城鄉(xiāng)供水一體化智慧水務總體架構

吳健，何強，汪欽堤，謝遠勇

（1.福建省水利水電勘測設計研究院 ，福建 福州 350001；2.智恒科技（集團）股份有限公司，福建 福州 350109）

0 前言

城鄉(xiāng)供水一體化的建設，將有效提高農(nóng)村供水質(zhì)量和用水保障，提升水務管理信息化水平，實現(xiàn)全域供水、運營管理、生態(tài)環(huán)境一體化。目前，城鄉(xiāng)水務信息化建設已逐步開展，也取得一定成效，但相對于水務精細化管理、智能化應用的需求，還存在以下不足：①水廠的水量、管網(wǎng)的水質(zhì)、水壓、用戶的抄表系統(tǒng)分散、數(shù)據(jù)無法共享。②信息化監(jiān)控要素類型和范圍不足，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水設備老化、數(shù)據(jù)幾乎空白。③城鄉(xiāng)管網(wǎng)設施老舊，監(jiān)管力度差，用水漏耗嚴重，水資源嚴重浪費，運行負擔重，安全生產(chǎn)管理難。④缺少供水生產(chǎn)全過程統(tǒng)一的管理平臺，業(yè)務系統(tǒng)缺少統(tǒng)一規(guī)劃，智能化應用深度不夠，智能輔助決策系統(tǒng)尚未建立。隨著國家對城鄉(xiāng)供水一體化水務管理的精細化要求不斷提高，開展智慧水務管理平臺的建設，已刻不容緩。

1 總體思路

根據(jù)城鄉(xiāng)供水信息化現(xiàn)狀和未來發(fā)展需求，以實現(xiàn)水務精細化管理為目標，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、微服務等核心技術為基礎，建立起“數(shù)據(jù)資源知識化、應用系統(tǒng)智能化、運行環(huán)境集約化、標準體系規(guī)范化、安全體系可靠化”的城鄉(xiāng)供水一體化智慧管理體系，全面提升管理能力和服務能力，促進水務信息化加速、健康、有序發(fā)展。城鄉(xiāng)供水一體化智慧水務管理平臺應能夠提供以下3類服務支撐：

（1）全面感知供水生產(chǎn)全過程核心業(yè)務，提供綜合監(jiān)控和調(diào)度管理服務。

（2）建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，將分散的水源地、水廠，二供泵站等單位的生產(chǎn)、運行數(shù)據(jù)，整合、分類成專題或綜合數(shù)據(jù)庫，為精細化管理和智能輔助決策提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務。

（3）建立統(tǒng)一的信息共享體系，逐步實現(xiàn)水利局、環(huán)保、防疫中心等相關部門監(jiān)測信息、工作成果信息、工作動態(tài)信息等的共享和交換，為實時掌握水務信息狀況提供有效的信息服務。

2 總體功能架構

平臺功能主要以業(yè)務和技術雙驅(qū)動，軟件解耦、復用和標準化為原則，規(guī)劃為“三域六層兩體系”的功能體系架構，包括能力開放域、運維管理域、平臺服務域（感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層、訪問層、接入層）和運維保障體系、標準規(guī)范體系，具體規(guī)劃如圖1所示。

（1）能力開放域

能力開放域作為能力對外開放的樞紐，平臺和其他外部系統(tǒng)統(tǒng)一通過服務總線來進行能力交換，方便集成各種數(shù)據(jù)服務，并支撐各種數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

（2）運維管理域

運維管理域支撐整個云平臺的統(tǒng)一安全管控和可視化運維管理，包括云化資源調(diào)度、任務調(diào)度、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和安全管理等功能，提升平臺的運維管理能力。

（3）平臺服務域

平臺服務域是整個系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)具體業(yè)務、數(shù)據(jù)和能力的承載，平臺服務域分為6層，包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層、訪問層和接入層，具體說明如下：

1）感知層：感知層是平臺實現(xiàn)其“智慧”的基本條件。感知層具有超強的環(huán)境感知能力和智能性，通過傳感器、傳感網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對供水設施、水量、水壓、水質(zhì)的監(jiān)測和控制。感知層主要由流量、壓力、水質(zhì)等傳感器，以及設備網(wǎng)關、攝像頭等感知設備組成。

2）網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層是云平臺的信息高速公路，主要實現(xiàn)信息的可靠傳輸和路由。網(wǎng)絡層可依托公眾互聯(lián)網(wǎng)和運營商專網(wǎng)，以及無線傳感器物聯(lián)網(wǎng)等專用網(wǎng)絡實現(xiàn)。

3）平臺層：平臺層是云平臺“智慧”輸出的加工廠，在未來的智慧應用中，設備和數(shù)據(jù)是非常重要的戰(zhàn)略性資源，因此，構建云平臺的智能設備云控平臺和數(shù)據(jù)中心是云平臺建設中非常重要的一環(huán)。智能設備云控平臺使得設備的全生命周期可管控、可追蹤、可回溯。數(shù)據(jù)中心主要的目的是通過數(shù)據(jù)關聯(lián)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)模擬仿真等技術解決數(shù)據(jù)割裂、無法共享等問題，并實現(xiàn)智慧的輸出。

