全国水利信息化“十三五”建设构想与关键技术

李臣明，曾 焱，王慧斌，张丽丽

(1.河海大学，江苏 南京 210098；2.水利部水利信息中心，北京 100053）

全国水利信息化“十三五”建设构想与关键技术

李臣明1，曾 焱2，王慧斌1，张丽丽1

(1.河海大学，江苏 南京 210098；
2.水利部水利信息中心，北京 100053）

“十三五”是推进水利现代化进程、提升水安全保障能力的重要时期，根据国家信息化战略和治水方略的重大调整，以及水利深化改革对水利信息化提出的要求，有必要结合最新信息技术发展特点，重新梳理和规划信息化建设中的技术体系和策略。分析信息化发展过程与信息能力提升之间的关系，明确当前水利信息化正处于以提升信息能力为核心的水利信息化建设内涵，基于信息能力视角，论述以信息化资源管理与服务为中心内容的“十三五”水利信息化建设体系和技术构想，并对建设重点和实施的关键技术进行阐述说明。

水利信息化；十三五；建设构想；关键技术；信息能力；云计算；物联网；主数据

0 引言

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《2006—2020 年国家信息化发展战略》中描述：“信息化是充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的历史进程”[1]，与这一论述相类似，国外普遍将信息化看作是进入信息社会的过程和结果。信息技术不仅确定信息化进程所具有的特色，而且决定着信息化发展的内容，并不断推高信息化建设层次。近年来，云计算、物联网、移动互联、大数据等新兴信息技术的创新应用[2]，正在深刻影响着社会各行业。广泛应用、高度渗透的信息技术不断孕育着新的重大突破，正促使信息社会从“数字化”迈向“智能化”。

水利信息化是国家信息化的重要组成，也是水利现代化建设的内在需求。从 2003 年的全国水利信息化规划开始，经过“十一五”、“十二五”建设，水利信息化逐渐形成了由基础设施、业务应用体系及与之相配套的技术标准和保障体系构成的水利信息化综合体系。以国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源监控能力建设、国家水土保持基础信息系统、全国农村水利综合管理信息系统、全国水利水电工程移民安置管理信息系统、水利电子政务系统、水利卫星应用系统、全国中小型水库防汛报警通信系统、水利网络与信息安全保障系统等主要业务应用系统为核心，水利信息系统基本实现了对水利业务的全覆盖，有力支撑了水利各项工作。但是，水利信息化发展仍存在信息化资源整体效益不够明显等问题。

当前，基于我国水利现代化建设发展的新战略需求，结合新兴信息技术发展特点，从“十三五”开始，水利信息化建设需要结合国家信息化发展战略和已有工作基础，着重加大在新信息技术的充分利用及信息资源的深度开发利用等方面的力度，建立符合水利事业纵深发展需求的信息化建设体系，全面提升对水利要素的感知、业务数据的知识化处理和综合决策的支持等能力，推动“数字水利”向“智慧水利”转变。

1 水利信息化建设新内涵

1.1 信息化与信息能力

信息化与传统领域的融合，主要是传统生产技术的现代技术改造、生产管理各要素的信息化和人的素质提升，以提高装备生产质量和效率，集约化生产管理和提升生产管理效能。国内外在行业领域的信息化发展是从获取信息掌握状态，到提炼知识理解本质，再到形成策略驱动行为不断深化的过程，该过程是信息能力逐步提升的过程。

一般而言，信息能力是指理解、获取、开发、利用信息及信息技术的能力，具体由收集、判断、表现、处理、创造、发布与传递信息等能力构成，核心是提高信息技术及资源开发与利用能力。信息技术制约着信息资源开发与利用水平，而信息资源开发与利用水平也反映着信息技术水平的高低[3]。这正是国家信息化发展战略所强调的。

