基于云计算的水资源智能App系统研究

梁生雄，冶运涛，王鲁江

（1. 福建省水利厅，福建 福州 350001；2. 中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038；3. 福建省水文水资源勘测局，福建 福州 350001）

基于云计算的水资源智能App系统研究

梁生雄1，冶运涛2，王鲁江3

（1. 福建省水利厅，福建 福州 350001；2. 中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038；3. 福建省水文水资源勘测局，福建 福州 350001）

以福建省水资源管理建设系统为例，基于云计算软件即服务（SaaS）的理念，提出水资源智能 App 构建模式。以水资源管理业务应用平台为基础，设计水资源智能 App 系统的总体结构；提出基于 UML 静态建模和动态建模相结合的 App 系统功能设计模型；基于 ExMobi 移动应用中间件，研发嵌入 iOS 和 Android 运行环境的App 应用平台，融合业务功能模型，构建基于云计算的水资源智能 App 系统，实现监测、综合、预警、应急信息管理，以及代办提醒、新闻与公告等业务功能，为水资源管理提供实时高效的移动信息平台。

水资源管理；水利信息系统；云计算；智能；App

0 引言

水资源管理系统建设是水资源管理现代化的重要标志之一，能有效解决水资源管理基础薄弱的问题，为支撑最严格水资源管理制度的实施提供重要支撑[1]。利用水资源管理系统快速准确地掌握水资源信息可以提高决策的科学性和准确性，同时对于落实水资源管理“三条红线”控制具有重要意义。随着移动互联网技术的飞速发展和智能手机终端的迅猛普及，在智慧流域框架内[2]，将智能终端融合在水资源管理工作中，开发水资源管理移动 App，拓展基于物联网的水资源感知延伸范围[3-4]，可以有效提升水资源管理系统的协同性、机动性和智能化水平，为突破传统的固定地点、时间、工作设备的水资源业务工作方式，创新水资源管理模式开辟新的途径。

近年来，国内外已经有不少研究和应用部门着手研制各类移动水利信息发布的应用系统。如美国奥克兰民防部门组织研发的智能手机 App，可以在诸如海啸、暴风和地震等自然灾害发生之前，向用户发出预警[5]16；德国、菲律宾等在抗洪减灾中使用社交 App，弥补了灾害警报系统的不足[5]16；台湾省台北市开发了“台北市行动防灾 App”[5]16；上海、浙江、江苏等省市也已经实验性地开发出以智能终端设备为载体的 App 防汛信息系统[6-9]；太湖流域也实验性地开发了移动水利信息 App 模块[10]；很多应用还扩展到实时水文模型的数据计算和模拟数据的实时获取与发布。综合现状分析，App 在水利中的应用主要集中在防汛信息系统，尚未普及应用，鲜有针对水资源管理研发的 App 系统；现有水资源管理系统多在计算机终端实现，采用 C/S 或 B/S 架构发布信息，改善了信息获取服务方式，但无法支撑远程移动办公、现场与水资源监控中心实时的互联互通。

为克服传统的水资源管理系统受时空限制导致信息获取及服务途径不灵活、工作效率不高的问题，以福建省水资源管理建设系统为例，基于云计算软件即服务（SaaS）的理念，提出水资源智能 App构建模式，并研发了 App 系统，成功部署在福建省及各设区市，提升了水资源业务办公效率。

1 水资源智能 App 系统总体架构

根据福建省水资源业务移动式办理和信息服务在移动设备的展现等新的特点及需求，以省与设区市两级水资源管理系统的应用支撑平台作为基础环境支撑，构建水资源管理移动应用系统，实现水资源业务的移动式办理，水资源信息服务的移动设备展现和预警信息的及时推送，从而提高办事效率，方便随时掌握水资源状况，提高应急事件处置的及时性。

福建省水资源管理移动应用系统是在福建省水资源管理系统的基础上，通过搭建移动应用中间件，对已实现的四大应用系统（水资源信息服务、业务管理、决策支持、应急管理等系统）和两大门户系统（水资源业务应用、信息服务等门户网系统）的部分功能模块实现移动终端设备的移植，总体架构如图 1 所示。福建省水资源管理移动应用系统架构于福建省水资源管理业务应用平台之上，主要由移动应用服务器端和客户端 2 部分组成。

