的管理服務(wù)。

4.1 私有云的搭建，向社會(huì)宣傳汾河灌區(qū)提供便利

汾河灌區(qū)的對(duì)外宣傳平臺(tái)分為兩類，一類是門戶網(wǎng)站，一類是3D模擬顯示網(wǎng)站。

灌區(qū)現(xiàn)在的門戶網(wǎng)站從服務(wù)的提供而言，主要有租用專業(yè)公司的虛擬服務(wù)，如阿里云、騰訊云等服務(wù)，表現(xiàn)在用戶購買遠(yuǎn)端服務(wù)，所需要的應(yīng)用掛載到遠(yuǎn)端服務(wù)器上，不用購置硬件服務(wù)器，可供所有人進(jìn)行訪問即公有云的應(yīng)用；另一種是用戶自己購置服務(wù)器，一切的設(shè)備及維護(hù)都是用戶自己完成，也就是這里說的私有云的搭建。對(duì)于門戶網(wǎng)站而言，如汾河灌溉網(wǎng)，租用阿里云的域名服務(wù)器，從維護(hù)技術(shù)而言，減少了大量的人力和財(cái)力。而對(duì)于利用現(xiàn)代新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而言，其缺點(diǎn)很明顯，主要表現(xiàn)在公有云會(huì)對(duì)一些應(yīng)用、安全等服務(wù)另外計(jì)費(fèi)，且費(fèi)用相當(dāng)高，如果要在公有云上發(fā)布視頻類的大型數(shù)據(jù)的應(yīng)用而言，要么是購買更大的空間，要么就是借助于第三平臺(tái)，如優(yōu)酷等。在汾河灌區(qū)下一步的規(guī)劃中，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、3D全息等技術(shù)，建立虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫、閘門啟閉模型、渠系水流模型、田間作物灌溉模型等，經(jīng)過這些新技術(shù)的演示，使社會(huì)了解汾河灌區(qū)灌溉模式，特別是受益區(qū)農(nóng)民可以圖文并茂地看到從汾河水庫放水，經(jīng)過灌區(qū)調(diào)度系統(tǒng)，水費(fèi)征收系統(tǒng)，途徑各個(gè)調(diào)水建筑物調(diào)節(jié)，最后進(jìn)入農(nóng)田的全過程演示。而這類系統(tǒng)的演示，不但要求服務(wù)器的反映速度，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求相當(dāng)高，將這些資源放置在私有云端，各基層單位可以組織受益區(qū)群眾觀看時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，這樣不但讓農(nóng)民了解了灌區(qū)灌溉的全過程，同進(jìn)也增加了和農(nóng)民溝通機(jī)會(huì)，進(jìn)一步了解農(nóng)民用水心理，使管理者站在農(nóng)民立場(chǎng)考慮灌溉模式和服務(wù)方式，為灌區(qū)更好的服務(wù)農(nóng)業(yè)鋪平道路。

4.2 私有云的搭建，保證灌區(qū)供水調(diào)度的及時(shí)性和準(zhǔn)確性

結(jié)合私有云可以充分利用灌區(qū)機(jī)房的軟硬件設(shè)備的特點(diǎn)，使得各信息系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)調(diào)度人員發(fā)出的指令，最大程度地避免發(fā)生由于性能不足帶來的宕機(jī)事件，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水量調(diào)度的連續(xù)性。針對(duì)各量測(cè)水點(diǎn)而言，采集軟件宕機(jī)后，量測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)就會(huì)缺失，灌溉總水量不足，遭受經(jīng)濟(jì)損失。特別是灌區(qū)引進(jìn)的澳大利亞測(cè)控一體化閘門，最大的優(yōu)勢(shì)就是TCC控制（全渠道自動(dòng)化控制），也就是管理員把用水計(jì)劃全部寫入TCC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在某時(shí)對(duì)某渠道輸送多少水，這都是在無人值守的情況下完成的，所以對(duì)軟件系統(tǒng)的及時(shí)性要求相當(dāng)高，遠(yuǎn)程啟閉閘門時(shí)，閘門端如果不能及時(shí)響應(yīng)調(diào)度人員或計(jì)劃程序發(fā)出的指令，會(huì)使有的渠道高水位運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生安全隱患；有的渠道缺水，不能按時(shí)完成灌溉任務(wù)。

4.3 私有云的搭建，為工程管理提供便捷

從1999年到2017年，灌區(qū)進(jìn)行了續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，完成干支渠防滲339 km，建筑物改造650處，管理房改造130處，以及信息化設(shè)備購置。期間涉及了眾多的建筑物改造前后的影像資料、施工圖紙和數(shù)據(jù)資料，到目前為止，由于缺少云平臺(tái)的支撐，這些珍貴的工情資料還沒有發(fā)揮出其應(yīng)有的價(jià)值，以“死數(shù)據(jù)”的形式保存，這也是“信息孤島”的表現(xiàn)。如果將這些數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)到業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中，工程管理人員可以在任何一臺(tái)電腦方便查詢到所屬的工情信息，為防汛、溺水等提供依據(jù)，同時(shí)在每個(gè)建筑物、管理房上制作二維碼，并設(shè)定訪問權(quán)限，便可以實(shí)現(xiàn)工情信息的移動(dòng)應(yīng)用和管理，這是私有云功能的充分體現(xiàn)。

