云计算与水文信息化

柳 林 ，仝黎熙 ，杨 敏

（1.海河水利委员会水文局，天津 300170；2.海河水利委员会引滦工程管理局，河北 迁西 064309）

1 引言

经过多年的建设，水文信息化取得了显著成就，提高了管理能力和服务水平，并在水文工作中发挥了不可替代的重要作用。随之也产生了一系列的问题：信息采集方式落后，在采集的信息种类、频次、站点布局和应急监测等方面，面对国家防灾减灾、实施最严格的水资源管理和保障民生与社会经济发展的要求，其支撑能力相对滞后亟待进一步提高；在信息服务和业务系统建设方面，信息资源的开发利用程度低、共享困难、系统间难以衔接等问题仍然突出，无法满足业务协同的需求。相关问题虽然得到了重视，但由于资金和技术等原因，仍未得到有效解决。

2006年，云计算（Cloud Computing）的概念首次由Google公司提出。随着技术发展和研究实践的不断深入，物联网、云计算已经不再停留在概念层面，云计算已经得到了广泛的应用。

鉴于物联网在水文行业已有相关应用分析及案例，而云计算在水文信息化建设中还是个空白，笔者将重点分析云计算在水文信息化中的应用。

2 认识误区

2.1 物联网和互联网认识混乱

目前流行的一种观点将物联网与互联网对立，认为它们是2个不同或不完全相同的网络，或者认为物联网将会取代互联网。笔者认为物联网仅是互联网发展与扩展的一个阶段性特征，可以说物联网是将原有互联网的范围扩展与升级，使得未来互联网比先前的互联网更为复杂、包含的范围更为广泛，即人与人、人与物、物与物的网络综合体，其本质还是互联网，即由多个计算机网络相互连接而成，而不论采用何种协议与技术的网络。

2.2 云计算和分布式计算混淆

分布式计算研究是把一个大型的计算问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给网络中大量的计算机分别进行处理，最后把计算结果综合起来得到最终结果，其重点是利用网络中计算机CPU的闲置处理能力来解决大型计算问题。而云计算重心是服务和虚拟化的资源，其中分布式计算可以认为是云计算的一种服务方式。同样是“计算”，但两者的含义大不相同，这也是两者易被混淆的一个主要原因。

2.3 物联网和云计算割裂

物联网和云计算都是当前的热点，很多城市或部门分别出台了自己的物联网或者云计算发展规划，将两者人为的割裂开来。然而物联网与云计算本就是相辅相成，它们的共同之处在于都是以互联网为基础平台，两者之间互相依存、互相促进、共同发展。一方面，物联网的发展离不开云计算的支撑，云计算凭借处理能力、存储能力成为物联网的后台支撑平台，缺少云计算的支持物联网的工作性能无疑会大打折扣；另一方面，云计算中各类软件、信息服务需要物联网产生海量的数据来更好地满足用户各个层面的应用需求，失去了物联网的云计算在信息服务方面也将黯然失色。

3 水文信息化的发展瓶颈

水文作为社会公共信息服务行业，其信息不仅为水利行业服务，更是为全社会生活生产服务。水文数据库也是我国四大基础性、战略性资源数据库之一 “自然资源和空间地理基础信息库”的重要组成部分，这充分表明水文信息是国家最基本的信息资源。

水文信息化的目标是为社会提供更新、更好的信息产品。因此，如何利用先进的技术，获取更多种类、更大时空尺度的信息，充分开发利用水文信息资源，满足社会经济发展的需求，是水文信息化要解决的根本问题。虽然水文信息化在过去多年的建设中取得了很大的发展，但在信息化体系、基础信息源建设、信息服务和应用整合与协同理念等方面仍然存在较大差距。目前水文信息化建设具有明显不足：

（1）基础设施落后：水文是信息密集型的基础行业，基础信息的建设尤为重要。目前，测站数量严重不足，并且许多测站还处于人工观测的阶段，信息采集手段落后、效率低，影响了信息的数量和精度。