图 1 福建省水资源管理移动应用系统总体架构图

1）移动应用服务器端。服务器端主要负责解决管理、后端（企业业务系统）与网络服务的集成问题，其逻辑功能分为管理（Manager）与业务引擎（Engine）2 部分。其中统一的 Manager 负责提供应用、升级、接入控制等业务管理功能，以及用户管理、认证鉴权、安全策略、系统配置等运营管理功能；Engine 用来处理与企业的后端集成及通信、推送、位置等网络服务。根据应用场景的不同，Engine又分为基础核心（BCS）、通信能力（CAS）、文档转换（DCS）、推送通知（PNS）、基于位置（LBS）、推送邮件（PMS）等 6 个独立的服务。服务之间采用 SOA 的松耦合模型，功能扩展方便；大规模部署时，也可以针对特定服务有针对性地提升处理能力。

2）移动应用客户端。客户端主要为开发者解决跨平台、本地数据处理、终端及第三方能力的集成问题，并为最终用户提供统一的交互与管理界面。App 系统业务功能包括监测、综合、预警、应急信息管理，以及代办提醒、新闻与公告等。

2 水资源智能 App 应用平台研发

2.1 App 系统数据库概念模型

在水资源的开发利用及监控管理过程中，根据业务功能的不同，将水资源管理数据库中的表分为信息服务、调配决策支持、应急调度、业务管理信息 4 类，设计了数据库的概念模型，传感器和辅助设备的概念模型分别如图 2 和 3 所示，图 2 和 3 中的表都来自综合数据库中的监测数据库。

图 2 监测设备基础信息（传感器）

图 3 监测设备基础信息（辅助设备）的概念模型

2.2 App 系统功能模型

采用静态建模和动态建模相结合的方式进行App 系统的建模，其中静态建模采用实体和控制等关系的类图描述，动态建模采用序列图描述。类图和序列图采用统一建模语言 UML 描述，对监测、综合、预警、应急和业务等信息服务及新闻公报服务功能部件，利用 UML 建模工具 Rational Ros Enterprise Edition 绘制。

2.3 App 平台构建技术

目前智能型手机应用以 Google Android 与 Apple iOS 两大操作系统为代表，福建省水资源管理移动应用平台以这 2 个平台为主。移动应用平台的应用方式主要有 Web App 和 Native App 2 种，2 种方式各有优缺点。Native App 客户端开发工作量大，软件升级和维护比较麻烦，每次版本更新都需要向官方市场提交审核，开发者需要针对不同的操作系统和分辨率的终端进行适配开发工作，但目前，其性能和用户体现都很难被 Web App 取代。Web App 服务器端的开发工作量大，逻辑复杂，需要在更多设备上进行测试，前端技术尚未标准化，难使用设备的特性（传感器、GPS 定位、本地文件系统等）。考虑到Web App 的标准化和扩展性难度较大，据福建省水资源管理系统开发的特点，本系统采用 Native App方式，利用移动中间件 ExMobi 开发实现。

ExMobi 移动应用开发中间件由 ExMobi 客户端、服务端及 MBuilder 集成开发工具等组成，通过全面的数据集成技术和丰富的跨平台客户端展现能力，将业务系统快速、安全、高效地移植于移动终端。ExMobi 从开发（IDE 环境）、集成（IT 系统对接、云服务）、打包（各个操作系统的应用打包）、发布（应用的运行）、管理（日志、更新管理）上提供了一整套的解决方案。

