基于私有云平台的高寒区长距离供水工程预警预报系统研发与应用

马爱华，王怀义，何建村，李 卓

(1.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049；2.新疆水利水电材料工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830049；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

1 私有云平台的技术特点

私有云平台是为用户单独使用而构建的云数据运用与计算分析平台，在建筑设计施工、电网建设、城市地下管线管网管理、城轨票务管理等领域已有初步应用[1-4]。它不仅具有一般云计算平台的高扩展性、超大规模性、高可用性、低成本的优势[5]，而且与公有云平台相比较，在数据存储、资源配置、共享服务上具有更大优势，具体体现在数据的安全性以及服务质量的自我有效管控，能与内部其他相关计算机软件管理系统进行打通连接，从而更有利于工程和项目内部系统的集成管理。私有云以其安全性高、使用性好、不影响现有IT流程等特点[6],成为本项目选择这种云服务模式的根本原因。

长达数百公里高寒区渠道供水工程的预警预报监测涉及数以百计的监测断面和数以千计的监测仪器，以及大量人工不定期的移动观测和应急观测活动，必将产生海量时间序列与空间特性的预警预报信息数据。系统运维依托现有工程管理部门的支持，但管理站所众多，位置分散，人员专业技术水平不一，为了满足不同计算机水平的工程管理人员使用需求，系统要有较好的适应性和稳定性。预警预报系统拓展和功能完善，现有工程的监测设施一并接入系统，要尽可能保证原有监测系统的独立性和原有系统的IT流程完整性。结合客观使用环境条件和私有云平台的技术特点，本文针对本系统私有云平台的搭建进行了深入研究。

2 总体架构与系统功能

本系统的研发根据数据来源复杂性、多样性、多源性的特点，充分考虑信息数据融合表达的兼容性和扩展性，以及未来系统的发展需求，采用B/S(浏览器和服务器)架构进行设计和实现，浏览器端是用户操作系统的接口，用户通过界面向服务器端提出请求，并对服务器端返回的结果进行处理并展示，系统的逻辑功能通过浏览器界面更好地表现出来。服务器端提供包括操作等在内的数据服务功能，把数据处理结果返回中间层，结果显示在浏览器端系统界面上。整个系统在基础地理信息的“一张图”展现，实现多源数据集合，构建统一的综合管理平台。系统在逻辑上分为五层架构即：基础层、数据层、应用层、业务层、用户层。

3 关键技术

3.1 多源数据处理流程及策略

本系统的数据来源复杂，既有人机交互采集的数据、也有众多国内外厂家仪器的自动采集数据，还有计算分析数据等，系统前端——后台数据传输交换频繁。多源数据的传输接口程序采用javascript和php编程语言处理，在确保数据保密的前提下，实现前端——后台数据信息的自动交换处理，复杂的数据处理流程和策略通过数据文件传输路径标准化和数据结构标准化的技术实现。描述如下：

(1)数据文件传输路径标准化，用户通过web前端、移动端交互数据到私有云平台，前端——后端数据模块根据需要从私有云服务器下载监测数据文件到本地服务器，监测数据的标准化程序对文件信息进行标准化处理后进行质量分析，得到数据质量分析结果，这些数据和通过预处理数据进行预警预报模型解算的结果汇总归档后上传云端服务器，用户登录web前端、移动端可以查看和下载详细的处理成果，系统的数据文件传输路径在一个设定的闭环标准线路运行。

(2)数据结构标准化是实现数据有效传输的前提条件，保证系统内各种数据库的封装有效性。传感器监测采集设备的数据结构标准化是整个系统中的重点，本项目中涉及各类监测仪器设备，生产厂家不尽相同，每个厂家对各自的监测仪器和设备所采集的原始数据及计算数据均有不同的命名规则，存储格式不尽相同，匹配的商业软件平台在信息模型的存储和表达方式上也有很大差异，有txt格式、SQLserver格式、Excel格式、二进制数据格式等，相互之间数据接口不能友好的支持，这些数据的标准化处理，将通过云平台中的ODBC数据库和ETL数据工具在系统数据文件标准化传输路径逻辑模块上进行标准化处理。