（2）信息服务有待加强：水文行业的成果是信息，信息的价值体现在对内对外的服务。对内服务有助于提高协作能力和业务水平，对外服务则是水文行业对整个社会的职责。随着信息技术发展，借助网络等技术手段，通过对水文各类信息资源开发利用，对各类需求提供多样化的、合适的分析加工产品是水文信息服务的发展方向，也是水文信息化的发展目标。

（3）整合与协同应用亟待加强：由于前期建设缺乏整合与协同应用的理念，各类信息系统的相互分割和基础信息的分散导致使用不便，形成了“信息孤岛”，影响了信息服务水平，制约了水文信息分析处理能力的提升。

因此，在通信网络日趋完善的前提下，水文信息化必须重点解决信息的采集、服务和应用3个环节的问题，逐渐形成以数据采集和处理自动化为基础、以智能化知识发现工具为手段的水文信息服务。

4 云计算应用构想

云计算对于水文信息化的意义在于实现资源的整合与业务的协同，提升对海量数据存储、分享、挖掘、搜索、分析和服务的能力，使得业务数据作为无形资产得到统一有效的管理，同时为更多公众服务。

云计算通过网络将各类计算服务分布在各地的计算机上，为用户的需求提供服务，由于网络的规模庞大使得云计算的服务显得异常神秘，对于熟悉了传统客户端服务器模式的用户来说会存在这样那样的疑问，如谁为我提供的服务、怎么部署的、什么样的计算过程、信息是否准确安全等。其实，云计算并不神秘，在水利信息化建设中已有类似应用，近年来投入使用的实时雨水情数据库和水情信息交换系统就部分借鉴了云存储的理念。

5 水文信息化主要内容

水文信息化围绕水文信息的采集、传输、存储、信息服务和业务应用进行。信息采集系统主要由监测仪器、传感器、卫星、遥感、GPS等仪器设备单独或组合而成。信息传输系统包括有线传输（光纤、电缆、公用电话等）、无线传输（超短波、卫星、GPRS/GSM等）、传输网络系统等。信息存储系统将各类信息保存在数据库中。信息服务系统是面向防汛、抗旱、水资源配置等事务管理提供数据、图表等基础性服务。业务应用系统包含相关的分析、统计、预测、预报、评价等功能。

5.1 信息采集

信息采集系统是水文信息化的基础，水文信息化建设采集的主要信息类型包括降水、水位、流量、水质、蒸发、墒情等各类信息。采用传感器微电子技术，把水文信息通过传感器转为电子信号并通过传输系统传到数据中心，同时也可以对测站实现远程控制。信息采集系统建设的目的就是获取更多种类、更大时空尺度的信息，在时间、空间和水文要素3个方面拓展自身的信息获取能力。

5.2 信息传输

信息传输要充分应用现代通信、网络和计算机应用技术等方式和途径，借助通信卫星、短波数传、公用分组交换网、微波通信网以及Internet等媒介，组成完整、高效的通信网络系统，提高信息传递的可靠性、时效性和准确性。

5.3 信息存储

水文信息通过自动采集或信息化处理后，其数据和信息量将是海量的，其存储主要依赖于分布式存储系统，通过数据库建设实现对水文信息数据进行分类、存储、管理。

5.4 信息服务

作为重要的基础信息，水文信息无论是在水利行业还是国家社会经济等方面都有广泛应用。水文不仅要以及时、准确的水文信息和分析预报成果在防汛抗旱中为决策提供科学依据，而且要为水资源配置、节约和保护等涉水事务的管理提供基础性信息服务。

在此基础上实现面向不同用户的信息服务，包括水位、流量、泥沙、水质、雨情、蒸发、墒情以及报汛站基本信息等各类信息，并展现各种分析之后的统计结果，通过图形显示功能绘制雨量柱状图、雨量分布图、水面线图、洪水过程线图、大断面图等实现信息的可视化，为相关的业务应用或业务需求提供信息服务。