信息资源的开发与利用有赖于信息化资源的有效管理与服务，信息化资源管理与服务是按管理者在业务活动、管理决策过程中利用信息资源需求，为其提供及时、全面、准确、深入的信息提取和处理服务。通过敏捷有效、主动精准的信息化资源管理与服务，促使提升人和组织的信息能力。

1.2 信息能力视角的水利信息化建设

总体而言，目前的水利信息化建设主要按业务门类划分，以通信网络、信息采集、过程监控、业务数据库、业务处理和业务管理为重心，建设水利业务应用系统。存在的问题主要表现在：基础设施整合力度不够，尚未形成智能感知的信息采集综合体系；水利信息资源共享困难，开发利用效益不高；数据资源不足、权威性不够，尚未形成大数据治理能力；信息孤岛依然存在，数字鸿沟持续扩大；水利业务与信息技术融合程度不深，业务协同不够，整体优势和规模效益难以充分发挥；应用系统实现了业务覆盖，但深浅不一；综合决策分析能力不足，跨部门、区域应用之间的协同不足等。

这些问题的解决主要取决于信息化资源管理与服务水平的提升，结合水利信息化现状，主要从基础设施共享、信息资源共享、信息资源深度开发利用等方面进行信息化资源管理与服务建设。以信息能力为视角的水利信息化建设新内涵（如图1 所示），是对现有水利信息化应用系统建设成果的拓展和完善，以提升信息能力为核心需求，加大信息化资源高效管理服务与深度开发利用的建设力度。进而满足信息采集多元化和精确化需求，使具有泛在感知能力；满足信息资源共享和协同化需求，使具有资源集约管理和服务能力；满足专业应用和高效化需求，使具有即时响应和精准判断能力；满足综合决策和知识化需求，使具有资源深度开发和知识发现能力。最终有力支撑“强化水利管理，进一步提升水治理和水管理能力”的深化水利改革新需要。

图1 水利信息化建设新内涵

2 水利信息化建设总体框架

基于水利信息化建设的新内涵，“十三五”水利信息化建设应在现有水利信息化综合体系之上，从基础设施整合优化、资源共享与服务、资源深度开发与利用 3 个主要层面进行扩展和丰富。以信息化资源管理与服务为核心的水利信息化建设体系，将包括基础设施与运行环境体系、信息化资源管理与服务体系、综合应用体系和与之配套的保障体系，形成具有感知识别普适化、异构设备互联化、联网终端多样化、管理决策智能化特征的新阶段信息化建设体系，具体如图2 所示（图中虚线框表示未确定及枚举不全部）。

2.1 基础设施与运行环境体系

水利信息化基础设施与运行环境，指各类业务的监测及通信网络设施、机房，以及部署应用的各类服务器及运行支撑环境等。为形成泛在感知能力，基础设施与运行环境体系建设，侧重从采集体系、网络体系和运行环境 3 个方面入手，对现有基础设施体系进行整合、扩充和完善。采集方面，统筹分属不同业务应用的监测点时空分布，整合已有资源，逐步形成采集多元、布局合理、手段互补、业务共享的智能感知信息采集综合体系；水利通信网络方面，进一步完善网络布局，加强移动互联网络建设，逐步形成结构优化、灵活接入、安全可靠、互联互通的水利通信网络体系；运行环境方面，升级改造应用支撑环境，形成能够支撑综合应用的具有伸缩性、可配置的支撑平台；在终端应用环境方面，拓展移动方式的应用环境，提高终端环境的个性化。

图2 水利信息化建设体系

2.2 资源管理与服务体系

资源管理主要是对监测、传输、交换、存储、计算等网络资源和应用支撑平台与水利数据资源的统一管理。通过运用虚拟化等技术手段，构建资源虚拟化共享平台，进而实施信息化资源的可控制、调配和共享。在此基础上，实现信息化资源的统一部署、调度、优化、发布、维护、更新等管理。对于数据资源，采用面向对象的统一水利数据模型，对基础、业务和政务等数据进行整合，构建面向对象的基础数据库、面向事件和过程的业务数据库、面向管理决策的主题数据库等，利用元数据管理系统，实施数据的更新维护和管理服务。

