基于私有云平臺(tái)的高寒區(qū)長(zhǎng)距離供水工程預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

馬愛(ài)華，王懷義，何建村，李 卓

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

1 私有云平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)

私有云平臺(tái)是為用戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的云數(shù)據(jù)運(yùn)用與計(jì)算分析平臺(tái)，在建筑設(shè)計(jì)施工、電網(wǎng)建設(shè)、城市地下管線管網(wǎng)管理、城軌票務(wù)管理等領(lǐng)域已有初步應(yīng)用[1-4]。它不僅具有一般云計(jì)算平臺(tái)的高擴(kuò)展性、超大規(guī)模性、高可用性、低成本的優(yōu)勢(shì)[5]，而且與公有云平臺(tái)相比較，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源配置、共享服務(wù)上具有更大優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的安全性以及服務(wù)質(zhì)量的自我有效管控，能與內(nèi)部其他相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件管理系統(tǒng)進(jìn)行打通連接，從而更有利于工程和項(xiàng)目?jī)?nèi)部系統(tǒng)的集成管理。私有云以其安全性高、使用性好、不影響現(xiàn)有IT流程等特點(diǎn)[6],成為本項(xiàng)目選擇這種云服務(wù)模式的根本原因。

長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里高寒區(qū)渠道供水工程的預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)涉及數(shù)以百計(jì)的監(jiān)測(cè)斷面和數(shù)以千計(jì)的監(jiān)測(cè)儀器，以及大量人工不定期的移動(dòng)觀測(cè)和應(yīng)急觀測(cè)活動(dòng)，必將產(chǎn)生海量時(shí)間序列與空間特性的預(yù)警預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)維依托現(xiàn)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(yè)技術(shù)水平不一，為了滿足不同計(jì)算機(jī)水平的工程管理人員使用需求，系統(tǒng)要有較好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)拓展和功能完善，現(xiàn)有工程的監(jiān)測(cè)設(shè)施一并接入系統(tǒng)，要盡可能保證原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的獨(dú)立性和原有系統(tǒng)的IT流程完整性。結(jié)合客觀使用環(huán)境條件和私有云平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，本文針對(duì)本系統(tǒng)私有云平臺(tái)的搭建進(jìn)行了深入研究。

2 總體架構(gòu)與系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的研發(fā)根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜性、多樣性、多源性的特點(diǎn)，充分考慮信息數(shù)據(jù)融合表達(dá)的兼容性和擴(kuò)展性，以及未來(lái)系統(tǒng)的發(fā)展需求，采用B/S(瀏覽器和服務(wù)器)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，瀏覽器端是用戶操作系統(tǒng)的接口，用戶通過(guò)界面向服務(wù)器端提出請(qǐng)求，并對(duì)服務(wù)器端返回的結(jié)果進(jìn)行處理并展示，系統(tǒng)的邏輯功能通過(guò)瀏覽器界面更好地表現(xiàn)出來(lái)。服務(wù)器端提供包括操作等在內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)功能，把數(shù)據(jù)處理結(jié)果返回中間層，結(jié)果顯示在瀏覽器端系統(tǒng)界面上。整個(gè)系統(tǒng)在基礎(chǔ)地理信息的“一張圖”展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集合，構(gòu)建統(tǒng)一的綜合管理平臺(tái)。系統(tǒng)在邏輯上分為五層架構(gòu)即：基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、用戶層。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源數(shù)據(jù)處理流程及策略

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜，既有人機(jī)交互采集的數(shù)據(jù)、也有眾多國(guó)內(nèi)外廠家儀器的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，還有計(jì)算分析數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)前端——后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸交換頻繁。多源數(shù)據(jù)的傳輸接口程序采用javascript和php編程語(yǔ)言處理，在確保數(shù)據(jù)保密的前提下，實(shí)現(xiàn)前端——后臺(tái)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)交換處理，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程和策略通過(guò)數(shù)據(jù)文件傳輸路徑標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。描述如下：

(1)數(shù)據(jù)文件傳輸路徑標(biāo)準(zhǔn)化，用戶通過(guò)web前端、移動(dòng)端交互數(shù)據(jù)到私有云平臺(tái)，前端——后端數(shù)據(jù)模塊根據(jù)需要從私有云服務(wù)器下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件到本地服務(wù)器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化程序?qū)ξ募畔⑦M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行質(zhì)量分析，得到數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果，這些數(shù)據(jù)和通過(guò)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)模型解算的結(jié)果匯總歸檔后上傳云端服務(wù)器，用戶登錄web前端、移動(dòng)端可以查看和下載詳細(xì)的處理成果，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件傳輸路徑在一個(gè)設(shè)定的閉環(huán)標(biāo)準(zhǔn)線路運(yùn)行。