（1）基础信息：提供行政区划、河流水系、地形地貌、气候特征和历史洪水等基本情况，提供信息的图表查询、基于GIS的地图展示等服务。

（2）站网信息：实现对各类水文站（包括水文、水位、雨量、蒸发等）、报汛站、遥测站、地下水监测站、水质监测站等的基础信息服务，包括各类测站位置、概况、站类、站级、设站目的、受水利工程影响程度、测验项目、测流方式、水文特征值、控制范围等测站基本信息。

（3）气象信息：提供卫星云图、气象图、数值预报、天气短、中、长期降雨预报、重要和极端天气预警（消息）、台风消息、台风警报、台风紧急警报、台风路径信息（包括位置、强度、预报）、雷达回波图、降雨量预报分布图等实时气象信息服务。

（4）雨情信息：提供雨量检索、累计雨量分析、降雨等值线等值面等信息服务。

（5）水情信息：提供河道、水库和闸坝的水位、流量信息查询、水位流量过程线分析、水位蓄水量过程线分析、出入库水位流量过程分析、多站对比分析、历史同期对比分析、历史洪峰对比分析等服务。

（6）水质信息：对河道控制站和入河排污口水质监测断面的水质状况进行查询、统计、分析服务。

（7）地下水信息：查询与发布地下水基础数据、空间数据、动态监测数据、业务数据以及模型成果数据，动态反映地下水的历史变化过程和现状。

（8）墒情信息：提供各类遥感、人工监测土壤墒情信息，并集成土壤、植被、气象、地下水、水源地、城市供水等信息服务。

（9）报表管理：提供报表模板管理、报表定制、报表输出等功能。根据业务需要制作报表模板、基于报表模板对要输出的报表格式进行定制，并绑定数据源进行报表输出。

5.5 业务应用

随着水文科学和信息技术的发展，大量业务应用系统（如站网管理系统、洪水预报系统、蓄滞洪区洪水演进系统、枯水期径流预报系统、地下水管理系统、水质预警预测系统、墒情管理系统等）相继投入业务分析处理应用。

（1）站网管理系统：为掌握水文监测动态信息，及时调整站网布局提供工具支撑，实现各类水文站（包括水文、水位、雨量、蒸发等）、报汛站、遥测站、地下水监测站等的动态管理。

（2）洪水预报系统：实现对雨水情信息分析处理、预报参数的过滤计算、预报方案的优选比较、专家经验的整合参考、预报成果的综合分析、洪涝灾害分析预测、预报结果的综合输出以及预报成果的检验分析，以提高洪水预报的精度和预见期。

（3）蓄滞洪区洪水演进系统：通过在2维数字地形图或3维数字模型上叠加各种水文要素、经济社会及生态信息，综合地表达水文要素和各种地理实体的空间分布，分析洪水演进过程，统计估算经济损失。

（4）枯水期径流预报系统：在分析研究气候特征及枯季径流来水规律的基础上，用水文气象方法和水文方法分别建立枯水期径流预报模型，为水资源管理和调度服务。

（5）地下水管理系统：通过构造地下水水流测试模型，以可视化的形式对地下水位及其变化作出反映，对区域水量平衡进行分析，实现水资源的优化配置和科学调度。

（6）水质预警预测系统：通过构造河流中污染物的扩散输移模型，对污染物的扩散及输移进行模拟分析，对河流水质状况及其变化作出预测，提高对突发、恶性水质污染事故的预警预报及快速反应能力，为水资源管理和优化配置服务。

（7）墒情管理系统：利用遥感、水文、气象、农业等信息，采用多种方法，估算各类干旱指数及其综合指数，分析旱情状况和未来旱情发展变化趋势，为指导抗旱、水资源调度、农业生产等提供科学依据和决策支持。

