聞琛陽(yáng)　姚娟

【摘要】 智慧流域是在智慧地球概念下局部的、專業(yè)化的智慧系統(tǒng)，是水利信息化的高端、集成和深度應(yīng)用。要開展智慧流域研究，需要充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，并在云平臺(tái)上研究開發(fā)與應(yīng)用。本文主要探討為智慧流域研究提供云平臺(tái)的支撐方案。

【關(guān)鍵詞】 智慧流域 云計(jì)算 物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)

一、智慧流域的概念

智慧流域是指把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用于流域綜合管理，把傳感器嵌入和裝備到流域各個(gè)角落的自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的各種物體中，并通過(guò)普遍連接形成流域物聯(lián)網(wǎng)；而后通過(guò)云計(jì)算將流域物聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，以多源耦合的氣象水文信息保障平臺(tái)、二元水循環(huán)及伴生過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)、水資源數(shù)值調(diào)控平臺(tái)、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺(tái)、流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)等為支撐，并將其與數(shù)字流域耦合起來(lái)，完成數(shù)字流域與物理流域的無(wú)縫集成，使人類能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式對(duì)流域進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理，從而達(dá)到流域的“智慧”狀態(tài)。

二、智慧流域研究的主要內(nèi)容以及意義

智慧流域研究包括智慧流域框架體系研究、流域立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)用研究、流域?qū)I(yè)模型集成以及三維仿真、云存儲(chǔ)云服務(wù)技術(shù)研究。

云計(jì)算服務(wù)方式可以支撐智慧流域的存儲(chǔ)、建模、處理等各環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)智慧流域云計(jì)算功能，解決信息孤島與重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題，充分利用網(wǎng)絡(luò)取得遠(yuǎn)方的計(jì)算資源，通過(guò)后端的大型云計(jì)算中心同時(shí)為眾多用戶服務(wù)。

三、云平臺(tái)對(duì)智慧流域的支撐作用

3.1物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、RFID標(biāo)簽和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。

通常，物聯(lián)網(wǎng)的開展步驟首先是對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí)，接著通過(guò)識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，最后將信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，由處理中心完成相關(guān)計(jì)算。

智慧流域根據(jù)實(shí)際需求，在物聯(lián)網(wǎng)的感知層采用以傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、視頻監(jiān)控等新技術(shù)，按流域立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)要求布設(shè)傳感裝置，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信道傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于智慧流域的應(yīng)用最核心的是對(duì)于水資源數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)以及將采集監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至后端云平臺(tái)。水資源數(shù)據(jù)的采集主要是結(jié)合長(zhǎng)江流域內(nèi)河段、支流、小流域特點(diǎn)，重點(diǎn)采集水文、水生態(tài)、水環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)則主要包括降水、蒸發(fā)、徑流（水位，流量，流速），泥沙含量，水質(zhì)，土壤含水量等；水生態(tài)數(shù)據(jù)主要包括水體的溶氧、PH值、氨氮含量、亞硝酸氮含量等；水環(huán)境數(shù)據(jù)主要指各類污染的相關(guān)數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、雪深、雪壓、日照、地溫、水溫等。

3.2大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)，是指所涉及的資料量規(guī)模巨大到無(wú)法通過(guò)目前主流軟件工具，在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策更積極目的的資訊。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義在于對(duì)這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理。

大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)有四個(gè)層面，即Volume（大量）、Variety（多樣）、Velocity（高速）、Value（價(jià)值）。

從技術(shù)上看，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的關(guān)系密不可分。它的特色在于對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，但它必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)。

對(duì)于智慧流域研究，大數(shù)據(jù)的4V特性體現(xiàn)在其一，大量的實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)采集的地理信息、野外觀測(cè)數(shù)據(jù)、云圖、水文信息等，包括眾多數(shù)據(jù)的歷史積累量；其二，智慧流域的研究與建設(shè)涉及的數(shù)據(jù)類型繁多，如各類水資源數(shù)據(jù)等；其三，面對(duì)通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的處理、分析、仿真等，其高速的處理速度；其四，提供有價(jià)值的結(jié)果數(shù)據(jù)或者提煉出用戶需要的數(shù)據(jù)。

3.3云計(jì)算

智慧流域是流域研究的長(zhǎng)期演進(jìn)過(guò)程，而在建設(shè)過(guò)程中所采用的云計(jì)算技術(shù)是這個(gè)過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以加速和幫助實(shí)現(xiàn)智慧流域。

通過(guò)云計(jì)算，將流域或河流模擬程序拆分成無(wú)數(shù)個(gè)較小的子程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交由分布式計(jì)算機(jī)所組成的龐大系統(tǒng)搜索、計(jì)算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶，整個(gè)計(jì)算過(guò)程只需要幾秒就能完成。這意味著對(duì)局部河段或者流域干流的高精度的三維模擬從理想變成現(xiàn)實(shí)。

云存儲(chǔ)是以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)。通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)，流域中的原型觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及流域管理的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)將不再受制于硬盤空間。