基于 ExMobi 移动中间件的福建省水资源移动应用平台体系结构如图 4 所示，由以下几部分组成：

1）智能终端访问层。由基于 iOS 和 Android 操作系统的移动终端设备组成，提供移动应用服务的请求、用户交互与结果展示。

2）无线网络接入层。是移动终端和业务应用服务平台通讯的物理基础，可以利用 Wi-Fi，2G，3G，4G 等基础网络服务。

3）移动平台服务层。采用 ExMobi 服务端、客户端及开发等组件提供服务。ExMobi 服务端组件主要负责解决管理、后端与网络服务的集成问题；ExMobi 客户端组件主要为开发者解决跨平台、用户图形界面开发、本地数据处理、终端及第三方能力的集成问题，并为最终用户提供统一的交互及管理界面。开发组件 MBuilder 是基于集成开发环境Eclipse 定制开发的专用集成开发工具，主要用来解决移动应用的开发、调试、打包问题，可以大幅度提供开发者在程序开发、调试、测试及发布环节的开发效率，并通过云托管平台的协作，解决移动应用的测试与发布问题。

4）数据持久/支撑层。为平台核心组件、业务和增值应用，提供一个统一、安全和并发的数据持久机制，完成对各种数据持久化的编程工作，并为平台服务层提供服务。该层提供了数据访问方法，并定义好数据接口及远程数据抓取规则，方便平台在部署中的应用与服务集成。

移动 App 系统运行原理如图 5 所示，ExMobi 服务端获取到客户端的上行指令后，根据微软 MAPP计划中的路由控制器找到处理该命令的 JSP，在 JSP中请求第三方系统并把响应结果格式化为客户端识别的语言（UIXML，JSON，XML 和文档等数据格式），并下行给客户端进行展示。

图 4 移动 App 体系结构

3 水资源智能 App 系统功能实现

福建省水资源管理移动应用系统总体功能结构如图 6 所示。

3.1 监测信息功能实现

该功能模块将福建省水资源管理系统中汇集到的各类水资源相关监测及其汇总的信息在智能手机终端、PDA 等移动终端设备上查询展示。

3.1.1 取用水监测信息

用于实时查看监测系统采集的主要取水户的取水情况、分区域分时段的取水统计数据、各取用水户对应取用水监测站的水位和流量等信息，通过统计图、过程线、表格等多种样式展示。

3.1.2 降水量监测信息

提供对降雨量监测站点的实时雨量及日、月、年降雨量汇总等数据根据给定条件查询功能，并绘制降雨趋势过程线图，反映降雨量变化趋势情况。

3.1.3 集中供水水源地监测信息

主要展示集中供水水源地监测站点实时监测的水位、流量信息，以及基于实时监测数据汇集的集中供水水源地日、月、年供水量信息，包括表格、统计图、过程线等展示方式。

3.1.4 水功能区监测信息

主要提供对水功能实时监测的水情、水质信息的查询展示，方便相关使用人员及时掌握水功能区的水情及水质状况，包括表格、统计图、过程线等展示方式。

图 5 移动 App 系统运行原理

图 6 福建省水资源管理移动应用系统功能结构图

3.1.5 地表水取水口监测信息

主要提供对地表水取水口的实时流量监测信息的查询展示，同时对实时信息进行整编，并将整编后的取水量信息进行展现。

3.1.6 地下水取水井监测信息

主要对地下水取水井的水位、流量实时监测信息进行查询展示，同时对实时信息进行整编，并将整编后的开采量信息进行展现。

3.1.7 入河排污口监测信息

主要提供对入河排污口实时监测的流量、水质信息的查询展示，方便相关使用人员及时掌握入河排污口的排污量及水质等信息，有表格、统计图、过程线等展示方式，包括排污量和排污口水质等监测模块。

3.1.8 河道断面监测信息

主要提供对河道断面实时监测的水情、水质信息的查询展示，同时对基于监测信息汇总的河道断面的水量信息进行查询展示，方便相关业务人员及时掌握河道断面的水情、水质及水量信息，包括表格、统计图、过程线等展示方式。