(2)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)那疤釛l件，保證系統(tǒng)內(nèi)各種數(shù)據(jù)庫(kù)的封裝有效性。傳感器監(jiān)測(cè)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化是整個(gè)系統(tǒng)中的重點(diǎn)，本項(xiàng)目中涉及各類監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，生產(chǎn)廠家不盡相同，每個(gè)廠家對(duì)各自的監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備所采集的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)均有不同的命名規(guī)則，存儲(chǔ)格式不盡相同，匹配的商業(yè)軟件平臺(tái)在信息模型的存儲(chǔ)和表達(dá)方式上也有很大差異，有txt格式、SQLserver格式、Excel格式、二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式等，相互之間數(shù)據(jù)接口不能友好的支持，這些數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，將通過(guò)云平臺(tái)中的ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)和ETL數(shù)據(jù)工具在系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化傳輸路徑邏輯模塊上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2 基于多維精準(zhǔn)預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建技術(shù)

高寒區(qū)長(zhǎng)距離供水工程警情復(fù)雜，種類眾多，在獲取大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，構(gòu)建科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型是解決預(yù)警預(yù)報(bào)問(wèn)題的關(guān)鍵，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深入研究供水渠道工程的凍脹破壞計(jì)算模型，優(yōu)化統(tǒng)一預(yù)警預(yù)報(bào)信息(人工監(jiān)測(cè)信息和儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息)提取與預(yù)警模型一致的量化尺度，利用計(jì)算機(jī)軟件分析時(shí)間、空間序列的水-(巖)土-溫(度)-(應(yīng))力-(應(yīng))變等多因素變化規(guī)律和相互關(guān)系，建立多維度的綜合預(yù)警預(yù)報(bào)模型[7]。滲透失穩(wěn)破壞預(yù)警預(yù)報(bào)等其他模型的構(gòu)建均采取類似方法，通過(guò)多維預(yù)警指標(biāo)體系建立和閾值確定的前置路徑，預(yù)警指標(biāo)影響排序和預(yù)警等級(jí)判斷的后續(xù)路徑流程完成。預(yù)警指標(biāo)體系的建立，解決了單一預(yù)警預(yù)報(bào)信息的特征樣本難以建立準(zhǔn)確的預(yù)警結(jié)果、存在多解性等問(wèn)題，而多維度預(yù)警預(yù)報(bào)信息邏輯判斷構(gòu)成的預(yù)警指標(biāo)體系，提高了預(yù)警的可信度。這樣的數(shù)學(xué)建模流程消除了渠道周圍環(huán)境影響，減少了儀器工作干擾和人工監(jiān)測(cè)缺陷的制約，增加判斷冗余，可在底層程序設(shè)計(jì)上避免漏判、誤判的可能。隨著后續(xù)研究深入，統(tǒng)一的建模流程將使得更多種類的工程破壞預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)模型拓展變得方便易得。

3.3 面向多用戶多終端的組合開(kāi)發(fā)技術(shù)

多用戶多終端組合開(kāi)發(fā)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景、多斷面多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、人工頻繁現(xiàn)場(chǎng)巡檢等技術(shù)需要，主平臺(tái)和移動(dòng)端平臺(tái)采用不同架構(gòu)開(kāi)發(fā)。主平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)、集成了多樣化的分析計(jì)算工具，滿足自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器采集分析數(shù)據(jù)性能需求，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的所有功能；移動(dòng)端則采用了基于IOS和 Android架構(gòu)的APP開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)人工便捷和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的輸入，以及對(duì)工程信息、預(yù)警信息等及時(shí)掌握和處置。多終端應(yīng)用開(kāi)發(fā)模式提供了一個(gè)完整、可伸縮的系統(tǒng)平臺(tái)，為預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供了多樣化的應(yīng)用工具。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類結(jié)構(gòu)化圖表數(shù)據(jù)以及地圖、工程圖紙、三維實(shí)景等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)容展示，都可以通過(guò)Web端瀏覽器和手機(jī)APP兩套不同的展示方式進(jìn)行展現(xiàn)。這一關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用使得便捷化業(yè)務(wù)應(yīng)用和大量高并發(fā)訪問(wèn)需求問(wèn)題變得結(jié)構(gòu)清楚、層次分明、效率迅捷。

3.4 多庫(kù)合一的“一張圖”建置技術(shù)