6 云计算与水文信息化

6.1 物联网与信息采集

信息采集与传输是水文信息化的基础。然而，由于数据采集点数量少、范围广、技术落后和自然条件恶劣等原因，长期以来信息的采集传输一直是制约水文信息化发展的一个瓶颈。

与物联网相关的传感器技术、网络技术等并不是全新的技术，物联网的“物”在水文信息化中可以泛指各类固定或移动采集设备和各类水工建筑物。物联网在信息采集方面的应用其实就是将测站数据采集模块、通信模块和控制模块融为一体，实现各种信息数据的远程自动采集、实时传输、处理和控制。通过对各类实时信息的采集、控制、传输、处理加工和应用，切实提高水利行业管理的综合能力和管理水平，实现向动态管理、精细管理、定量管理和科学管理的转变。

6.2 云存储与信息共享

水文信息的存储与共享是水文业务的基础。云存储通过集群应用、网格或分布式文件系统等技术，将网络中海量的不同类型存储设备或系统通过应用软件平台集合起来协同工作，提供统一的水文业务数据存储和业务访问，为防汛、抗旱、水资源管理、水环境保护等业务应用提供信息服务与支持。

云存储通过对海量数据存储、分享、挖掘、搜索、分析和服务，对各类水文数据进行统一有效的管理，同时借助数据集成和融合技术，打破区域、部门间的数据限制，实现规范的常态化的信息服务与共享机制。这符合目前水利行业内各类信息资源分级分类信息管理的模式；同时，适合于诸如防汛、山洪、水污染这突发事件等现地与指挥中心联合指挥中对于现地指挥统一、有效、有针对性的信息支持。同时，云存储还在一定程度上提供了对重要数据容灾备份的功能，展现了系统数据存储和备份向资源集中化和服务化转变的发展趋势。

6.3 云桌面与信息服务、业务协同

云桌面是云计算的重要应用领域之一，也是最具特点的应用之一。通过云计算平台将各类公有云和私有云应用服务集成到云桌面，同时结合传统的个人电脑桌面服务，为用户提供基于云计算平台的桌面服务，实现业务应用桌面定制化服务，以面向业务和面向对象来选择和定制用户的个性化桌面。由用户根据业务工作需要选择不同的应用和应用组合，确定应用运行在客户端还是云端。业务应用成果可以存储在客户端或云端，实现信息共享与业务协同。

水文信息化建设中的信息服务包括基础信息、站网管理、气象信息、雨情信息、水情信息、水质信息、地下水信息、墒情信息、统计分析、报表管理等；水文信息化建设中的主要业务应用为洪水预报、蓄滞洪区洪水演进、枯水期径流预报、地下水管理系统、水质预警预测系统、墒情管理系统等。同时，可针对不同的管理对象类型个性化定制单位或用户桌面，包括测站、水库、水闸、泵站、取水口、水源地、排污口等。

由于各项业务应用都需要统一发布在云桌面平台上，同时通过云存储系统获得信息服务，所以云桌面的方式在业务应用系统建设中，可以推进标准化与规范化，使得标准化与规范化工作更加有的放矢，促进水利行业业务应用系统的软件产品化开发与推广应用，减少重复开发，降低开发与成本，适合于具有一定通用性的水文专业应用系统或模型的统一开发。

同时，业务的整合与协同是水文信息化发展方向。随着云计算和相关信息技术的发展，为解决业务应用的整合和系统问题提供了可能。云桌面可以有效集成统一发布的各类业务应用服务与资源，推进业务整合与协同，提高综合应用水平，使得各项业务工作相互分工协作，保障信息在各个层面的共享和交换，使得业务系统能够充分满足各方面的需求，既能独立运行，又能相互协同工作。

7 展望

随着技术的不断发展，物联网、云计算已经不再停留在理论或是理想状态。随着传感器在水利行业的广泛应用，这为物联网的应用和建设创造了良好的基础，同时各类信息管理、业务应用系统已经为云计算的建设打下了良好的基础。新时期经济社会发展对水文行业信息化建设提出了更高的要求，为满足新形势下对水文的新要求，就要在原有水文信息服务的基础上，增加服务种类和数量，拓宽服务面，提高服务水平和质量，云计算作为一种新的信息服务模式也将推动水文信息服务水平的提高。