资源服务是在资源有效共享和统一管理基础上，运用面向服务的体系结构（SOA），将信息化资源抽象为一系列可注册、组合、调配、访问、发现的透明化呈现的服务，使用 Web Services、服务总线、资源目录服务等技术，提供资源的服务化封装、发布和管理，支撑对信息化资源的共享和开发利用，支撑动态的综合应用建设的一整套标准、规范、规程和功能单元。资源服务，包括存储计算等基础设施资源服务和支撑应用系统运行的通用平台服务；信息资源服务体系，包括基础、主题、空间等数据构成的综合信息服务，各类业务过程、应急处理整理、业务整编及水利普查等专项活动汇集的数据构成的专题信息服务，支撑信息服务的资源目录、国家水信息基础平台等；分析计算和知识提取功能服务，包括常规汇总统计和联机分析处理（OLAP），水利一张图和通用空间分析，水文预报、洪水预报、水资源优化、水土流失分析等专业模型计算。

2.3 综合应用体系

在现有水利综合业务应用体系基础上，进一步拓展应用层面的高度和范围，形成综合应用体系。具体包括：围绕个体信息获取和分析判断能力的智能搜索、定位和移动应用等个性化应用系统，围绕应对突发事件处置能力的问题域信息即时搜集、判断等应急指挥综合信息服务平台，围绕各业务过程管控处置能力的防汛抗旱、水资源管理、水土保持等各类业务应用系统，围绕信息化办公和行政管理的电子政务系统，围绕科学决策能力的汇总统计、空间计算、专业计算、主题分析、数据挖掘等构成的综合决策支持系统，以及面向公众信息发布和跨部门信息交换与服务的社会服务系统。综合应用体系能够支撑管理者根据业务活动、管理决策需求，随时随地搜索定位问题引导的区域内水利对象的细节信息、在线处理和深入分析，促使形成泛在感知、即时响应、精准判断和知识发现、大数据治理等能力。

2.4 保障体系

保障体系是信息系统有序建设和持续稳定运行的基础，是信息系统发挥效益的根本要求，也是信息安全的根本保障。保障体系包括水利信息化建设各层面的技术标准规范，信息化资源共享管理的制度办法，网络与信息安全保障办法和措施，信息化工程建设与运行维护的管理办法，以及资金投入与信息化人才等。

3 水利信息化建设重点技术应用

基于水利信息化建设体系构想，围绕多元信息采集、资源整合共享、业务协同和创新应用等主要建设内容，分析物联网、云计算、主数据管理、大数据分析等技术应用的设计策略。

3.1 物联网技术与多元信息采集

对于物联网（Internet of Things）的构想源于物流业的发展需求，为了实现对物品的识别、管理和跟踪等功能，1998 年美国麻省理工学院（MIT）的 Auto-ID 实验室提出了以 RFID（Radio Frequency Identification）等识别技术和互联网为基础的物流网络[4]。经过多年逐步发展，国际电信联盟（ITU）在 2005 年提出物联网概念[5]，并给出“人与物，物与物信息交互和无缝连接”，“无所不在”，“泛在网络”等特征描述。尽管构成物联网的技术体系庞大，但本质上，在信息和通信（ICT）技术推动下，物联网以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理为目的。物联网由感知层、网络层、应用层构成技术体系，利用协同采集、网络融合、知识化处理等技术特征，共同促成智能化功能的实现。因此，物联网技术在许多领域得到了关注和发展，并推动以物联网为基础框架的“智慧”建设内容。