“一張圖”是基于統(tǒng)一的地理空間[8]研發(fā)的預(yù)警預(yù)報(bào)平臺(tái)，以國(guó)土資源系統(tǒng)開(kāi)源基礎(chǔ)影像本底為基本框架，通過(guò)上述統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和匯交管理的數(shù)據(jù)機(jī)制，全面整合和沉淀各類預(yù)警預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)，面向預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)巡查、綜合監(jiān)管和工程服務(wù)目標(biāo)，集基礎(chǔ)地理信息、工程信息、監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警預(yù)報(bào)信息等各類數(shù)據(jù)而構(gòu)成，建立16個(gè)專題數(shù)據(jù)庫(kù)，形成覆蓋全面、內(nèi)容豐富，反映供水渠道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)狀況的“電子沙盤”。通過(guò)建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中、規(guī)范管理，分層展示、按需展現(xiàn)的功能。并在此基礎(chǔ)上，無(wú)縫銜接供水渠道原有的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，拓展預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)，從而有效提升工程的預(yù)警預(yù)報(bào)效能。圖屬一體化展示、圖數(shù)聯(lián)動(dòng)更新是“一張圖”管理的特性，在“一張圖”上任選一地點(diǎn)，該地點(diǎn)的工程信息直觀顯示出來(lái)，通過(guò)快捷縮放點(diǎn)選工程斷面，該斷面的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)置情況、工程斷面基本信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息等都能及時(shí)根據(jù)層級(jí)和勾選狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)，進(jìn)一步在工程平面圖和斷面圖上點(diǎn)選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器的參數(shù)狀態(tài)、歷時(shí)監(jiān)測(cè)信息、歷史預(yù)警信息一并根據(jù)需要勾選顯示?！耙粡垐D”的建置技術(shù)解決了數(shù)據(jù)信息多庫(kù)合一和數(shù)據(jù)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(xiàn)雜亂。

4 可視化平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

作為高寒區(qū)長(zhǎng)距離供水工程能力提升與安全保障技術(shù)研究項(xiàng)目的子系統(tǒng)之一，系統(tǒng)研發(fā)后已經(jīng)過(guò)了多次運(yùn)行測(cè)試和修改完善，運(yùn)維在新疆北疆某長(zhǎng)距離供水工程中處于供水工程預(yù)警預(yù)報(bào)應(yīng)用服務(wù)的前列。系統(tǒng)基于上述關(guān)鍵技術(shù)，高效合理利用私有云平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整合，充分挖掘預(yù)警預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)，綜合分析判別預(yù)警信息，及時(shí)給出預(yù)警級(jí)別，針對(duì)工程安全預(yù)報(bào)的需要，能夠超前實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)預(yù)估擬合。系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念和可視化的程序表達(dá)方法，使得數(shù)據(jù)的展現(xiàn)更直觀，人機(jī)交互更加友好。通過(guò)工程實(shí)踐運(yùn)用表明，預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)為工程運(yùn)維和安全預(yù)警提供了可視化的工具，同時(shí)使得預(yù)警預(yù)報(bào)信息的獲取更便捷，預(yù)警更精準(zhǔn)，預(yù)報(bào)要素更全面，有效解決了高寒區(qū)長(zhǎng)距離供水工程多源預(yù)警預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)集成和多維度的綜合預(yù)警預(yù)報(bào)模式應(yīng)用的問(wèn)題。在預(yù)警預(yù)報(bào)實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)用多種技術(shù)手段對(duì)監(jiān)測(cè)成果信息的規(guī)范性、完整性、一致性、準(zhǔn)確性進(jìn)行核查和追溯，全部預(yù)警預(yù)報(bào)信息通過(guò)一個(gè)操作系統(tǒng)的可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了供水工程預(yù)警預(yù)報(bào)“信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、信息采集自動(dòng)化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息管理集成化、警情預(yù)報(bào)及時(shí)化”的技術(shù)目標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

建立在私有云平臺(tái)的高寒區(qū)長(zhǎng)距離供水工程預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)了基于“一張圖”框架下，對(duì)新疆某供水工程運(yùn)維安全數(shù)據(jù)管理和預(yù)警預(yù)報(bào)功能構(gòu)建。私有云平臺(tái)提供的分布式計(jì)算空間時(shí)間分析功能，提高了分析效率，系統(tǒng)軟件面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念和可視化的程序表達(dá)方法結(jié)合“按需使用，彈性調(diào)整”的云計(jì)算思路，保證工程智慧預(yù)警預(yù)報(bào)的有序進(jìn)行，提高了工程管理效率，為該系統(tǒng)在同類工程的運(yùn)用起到了示范作用。