水利信息化之水利自动化发展趋势探讨

丁 强 ，王绍勤

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 江苏省防汛防旱指挥部办公室 江苏 南京 210029）

水利自动化是水利信息化的基本系统和重要组成，因此水利自动化的发展一定是随着水利信息化的发展而发展，水利信息化的发展方向就是水利自动化发展方向。现在，具有数据的自动采集、传送、处理入库和共享应用的水利自动化正朝着智慧网和云服务的方向蛹变。笔者就水利信息化中的水利自动化发展趋势发表自己的一家之言，希望抛石引玉。

1 智慧网发展趋势

1.1 水利智慧网

水利智慧网是利用物联网实现水利信息采集和监控的现代化智能网络。从国家总理的智慧中国到水利部长的智慧水利，无不包含对智慧网前景的赞褒。

物联网是通过传感设备按照约定的协议，把各种网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。

在物联网的构架中，包含传感网和互联网 2 大系统。传感网主要在于信息的采集及近距离的信息传递，互联网主要在于信息的远距离传输。真正实现物联网，做到物物相连，物联网离不开传感网和互联网。智慧网是智能传感器与物联网的结合，采用物联网的传感器实现局地智能组网，长距实时联网。

1.2 对水利自动化发展的影响

自动监测系统是水利自动化的基础，监测和监控是自动监测系统的重要任务，传感、采集和传输数据对智能和组网的要求越来越高。传感网常用的技术有无线射频和传感网络。传感器网内数据的传输和组网通过无线快速实现，无线传感器网络是由大量部署在目标区域内的、具有无线通信与计算能力的数据采集传感器节点，通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。这些节点集成有传感器、微处理器和通信模块的微型嵌入式系统，具备数据采集、计算处理和短距离无线通信能力，各节点之间通过某种协议自组成一个无线局域网络，能将采集来的数据融合优化，并沿着一定的路径传送到信息处理中心。因此可将大量节点密集分布在无人值守的监控区域，从而构成能自主完成指定任务的智能自制测控网络系统。无线传感器网络可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

传感网采集的数据远距离传输需要移动无线网或互联网联合组网运用。这种组网的方式使得自动监测系统实现了双向宽带的网络传输，使许多无法传感对象的监测成为可能，例如水利现场视频和图片的传输。由于定位和无线自动组网功能，使定位和移动检测成为水利自动化监测的重要手段。按照监测需求的数据加测，连续的在线监控，为实现智能监测监控提供了保证，也为实现数字水文站和无人水文站提供了条件。同时智能组网的快速检测使得非接触检测、自我组网、自动检测、故障修复、远程升级的智能化传感器技术有了飞速发展。

1.3 应用和发展中的问题

由于无线传感网络无线射频距离短，一般为100～300 m，采用 2.4 GHz 的频率，绕射性能差，组网条件苛刻且范围小，无法运用到测点分布离散的水利自动化监测系统中。尽管已有较长距离的无线传感器产品出现，但其组网和传输的可靠性还需证实。所以目前只是在测点比较集中的灌区自动化和大坝安全监测系统中运用，在局地的山洪灾害预警系统中也有使用。

我国智能传感器发展起步较晚，相关技术的使用也不尽完善。具有自检查、纠错、计算、判断、修复的智能传感器不多，采用物联网相关技术设计的智能传感器更少，不能满足水利自动化智慧网的要求。所以发展适应智慧网的智能传感器任重道远。

2 云计算和云服务发展趋势

2.1 云计算和云服务

云计算和云服务是近年发展最迅速的互联网模式，云服务实现了用户端工作量的全面转移，运行程序的重任不再由本地计算机承担，转而由云服务中的计算机群来完成。这样，对用户端计算机的软硬件要求就降低了，用户端计算机只需运行像网络浏览器一样简单的云服务系统定制的界面软件，其余工作都由云服务系统中的计算机群负责。

水利服务云是以现代通信、计算机网络、微电子与自动化监控、信息处理与多媒体技术为支撑，以服务防汛抗旱、水资源管理、水利工程监控为目的，在“云”系统中构建的统一、开放的综合性应用系统平台，以实现水利信息采集、防汛视频会商、防汛指挥调度、水利工程监控、山洪灾害防治、水资源管理、应急通信等水利业务的综合管理与应用[2]。

2.2 对水利自动化发展的影响

从系统技术层面上，通用的水利业务软件势必是统一平台，统一开发，发放配置。数据集中在“云”里，应用软件从“云”里下载或配置使用，软件功能规范，质量保证，数据共享，个性化功能软件应该是在基本框架里的设计和应用，适当留有特定软件的接口，便于这类软件的开发。服务器和数据库等设在有高级专业人员设计和维护的“云”端。彻底解决了系统各自开发时因开发者水平良莠不齐造成的质量参差不齐的弊端。硬件上只是按照网络浏览器配置，各服务端点只要设置基本的运行平台和功能，其他的配置和软件功能可以从云服务上获得。“云”中软件和硬件的升级，可以使得各服务端点服务的升级，做到了上下同步发展和升级。