4）應用層：應用層實現(xiàn)一體化綜合監(jiān)控平臺、水源監(jiān)測、水廠監(jiān)控、指揮調(diào)度、管網(wǎng)管理、分區(qū)計量管理應用，支撐企業(yè)對內(nèi)精細管理和對外主服務兩大領域，實現(xiàn)將企業(yè)的生產(chǎn)過程、調(diào)度監(jiān)控、事務處理、決策等業(yè)務過程進行數(shù)字化，通過各種信息系統(tǒng)網(wǎng)絡加工生成新的信息資源，提供給各層次的人們洞悉、觀察各類動態(tài)業(yè)務中的一切信息，以做出有利于生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的決策，使企業(yè)資源合理配置，促進企業(yè)向智慧化發(fā)展。

5）訪問層：訪問層為平臺提供統(tǒng)一的一體化門戶，作為應用訪問的統(tǒng)一登錄口，增強各系統(tǒng)訪問便捷性。平臺可對各個子系統(tǒng)的訪問賬號進行統(tǒng)一管理，加強各系統(tǒng)的賬號、權限管理工作，提高信息安全防范等級。

6）接入層：接入層提供各種終端的接入訪問，系統(tǒng)支持PC電腦、手機、平板電腦和大屏等接入終端。

（4）運維保障體系與標準規(guī)范體系

運維保障體系提供系統(tǒng)的運維保障管理辦法和流程，保障系統(tǒng)安全可靠運行；標準規(guī)范體系提供系統(tǒng)建設遵循的國家標準和行業(yè)標準，保障系統(tǒng)建設的標準化和規(guī)范化。

3 系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)技術架構主要以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、微服務技術為基礎，規(guī)劃為“三層六中心”的技術體系架構，包括“IaaS、PaaS、Saas”3層的云計算架構，通過政務云資源池和分布式技術，實現(xiàn)彈性計算和線性擴容，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高可用和可擴展能力。平臺同時借鑒SOA開放、標準、解耦的面向服務體系思想，采用業(yè)務與數(shù)據(jù)解耦、存儲與計算分離的設計理念，設計了6大中心，包括感知中心、存儲中心、計算中心、服務中心、運維中心和應用中心，提升平臺的開放能力、復用能力和運維管理能力。具體規(guī)劃的技術架構如圖2所示。

3.1 IaaS層

資源池基于資源池能力，提供存儲、計算和網(wǎng)絡等資源的統(tǒng)一管控，實現(xiàn)按需分配和彈性計算，水務平臺上層各個中心模塊所需的資源主要由資源池統(tǒng)一提供。資源池具備良好的擴展性，應用系統(tǒng)的存儲資源、計算資源和網(wǎng)絡資源可以快速動態(tài)擴展。

3.2 PaaS層

（1）感知中心

感知中心負責接收傳感器、水務遠傳設備、智能建筑設備、網(wǎng)絡監(jiān)控設備等硬件感知設備通過網(wǎng)絡傳輸?shù)狡脚_的數(shù)據(jù)，同時提供設備的遠程指令控制能力，并對各種硬件感知設備進行全生命周期的監(jiān)控和管理。

（2）存儲中心

存儲中心支撐系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)存儲，包括接口數(shù)據(jù)、明細數(shù)據(jù)、匯總數(shù)據(jù)和應用信息數(shù)據(jù)等。存儲中心的接口數(shù)據(jù)和明細數(shù)據(jù)采用分布式大數(shù)據(jù)存儲技術實現(xiàn)，具有海量數(shù)據(jù)存儲能力和線性擴展能力。支持關系型數(shù)據(jù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、NoSQL數(shù)據(jù)庫等存儲架構。

（3）計算中心

計算中心承載整個系統(tǒng)的主要運算能力，將計算能力進行組件化封裝，并將數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)存儲分離，可有效提升計算組件的復用能力、開放能力和管理效率。計算能力主要包括ETL計算、批處理、實時處理、交互式查詢和模型計算等。

（4）服務中心

服務中心作為數(shù)據(jù)對外開放的樞紐，平臺和其他外部系統(tǒng)統(tǒng)一通過服務中心來獲取數(shù)據(jù)。服務中心采用服務總線和微服務技術，方便集成各種數(shù)據(jù)服務，支持SDK、WS、Restful，MQTT、Http等各種數(shù)據(jù)交換方式，同時微服務支持靈活擴展，支持通過多種接口協(xié)議向上層應用開放數(shù)據(jù)訪問和設備遠程控制等接口。

（5）運維中心

運維中心支撐系統(tǒng)的安全管控和可視化的運維管理，包括云化資源調(diào)度、任務調(diào)度、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和安全管理等功能，提升平臺的IT治理能力。