水利信息资源采集的完整性、灵活性、动态性和准确性直接影响和制约着水利工作效能，因此，需充分利用物联网技术的最新发展成果，构建以物联网为基础框架的多元信息采集体系。重点是将分散的不同业务系统中相对独立和内容单一的采集点，依据内容和业务相关，进行优化、补充和整合。具体包含：增设无线自组织网络和移动监测站点，扩展信息采集覆盖面和机动灵活性；优化整合已有信息采集资源，完善监测功能，实现多元采集与共享；分层汇聚多源数据，增加数据维数和粒度；同化分析多源监测数据，提高监测精度等。

3.2 云计算技术与资源整合共享

信息化正面效应显著，同时也带来高昂的建设和运行维护代价。鉴于此，Google 等公司于 2006 年提出云计算（Cloud computing）思路，通过为信息系统需求者提供即时、有效、低廉的信息化资源服务，降低建管费用。目前这种商业模式已成功推广应用，引起巨大影响。从技术层面看，云计算是分布式、并行、网格、效用等计算及虚拟化技术等一系列技术发展到一定阶段的产物。美国国家标准与技术研究院（NIST）认为云计算是基于网络按需使用共享资源的计算模式[6]。国内有学者认为云计算是将网络上分散的信息集中在强大的服务器端协同工作[7]。因此，云计算的核心特征是按需配置共享资源的计算模式，将网络资源，包括存储、计算、数据及软件资源描述为可配置共享的服务，典型模式如基础资源即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。

水利信息化资源整合困难，一直是影响整体效能充分发挥的主要制约因素。应充分利用虚拟化、云存储等技术的最新发展成果，实现水利信息化资源管理与服务能力的提升，具体可基于水利业务网，从国家、流域、省三级深入开展资源整合，以建设水利基础设施云为主，以公共资源云为补充，逐步构建三级多点分布联动的云计算环境，实现对分散独立的存储、备份、计算等资源的统一调度，管理和服务，促进集约化利用资源。基本架构如图3所示。

图3 云化资源环境示意图

3.3 主数据管理技术与业务协同

面对组织内部各业务系统分散，数据异构且质量不一，造成资源共享和业务协同的困难，在传统数据集成技术基础上，产生了主数据管理（MDM）方法和技术[8]。通过将域内各业务共同涉及的稳定数据进行标准化，形成贯穿各业务的权威、准确、一致的实体关系视图，从而实现跨业务数据共享与协同。主数据管理需要统一的元数据管理作保障，在统一的数据模型基础上，依据元数据系统管理和维护主数据。

复杂水问题往往涉及多业务部门，需要跨部门业务协同。从信息流层面看，水利业务协同的核心是能够按照水问题域，提取、重组和处理分散于各业务系统的相关信息，以满足综合决策需要。影响水利业务协同的主要原因是跨部门信息共享困难，而共享难的关键是业务数据间的异构、冗余、重叠和不一致等问题。依据主数据管理思路，需要从全局出发梳理横跨不同业务部门的信息资源，可从重点业务领域信息资源规划入手，建立横跨各业务的统一水利对象模型，形成一致的业务实体与关系视图。在此基础上，实现对水利业务主数据的一致收集、更新、维护，以及统一交换、分发。以“一数一源、一源多用”的数据管理模式，支撑水利业务协同。

3.4 大数据处理技术与创新利用

网络普及和信息化应用面持续扩大，行业应用陈述的数据呈爆炸性增长，迎来了大数据时代。研究机构 Gartner 认为大数据是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力、流程优化力的海量及高增长率和多样化的信息资产[9]。对于大数据的挖掘和运用，预示着新一波生产力增长和消费盈余浪潮的到来[10]。例如，Facebook 通过结合大量用户信息，定制出高度个性化的用户体验，并创造出一种新的广告模式；沃尔玛通过数据挖掘重塑并优化供应链等。