从系统管理层面上，系统的数据、软硬件的维护只要在“云”端保证就可以了，各服务端点只要配备简单的计算机及水利业务人员。而以前水利业务和系统维护人员都要配备，系统的完好率还保证不了。为保证人员素质的培训工作在云服务时代也变得简单，可以通过统一教材和授课实现。

由于云计算和云服务的特点，今后系统的开发招标和使用与现在的方式都可能不同。软件功能、升级的开发可以参考苹果公司的开发模式。基本功能采用集中开发，统一发放和配置；辅助功能通过市场化的征集，谁的产品做的好，就采用谁的，并付开发费，发布在“云”端供用户有偿使用。这样的产品有大有小，也许有一天会在网上看到水利云服务产品的发布。

2.3 云服务的基本条件和问题

2.3.1 基本条件

了解了云计算和云服务，及它可能给水利自动化监测系统带来的变化，还需要讨论实现云服务的基本条件。具体如下：1）网络初步形成并且成熟可靠。所有的“云”都是建立在网络的基础上的，如果网络瘫痪了，“云”的一切就无从谈起。2）通信条件具备，可按需求选用。无论是公共的电信、移动或卫星通信，还是自建的无线、有线通信，所有的通信可以按照速率和带宽的需求选用。3）标准统一，规范控制。不管是数据的传输规约，数据库的标识结构还是发布形式和内容，如果不按照统一的规范和标准设计和研制，大家各行其是，必定是一盘散沙，云计算和云服务都是不可能的。4）按照不同的功能，统一平台，统一开发，发放配置，个性设计。功能统一设计，在功能体系中，规定平台，并且要满足跨平台的统一开发和个性化的设计开发。各种功能模块可设置或配置。

2.3.2 解决的问题

满足了基本条件，还需要讨论在云计算和云服务上需要做些什么，解决哪些问题，笔者认为最重要的是要有一个基于智慧水利云计算和云服务的顶层设计。希望在已有水利信息化顶层设计的基础上补充智慧网和云计算、云服务的顶层设计，为基于水利云计算和云服务的水利信息系统“统一技术架构、强化资源整合、促进信息共享、保障良性运行”提供必要的技术与管理依据。构造相对完整的顶层资源共享与业务协同体系结构，为推进信息共享与业务协同的组织管理和实施提供顶层规范、标准产品与依据，保障全国水利信息化科学协调推进[3]。其次，在顶层设计的基础上开展整体解决方案的设计、水利云的设置、标准规范及水利云安全的研究。

云计算和云服务还需重点解决安全问题。随着云服务的推广，网络、数据的安全成为最大的障碍之一，例如数据完整性、机密性、可用性和远程验证，访问的私密性，满足云服务的服务效能，防止服务被滥用，防止攻击者非法获得资源或破坏合法用户[4]。

云服务的另一个问题是如何满足服务对象的个性化要求，满足应急和移动监测的服务需求。

2.3.3 应用实例

我国目前开展的国家水资源管理信息系统采用的架构已有云服务的雏形。监测数据一跳到省（市）、流域，服务器和应用软件统一在上层部署，各层配置使用。设计平台总体集成，设计了开发支撑类通用软件，开发了 3 层平台（3 级通用的门户、统一应用、数据集成支撑软件）。

河海大学近年开展的“基于云计算的防汛防旱信息集成平台的研究”和“水利云平台关键技术研究与应用示范”研究项目，在江苏省淮安市水利局进行了成功的应用示范。“基于云计算的防汛防旱信息集成平台的研究”项目，集成了云管理、云会商、云搜索、云普查和云预报等云服务族和多个遗产系统，构成了多业务处理的交叉平台，展示了“水利云”的智能化、一体化、综合化的特征[5]，并获得大禹科技进步一等奖。

3 结语

实际上水利自动化是水利信息化的重要组成部分，水利自动化的智慧网和云计算不可能独立存在，必须与水利信息化的智慧网和云计算同步发展。当然，水利信息化不仅是水利自动化的信息采集与工程监控，还有资源共享服务、综合业务应用，以及运行和保障环境建设等等，文中没有详述。总之，通过水利自动化的智慧网和云计算发展趋势的探讨，可见水利信息化发展趋势的一斑。

[1] 蒋云钟，冶运涛，王浩. 基于物联网理念的流域智能调度技术体系刍议[J]. 水利信息化，2010 (4): 1-5.

[2] 翟惠云，徐海波. 物联网在水资源管理方面的应用技术初探[J]. 水利信息化，2010 (4): 6-10.

[3] 艾萍，吴礼福，陈子丹. 水利信息化顶层设计的基本思路与核心内容分析[J]. 水利信息化，2010 (1): 9-13.

[4] 梁知音，段镭，韦韬，等. 云存储安全技术综述[J]. 电子技术应用，2013 (4): 130.

[5] 河海大学，淮安水利局. 水利云平台关键技术研究与应用示范[M]. 淮安：淮安水利局，2013: 3-100.