4.4 私有云的搭建，對(duì)于灌區(qū)安全生產(chǎn)起到了決定性的作用

一是汾河灌區(qū)采用明渠的輸水形式，渠道附近的村莊、工礦企業(yè)等或多或少會(huì)將一些雜物扔到渠道或污水排到渠道，造成水污染，雖說每年會(huì)進(jìn)行清淤任務(wù)，正式輸水前也會(huì)進(jìn)行洗渠，但是還會(huì)有污染殘留，需要現(xiàn)代化手段予以監(jiān)察，采用接觸式或非接觸式傳感器、酸度計(jì)、溫度計(jì)等信息化儀器對(duì)其相應(yīng)的測(cè)量，比對(duì)私有云端國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是否在允許的范圍內(nèi)，以及超標(biāo)后需要采取的對(duì)策，然后將這些結(jié)果和對(duì)策發(fā)送給管理部門，以便讓管理部門作出決策。二是可以對(duì)溺水事件及早的預(yù)警，對(duì)于自收自支的事業(yè)單位而言，溺水事件的發(fā)生不但會(huì)影響經(jīng)濟(jì)收入，而且會(huì)在社會(huì)上造成不良的影響，不管溺水者是個(gè)人主動(dòng)行為還是意外情況，在每一個(gè)調(diào)水建筑物、量水測(cè)橋等重點(diǎn)部位安裝傳感器等監(jiān)控設(shè)備，在觀察水情、工情的同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)溺水行為，把視頻圖像傳輸?shù)焦芾聿块T，予以警示，然后由最近的閘工或水管理人員采取救助措施；同樣溺水家屬發(fā)起訴訟，在云端調(diào)取相關(guān)資源作為證據(jù)，增加勝訴的機(jī)率，把損失降到最低。三是及時(shí)清理調(diào)水建筑物上游的雜物，以免堵塞閘門，使水位上升，給渠道制造壓力，導(dǎo)致潰堤的安全事件發(fā)生。明渠輸水時(shí)，兩岸的樹枝、塑料甚至牲畜尸體等雜物會(huì)被風(fēng)或人為填筑到水里，擁塞在閘板上游，由于灌區(qū)采用的板閘調(diào)水，閘板下過水，如果出現(xiàn)懸浮物，會(huì)很容易堵塞閘門。對(duì)此在調(diào)水建筑安裝水位計(jì)、視頻監(jiān)控等設(shè)備，借助云平臺(tái)相關(guān)比對(duì)數(shù)據(jù)，提出預(yù)警，則顯得尤為重要。四是私有云所承載應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)，特別是mission-critical system（關(guān)鍵系統(tǒng)），處于局域網(wǎng)內(nèi)，構(gòu)筑在防火墻之后，任何客戶訪問首先經(jīng)過網(wǎng)管員的授權(quán)才能進(jìn)入局域網(wǎng)，然后要被防火墻過濾并記錄，將具有攻擊、入侵的行為阻止在防火墻外，相對(duì)于公有云而言，增加了私有云服務(wù)平臺(tái)的安全保障，從而也保證專有數(shù)據(jù)的安全。

4.5 私有云在自動(dòng)化辦公中也有很大的應(yīng)用

自動(dòng)化辦公主要體現(xiàn)在文件管理、會(huì)議召開、水費(fèi)征收、財(cái)務(wù)管理等系統(tǒng)的應(yīng)用。自動(dòng)化辦公結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字簽名、防火墻、密碼等技術(shù)，應(yīng)用私有云端的辦公數(shù)據(jù)庫如文件管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等，快速的進(jìn)行文件審批而又防止與文件內(nèi)容無關(guān)的人員查看；及時(shí)傳送各類會(huì)議精神和布置各項(xiàng)任務(wù)，而又過后便于查看會(huì)議內(nèi)容；用水戶通過移動(dòng)端繳納水費(fèi)，而避免了專人收繳水費(fèi)帶來的風(fēng)險(xiǎn)；審計(jì)部門也可以通過網(wǎng)絡(luò)管理人員賦予的權(quán)限，進(jìn)行網(wǎng)上財(cái)務(wù)審計(jì)。充分利用私有云平臺(tái)上的自動(dòng)化辦公程度，減少了紙和交通工具的用量，節(jié)約了人力、財(cái)力、物力。

5 結(jié)語

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，采集諸如遙感數(shù)據(jù)、量測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、GIS等數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取出有實(shí)用價(jià)值的代表性數(shù)據(jù)，指導(dǎo)灌區(qū)實(shí)踐，預(yù)測(cè)具有灌溉潛力的村莊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)具有險(xiǎn)情的建筑物和渠道。這些潛力的挖掘和險(xiǎn)情的發(fā)現(xiàn)，是基于與私有云端掛載相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的比對(duì)而言，同時(shí)在移動(dòng)APP的配合下，及時(shí)掌握各類信息，為管理者進(jìn)行科學(xué)管理提供保證。通過私有云平臺(tái)的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效管理，促進(jìn)節(jié)水效率的提高，降低管理和運(yùn)行成本，使灌區(qū)的管理更趨于精細(xì)化、現(xiàn)代化。

信息化技術(shù)日新月異，緊跟水利信息化的發(fā)展浪潮，結(jié)合汾河灌區(qū)實(shí)際，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，管理水情信息、工情信息、視頻監(jiān)控、辦公自動(dòng)化、閘控等數(shù)據(jù)資源，建立汾河灌區(qū)綜合數(shù)據(jù)庫，形成整個(gè)灌區(qū)信息化綜合平臺(tái)，開發(fā)先進(jìn)的信息化應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息交換與資源共享，打造智慧灌區(qū)。