经过多阶段实施水利信息化建设，如，国家防汛抗旱指挥系统、全国水土保持监测网络和管理信息系统、水利电子政务等重大项目和水资源调查评价、水利普查等专项工作，以及各项日常业务工作等，均积累了丰富的数据资源，从总量上看已是几百 TB 的量级。因此，运用大数据技术，提升业务创新能力，是摆在水利信息化工作面前的新的挑战和机遇。可以结合国家水信息基础平台建设等专项工作，试点开展基于水利大数据的水治理途径；在水利信息化资源共享建设基础上，基于资源云化环境，探索运用大数据存储、整理、提炼和相关分析等技术；结合长期积淀的领域计算模型和知识，面向综合决策、分析预警、应急处置等场景，深入开展水利大数据处理和应用，促进“用数据说话、用数据管理、用数据决策”的水利大数据治理能力。

4 结语

国家信息化战略和治水方略的重大调整，以及水利深化改革的具体举措，对水利信息化提出更高要求。水利信息化工作需要进一步调整思路，合理布局，正确定位，明确方向，着手解决与水利发展要求不适应的紧迫问题。以信息能力为视角的水利信息化建设体系，将工作重心放在信息化资源的管理与服务方面，符合信息化发展的新内涵。依托现有水利信息化成果，充分利用现代信息技术，瞄准信息资源共享利用这一核心，深入开发利用信息资源，全面提升信息能力，必将有力推动“数字水利”向“智慧水利”转变，促进水利信息化跨越式发展，有力支撑水治理和水管理能力现代化进程。

[1] 中共中央办公厅，国务院办公厅.2006—2020 年国家信息化发展战略[M].北京：中共中央办公厅，国务院办公厅，2006: 1-2.

[2] 中国信息社会测评研究课题组.中国信息社会测评报告2014[J].电子政务，2014 (7): 67-76.

[3] 国际统计信息中心.中国与世界主要国家信息能力的比较[J].统计研究，2000 (4): 12-19.

[4] MA Huadong.Internet of Things: Objectives and Scientific Challenges[J].Journal of Computer Science and Technology,2011,26 (6): 919-924.

[5] ITU.Internet Reports 2005: The Internet of things[R].Geneva: ITU,2005.

[6] MELL P,GRANCE T.The NIST Definition of Cloud Computing[R].National Institute of Standards and Technology,2011.

[7] 陈国良，孙广中，徐云.并行计算的一体化研究现状与发展趋势[J].科学通报，2009,54 (8): 1043-1049.

[8] Alex Berson,Larry Dubov Master Data Management and Customer Data Integration for a Global Enterprise[M].New York :McGraw Hill Osborne Media,2007: 10-47.

[9] ITU.Kype Cycle for Big Data[R].Geneva: ITU,2012.

[10] 程学旗，靳小龙，王元卓，等.大数据系统和分析技术综述[J].软件学报，2014,25 (9): 1889-1908.

Construction Conceptions and Key Technologies about Water Resources Informatization during 13th Five-Year

LI Chenming1,ZENG Yan2,WANG Huibin1,ZHANG Lili1

(1.Hohai University,Nanjing 210098,China;
2.Water Information Center,the Ministry of Water Resources,Beijing 100053,China)

13th Five-Year is one important stage to push forward water resources modernization process and promote water safety guarantee capability.Based on major changes of informatization strategy and water control policy of China,and requirement about water resources informatization which is put forward by water deepening reform,it is necessary to anew comb and plan technology system and strategy of informatization construction combining with developmental feature of latest information technology.This paper analyzes the relationship between information developing process and capability of information ability raise,and obtains the meaning of water resources informatization construction in the current emergency of the improvement of the information capability.It also states 13th Five-Year water resources informatization construction and technical ideas whose central content is informatization resource management and service,and gives some suggestions on how to construct and implement about the important parts in detail.

water resources informatization;13th Five-Year;construction conceive;key technology;information capability;cloud computing;internet of thing;master data

TV21

A

1674-9405(2015)01-0009-05

2015-01-05

李臣明（1969－），男，蒙古族，内蒙古通辽人，博士，副教授，主要从事工作：复杂系统建模仿真，水信息学。