云平臺(tái)不僅可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力，提供大量的存儲(chǔ)資源，而且能為社會(huì)公眾用戶與專業(yè)用戶，包括研究人員提供在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的云訪問(wèn)，使其可以獲取智慧流域計(jì)算統(tǒng)計(jì)的成果數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式可以根據(jù)實(shí)際研究和應(yīng)用的需求表現(xiàn)為圖、表、文檔以及三維仿真等。

四、智慧流域?qū)υ破脚_(tái)的資源需求

云平臺(tái)配置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括交換機(jī)、防火墻和負(fù)載均衡設(shè)備，將智慧流域系統(tǒng)部署在云平臺(tái)上，可考慮利用云平臺(tái)的防火墻實(shí)現(xiàn)智慧流域系統(tǒng)的地址轉(zhuǎn)換，將智慧流域平臺(tái)的內(nèi)部私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)地址。針對(duì)智慧流域所需要的分布式的高速數(shù)據(jù)處理，將業(yè)務(wù)合理的分配到多個(gè)虛擬機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，云平臺(tái)可以通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的負(fù)荷分?jǐn)偂?/p>

云平臺(tái)可為智慧流域提供資源動(dòng)態(tài)伸縮，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源的網(wǎng)絡(luò)冗余，即智慧流域系統(tǒng)的任一資源節(jié)點(diǎn)異常宕機(jī)（虛擬機(jī)或物理機(jī)），都不會(huì)導(dǎo)致智慧流域業(yè)務(wù)的中斷，也不會(huì)導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)的丟失。同時(shí)，云平臺(tái)可根據(jù)智慧流域的系統(tǒng)軟件部署特點(diǎn)，為不同的軟件模塊按精簡(jiǎn)模式或是厚置備模式分配虛擬機(jī)資源。

精簡(jiǎn)模式，即是按實(shí)際需要分配的CPU、內(nèi)存資源分配虛擬機(jī)資源，可提高資源利用率；利用虛擬化的精簡(jiǎn)模式，可以先分配一個(gè)最大化的虛擬資源，但是該虛擬機(jī)的實(shí)際資源為實(shí)際使用的大小，根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際資源占用率的增大而增大。

而虛擬化的厚置備模式，相對(duì)來(lái)說(shuō)，資源的占用則比較固定，不會(huì)因云平臺(tái)其他業(yè)務(wù)的并發(fā)量的增大而受到影響。對(duì)于與業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度高的服務(wù)器，可考慮按厚置備模式由云平臺(tái)分配虛擬機(jī)資源；而對(duì)于與業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度相對(duì)較低的服務(wù)器，可考慮按精簡(jiǎn)模式由云平臺(tái)分配虛擬機(jī)資源。

考慮到智慧流域系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，為實(shí)現(xiàn)其快速、平滑的可擴(kuò)展性，建議智慧流域系統(tǒng)部署在云平臺(tái)后，采用集群版本部署，核心服務(wù)器采用N+1集群部署。如此，通過(guò)云平臺(tái)不僅能實(shí)現(xiàn)硬件資源的可靠備份，而且可以實(shí)現(xiàn)軟件和應(yīng)用的可靠備份。當(dāng)智慧流域系統(tǒng)的虛擬機(jī)因硬件問(wèn)題出現(xiàn)宕機(jī)時(shí)，云平臺(tái)可立即通過(guò)虛擬化軟件的漂移技術(shù)在其他物理機(jī)上進(jìn)行重建，使業(yè)務(wù)不中斷。

針對(duì)智慧流域具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，云平臺(tái)可為智慧流域提供可靠的存儲(chǔ)資源。在智慧流域發(fā)展的初期，建議云平臺(tái)為智慧流域提供SAN存儲(chǔ)，不同的數(shù)據(jù)采用不同的RAID方式，核心數(shù)據(jù)建議采用RAID0+1方式部署，非核心的數(shù)據(jù)采用RAID5方式部署。當(dāng)智慧流域發(fā)展到一定階段時(shí)，若SAN存儲(chǔ)難以滿足其存儲(chǔ)空間或者讀取速度時(shí)，可考慮在云平臺(tái)上采用分布式的存儲(chǔ)方式。

五、小結(jié)

構(gòu)建智慧流域需要物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)完成氣象、水文、空間地理、工程設(shè)施等數(shù)據(jù)的綜合處理與分析，更需要在分析計(jì)算、成果發(fā)布、信息服務(wù)等方面得到云平臺(tái)的支撐；數(shù)據(jù)處理是管理智慧流域運(yùn)作的基礎(chǔ)。要研究智慧流域中涉及多源海量數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)服務(wù)模式；實(shí)現(xiàn)智慧流域云存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)分配和部署共享的存儲(chǔ)資源。創(chuàng)建基于ArcGIS Server為智慧流域服務(wù)的私有云，為流域用戶提供一個(gè)地理信息資源整合利用的平臺(tái)。

[作者簡(jiǎn)介]

電話：18907185260

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蔣云鐘.冶運(yùn)濤.王浩. 智慧流域及其應(yīng)用前景.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐. 2011.31（6）

[2] 周力峰.劉文.張治中.云計(jì)算在水利科研信息化中的地位和作用.中國(guó)（國(guó)際）水務(wù)高峰論壇在線-2014第二屆中國(guó)水利信息化與數(shù)字水利技術(shù)論壇（論文集）