3.2 综合信息功能实现

对水资源现状、开发利用和保护等信息结构化处理后，采用图、表等多种形式综合展现，直观反映三条红线指标信息，以及水资源现状、开发利用、保护等方面信息。

3.2.1 红线指标信息

主要提供对水资源三条红线指标及基于三条红线的考核结果等信息的展示，具体包括三条红线年度、规划目标信息，以及年度考核结果信息。

3.2.2 水资源现状信息

主要提供对降雨量、地表地下水资源量、出入境和大中型水库的蓄水量等信息的查询。

3.2.3 水资源开发利用信息

主要提供对许可水量、供水量、用水量等情况的查询展示。

3.2.4 水资源保护与规划

主要提供对水质和水功能区的评价、入河排污口的排污量及水生态保护等信息的展示。

3.3 监督预警功能实现

主要针对三条红线监督预警，对用水总量控制、用水效率、水功能区纳污控制三条红线进行指标红线及预警信息的展示，实现红线可见，现状可监。

本功能模块以图表形式为用户提供统计分析和数据管理功能，并将相关功能在移动终端设备上进行查询展示，使得相关领导和业务人员能够随时随地查看水资源相关预警信息，便于及时处置预警，提高业务处理和事件响应效率。

用水总量功能实现对年度取用水总量的监督，通过对取用水总量相关各指标项的计划值、红线指标值与实际值进行比对分析，形成监督结果。取用水总量在不同的范围区间以不同的颜色预警。

万元工业增加值用水量下降率和农田灌溉有效利用率及水功能区达标率功能，实现对年度万元工业增加值用水量下降率、农田灌溉有效利用率、水功能区达标率的监督，通过对红线指标值与实际值比对分析，形成监督结果，同时可设定预警阈值，根据预警阈值进行预警分析。

3.4 应急信息功能实现

水资源应急信息服务于突发灾害事件时的水资源管理工作，针对不同类型突发事件提出相应的应急响应方案和处置措施，最大程度地保证供水安全。

本功能模块主要实现对水资源相关应急预案、事件及处置、案例等信息进行移动终端设备上的查询展示，使得相关领导和业务人员能够随时随地查看应急信息，便于及时处置应急事件，提高应急事件的处理能力和响应效率。

3.5 代办提醒功能实现

为提高办事效率，实时查询业务申请的办理情况，及时对未处理事项进行处理，App 系统提供移动终端代办提醒功能，对最新产生的代办事宜，及时生成代办提醒信息发送至相关人员的移动终端设备，移动终端设备接收到代办提醒信息后采用闪烁及声音提醒的方式通知终端使用人员，从而保证代办事宜得到及时处理。移动终端只进行代办提醒，并不进行实际业务办理。

本功能模块主要对取水许可、水资源论证及入河排污口设置同意等行政许可事项进行代办提醒。

3.6 新闻与公告信息实现

新闻与公告服务模块主要实现水资源相关重要新闻和通知公告信息在移动终端设备的查询展示，包含最新通知和工作动态 2 部分内容。

4 水资源智能 App 系统应用

水资源智能 App 系统客户端软件只需一键安装到移动终端设备，系统移动服务器端利用 Web Service 技术，可以在不同地域、操作系统和数据库管理系统上建立多个水资源信息源，实现分布式部署，这不仅充分保障了水资源信息的安全可靠，还有效解决了单点数据源承载过多客户端导致响应缓慢的问题，实现了终端应用层的信息融合共享。

福建省水资源智能 App 系统在福建省和 8 个设区市已完成定制部署。按照“全集开发、子集定制部署”的总体思想，先开发适用于省及设区市移动应用系统的通用功能，再根据各自特点进行个性化定制。定制部署过程分为以下 3 个阶段：第 1 阶段，基于通用福建省水资源移动应用系统定制部署省级水资源移动应用系统，并进行相关配置、测试，根据发现的问题完善通用移动应用系统；第 2 阶段，选择 1 个基础较好的设区市进行设区市移动应用系统定制部署的试点，通过该试点设区市的定制部署进一步完善移动应用系统；第 3 阶段，对其他7 个设区市进行定制部署。