3.2 基于多维精准预警预报数学模型的构建技术

高寒区长距离供水工程警情复杂，种类众多，在获取大量监测数据后，构建科学合理的数学模型是解决预警预报问题的关键，项目团队深入研究供水渠道工程的冻胀破坏计算模型，优化统一预警预报信息(人工监测信息和仪器自动监测信息)提取与预警模型一致的量化尺度，利用计算机软件分析时间、空间序列的水-(岩)土-温(度)-(应)力-(应)变等多因素变化规律和相互关系，建立多维度的综合预警预报模型[7]。渗透失稳破坏预警预报等其他模型的构建均采取类似方法，通过多维预警指标体系建立和阈值确定的前置路径，预警指标影响排序和预警等级判断的后续路径流程完成。预警指标体系的建立，解决了单一预警预报信息的特征样本难以建立准确的预警结果、存在多解性等问题，而多维度预警预报信息逻辑判断构成的预警指标体系，提高了预警的可信度。这样的数学建模流程消除了渠道周围环境影响，减少了仪器工作干扰和人工监测缺陷的制约，增加判断冗余，可在底层程序设计上避免漏判、误判的可能。随着后续研究深入，统一的建模流程将使得更多种类的工程破坏预警预报数据模型拓展变得方便易得。

3.3 面向多用户多终端的组合开发技术

多用户多终端组合开发满足不同应用场景、多断面多点监测、人工频繁现场巡检等技术需要，主平台和移动端平台采用不同架构开发。主平台采用浏览器/服务器(B/S)架构、集成了多样化的分析计算工具，满足自动监测仪器采集分析数据性能需求，实现了本系统的所有功能；移动端则采用了基于IOS和 Android架构的APP开发，实现人工便捷和实时采集数据的输入，以及对工程信息、预警信息等及时掌握和处置。多终端应用开发模式提供了一个完整、可伸缩的系统平台，为预警预报系统提供了多样化的应用工具。系统数据库中的各类结构化图表数据以及地图、工程图纸、三维实景等非结构化数据的内容展示，都可以通过Web端浏览器和手机APP两套不同的展示方式进行展现。这一关键技术的运用使得便捷化业务应用和大量高并发访问需求问题变得结构清楚、层次分明、效率迅捷。

3.4 多库合一的“一张图”建置技术

“一张图”是基于统一的地理空间[8]研发的预警预报平台，以国土资源系统开源基础影像本底为基本框架，通过上述统一标准和汇交管理的数据机制，全面整合和沉淀各类预警预报信息数据，面向预警预报业务监测巡查、综合监管和工程服务目标，集基础地理信息、工程信息、监测信息、预警预报信息等各类数据而构成，建立16个专题数据库，形成覆盖全面、内容丰富，反映供水渠道实时健康监测状况的“电子沙盘”。通过建立统一标准和共享机制，实现多源数据的统一集中、规范管理，分层展示、按需展现的功能。并在此基础上，无缝衔接供水渠道原有的监测平台，拓展预警预报系统平台，从而有效提升工程的预警预报效能。图属一体化展示、图数联动更新是“一张图”管理的特性，在“一张图”上任选一地点，该地点的工程信息直观显示出来，通过快捷缩放点选工程断面，该断面的监测仪器设置情况、工程断面基本信息、实时监测信息等都能及时根据层级和勾选状态进行呈现，进一步在工程平面图和断面图上点选监测点位，相关监测仪器的参数状态、历时监测信息、历史预警信息一并根据需要勾选显示。“一张图”的建置技术解决了数据信息多库合一和数据分层次显示的矛盾，使得图形图像展示层次清晰、避免了信息展现杂乱。

4 可视化平台系统实现与应用

作为高寒区长距离供水工程能力提升与安全保障技术研究项目的子系统之一，系统研发后已经过了多次运行测试和修改完善，运维在新疆北疆某长距离供水工程中处于供水工程预警预报应用服务的前列。系统基于上述关键技术，高效合理利用私有云平台，通过监测数据整合，充分挖掘预警预报信息数据，综合分析判别预警信息，及时给出预警级别，针对工程安全预报的需要，能够超前实现监测要素数据预估拟合。系统平台的设计理念和可视化的程序表达方法，使得数据的展现更直观，人机交互更加友好。通过工程实践运用表明，预警预报系统为工程运维和安全预警提供了可视化的工具，同时使得预警预报信息的获取更便捷，预警更精准，预报要素更全面，有效解决了高寒区长距离供水工程多源预警预报信息数据集成和多维度的综合预警预报模式应用的问题。在预警预报实践过程中，应用多种技术手段对监测成果信息的规范性、完整性、一致性、准确性进行核查和追溯，全部预警预报信息通过一个操作系统的可视化平台实现了供水工程预警预报“信息技术标准化、信息采集自动化、信息传输网络化、信息管理集成化、警情预报及时化”的技术目标。

5 结 语

建立在私有云平台的高寒区长距离供水工程预警预报系统，已实现了基于“一张图”框架下，对新疆某供水工程运维安全数据管理和预警预报功能构建。私有云平台提供的分布式计算空间时间分析功能，提高了分析效率，系统软件面向对象的设计理念和可视化的程序表达方法结合“按需使用，弹性调整”的云计算思路，保证工程智慧预警预报的有序进行，提高了工程管理效率，为该系统在同类工程的运用起到了示范作用。