3.3 SaaS層

應用中心主要以存儲中心和計算中心為基礎，基于服務中心獲取平臺數(shù)據(jù)實現(xiàn)各種應用系統(tǒng)，包括分析套件和業(yè)務應用兩個層面的內(nèi)容。分析套件是經(jīng)過業(yè)務抽象可復用與各個業(yè)務應用的基礎技術組件。業(yè)務應用可基于分析套件來構建，提升應用開發(fā)效率。

4 系統(tǒng)總體架構特點

4.1 業(yè)務與數(shù)據(jù)解耦、存儲與計算分離

傳統(tǒng)應用軟件程序中業(yè)務總是與數(shù)據(jù)緊耦合在一起，并且數(shù)據(jù)計算依賴于存儲架構，導致煙囪式開發(fā)，應用的業(yè)務和數(shù)據(jù)的計算能力無法抽象總結，能力無法沉淀，軟件復用度低下，在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代，隨著數(shù)據(jù)量、并發(fā)量、技術復雜度的提升，這種傳統(tǒng)架構已經(jīng)難于適用。因此，本文提出業(yè)務與數(shù)據(jù)解耦、存儲與計算分離的理念，通過縱向和橫向的充分解耦，劃分出6大中心的分布式云化架構，應用的業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)的計算邏輯都可以實現(xiàn)組件化開發(fā)和云化部署，屏蔽底層技術架構，降低開發(fā)復雜度，提升軟件復用度，提升軟件開發(fā)效率和質(zhì)量，提升平臺的并發(fā)能力和數(shù)據(jù)存儲能力。

4.2 云化資源池技術

服務器云化技術提供存儲、計算和網(wǎng)絡等資源的統(tǒng)一管控，實現(xiàn)按需分配和彈性計算，數(shù)據(jù)中心上層各個模塊所需的資源主要由云化資源池統(tǒng)一提供。平臺的服務器云化技術形成可統(tǒng)一資源調(diào)度管理的分布式云數(shù)據(jù)中心對各政務部門單位統(tǒng)一服務。通過分布式管理，將分布在生產(chǎn)中心機房和災備中心機房的計算、網(wǎng)絡、存儲等資源統(tǒng)一進行管理和池化，通過靈活的資源調(diào)度策略，包括錯峰復用、動態(tài)伸縮、跨DC共享、遷移等技術手段，實現(xiàn)應用的跨資源池、數(shù)據(jù)中心的部署，資源的彈性伸縮，自動調(diào)度，按需使用，快速滿足業(yè)務發(fā)展需求。同時，提供統(tǒng)一的資源管理平臺，管理虛擬資源、物理資源、存儲資源；提供統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一告警、統(tǒng)一門戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心集中運維，讓用戶從繁瑣的底層運維解放出來，更加聚焦于自己的業(yè)務。采用云化資源池技術使得平臺具備可靠性、可擴展性和可維護性。

4.3 微服務體系架構

微服務繼承了SOA面向服務架構的整體思路，是指開發(fā)一個單個小型的但有業(yè)務功能的服務，每個服務都有自己的處理和輕量通信機制，可以部署在單個或多個服務器上。微服務也是一種松耦合的、有一定的有界且有上下文的面向服務架構。在業(yè)務邏輯層面上，把集中整體的邏輯拆解為更細化的邏輯單元。在數(shù)據(jù)存儲層面上，也可以按照情況將集中的存儲拆解為更小的存儲單元。微服務體系架構具有解決復雜性、單獨開發(fā)、獨立部署、擴展容易等優(yōu)點。

4.4 Docker容器技術

Docker 是一個開源的應用容器引擎，讓開發(fā)者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的容器中，然后發(fā)布到任何流行的 Linux 機器上，也可以實現(xiàn)虛擬化。容器是完全使用沙箱機制，相互之間不會有任何接口。Docker容器技術使得軟件的交付變得高效簡潔、交付一個軟件，就是一系列標準化組件集合的交付，如同樂高積木，用戶只需要選擇合適的積木組合，提升軟件交付部署效率。

本平臺在部署架構上采用Docker容器技術進行部署，并基于開源的Kubernetes進行容器集群的管理。Kubernetes是一套較為簡單的工具，用以管理Docker集群，使得Docker集群暴露給用戶時相當于一個虛擬的整體。Docker+Kubernetes容器技術，能夠支持多樣化部署，支持物理機、虛擬機和云主機等部署方式，能夠部署在政務云上，也能夠隨時向如水務私有云，或者混合云和公有云的架構上遷移，提升了平臺部署的效率，以及靈活性和便捷性。

5 結束語

城鄉(xiāng)供水一體化智慧水務總體架構方案，能夠滿足信息調(diào)用、整合、集成、智慧應用的需求，充分實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)應用；在多用戶和大數(shù)據(jù)量的情況下，能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性、開放性、安全性和數(shù)據(jù)的完整性。對提高水務行業(yè)整體效益，促進水務行業(yè)智慧管理水平的提高，促進城鄉(xiāng)供水一體化建設與發(fā)展，都具有十分重要的意義。