5 结语

目前的水资源管理系统仍是采用固定终端的应用服务方式，限制了业务管理人员和社会公众的办公和办事效率提升。随着移动互联网和智能移动终端的逐步普及，以及水资源管理移动式办公、信息主动式服务及信息及时推送的需求，利用 App 模式改进完善现有水资源管理系统成为信息系统发展方向，但是目前尚无成功经验借鉴。本研究以福建省水资源管理系统为例，结合三条红线控制移动化服务需求，分析了业务应用平台可以在移动终端设备移植的功能结构，结合云计算 SaaS 理念，提出了通用型的水资源智能 App 的总体架构。在利用统一建模语言 UML 建立移动应用系统的数据库概念和功能模型的基础上，以福建省水资源管理系统的应用支撑和数据资源管理等平台作为环境支撑，研发了支持 Android 和 iOS 操作系统的水资源智能 App 系统，实现了监测、综合、预警、应急信息管理，以及代办提醒、新闻与公告等功能。研发的 App 系统采用“全集开发、子集定制部署”的总体思想，已成功定制部署在福建省和 8 个设区市，证明了水资源智能 App 系统构建模式的可行性和实用性，并得到《国家水资源监控能力建设项目实施方案（2016—2018年）》采纳。以后还需要在多租户并发、2D/3D 一张图、水利专业模型向移动终端移植等方面开展深入研究。

[1] 蒋云钟，万毅. 国家水资源监控能力建设功能需求及实施策略[J]. 中国水利，2012 (7): 26-30.

[2] 蒋云钟，冶运涛，王浩. 智慧流域及其应用前景[J]. 系统工程理论与实践，2011, 31 (6): 1174-1181.

[3] 蒋云钟，冶运涛，王浩. 基于物联网的流域水资源智能调度技术刍议[J]. 水利信息化，2010 (4): 1-5.

[4] 蒋云钟，冶运涛，王浩. 基于物联网的河湖水系连通水质水量智能监控及应急处置系统研究[J]. 系统工程理论与实践，2014，34 (7): 1895-1903.

[5] 王乃跃，张帆.“智慧水利”应重视手机 App 的应用[J].中国水利，2014 (7): 16-17.

[6] 虞开森，骆小龙，余魁. 基于 iphone 的防汛掌上通平台设计与应用[J]. 水利水电科技进展，2010，30 (6): 74-77.

[7] 黄康，虞开森，俞志强，等. 面向服务的防汛 GIS 支撑平台设计与实现[J]. 浙江大学学报（理学版），2011，38 (4): 456-460.

[8] 谈晓珊，高军. 基于 Android 的移动水利信息查询平台设计与实现[J]. 江苏水利，2015 (8): 38-40.

[9] 黄孔海，邱超,，虞开森，等. 基于 WebGIS 的实时水情信息发布与预警系统的设计与实现[J]. 水文，2006，26(4): 73-77.

[10] 赵杏杏，张晓祥. 移动水利信息 App 模块的设计与实现[J]. 测绘工程，2014，23 (7): 46-50.

广告索引

南瑞集团水利水电技术分公司 封 2

江苏南水科技有限公司 封 3

岛津企业管理（中国）有限公司 封底

Study on smart water resources App based on cloud computing

LIANG Shengxiong1, YE Yuntao2, WANG Lujiang3
(1. Fujian Provincial Department of Water Resources, Fuzhou 350001, China；2. Deparment of Water Resources, China Institute of Water Resourcesand Hydropower Research, Beijing 100038, China；3. Hydrologyand Water Resources Survey Bureau of Fujian Province, Fuzhou 350001, China)

Taking the water resources management information system of Fujian provinceasa case, the paper systematically introduces the SaaS idea to presenta kind of construction mode of smart water App. The systemarchitecture of smart water App is designed based on business Application platform of water resource management. And its functional model is proposed by combining the methods of UML static modelingand dynamic modeling. Within this framework,a mobile Application middleware ExMobi is used to developan Application platform running on the operation environment of iOSand Android. And then the business function model is embedded into the mobile Application platform to constructa smart water App system based on cloud computing. It realizes the functions of information management of the monitoring, integrated, early warning, emergency, remindagents, newsandannouncements.

water resource management; water resources information system; cloud computing; smart; App

TV21

A

1674-9405(2017)02-0005-07

10.19364/j.1674-9405.2017.02.002

2016-09-18

国家自然科学基金项目（51309254）；福建省水资源管理系统（一期）（闽发改高技[2012] 884 号）；中国水利水电科学研究院重点专项（WR0145B27 2016）

梁生雄（1973-），男，福建尤溪人，本科，主要从事水资源方面的管理工作。