水文信息化思路與總體框架設(shè)計探討

毛興華

（上海市水文總站，上海 200232）

0 引言

水文是國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作，通過監(jiān)測、分析水文水資源時空分布變化規(guī)律，為解決社會經(jīng)濟發(fā)展中的水問題提供科學(xué)依據(jù)。水文在服務(wù)防汛安全、水環(huán)境水生態(tài)治理、水源地選址論證、重大涉水工程規(guī)劃設(shè)計、水資源調(diào)查評價、應(yīng)急救災(zāi)等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。

隨著經(jīng)濟社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水文監(jiān)測分析由相對較少的降水、蒸發(fā)、水位、流量擴展到水質(zhì)，水生態(tài)，污染物輸移，水利工程運行調(diào)度等更多要素，綜合性明顯增強。傳統(tǒng)的技術(shù)手段難以適應(yīng)新形勢下高密度、大數(shù)據(jù)量、多用途需求的水文業(yè)務(wù)和管理，只有借助更先進(jìn)的理念和手段，才能適應(yīng)水文新發(fā)展。信息化是解決這一問題的關(guān)鍵[1-2]。

近幾十年特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，水文信息化取得了長足的發(fā)展，在支撐水文業(yè)務(wù)開展、服務(wù)水利建設(shè)和經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用[3]。但是和快速發(fā)展的信息技術(shù)相比，水文信息化的理念和思路仍顯得相對滯后，在一定程度上影響了水文發(fā)展。因此，有必要站在信息化發(fā)展全局的高度，厘清思路，構(gòu)建更加科學(xué)規(guī)范、合理可行的總體框架，明確水文信息化的發(fā)展方向和重點任務(wù)，有計劃、有步驟地推進(jìn)信息化建設(shè)。

1 水文信息化發(fā)展思路

1.1 基本原則

1.1.1 以業(yè)務(wù)為核心原則

水文信息化必須緊緊圍繞水文專業(yè)需求和技術(shù)問題，以提升效率、拓展功能為目標(biāo)，借助先進(jìn)信息技術(shù)，推進(jìn)水文工作更加高效、便捷。同時通過信息化手段，能夠提供更加準(zhǔn)確、可靠、豐富的水文信息服務(wù)，滿足各行業(yè)對水文的專業(yè)需求。水文信息化須牢牢植根于水文業(yè)務(wù)，深刻把握水文專業(yè)特色，緊緊圍繞水文業(yè)務(wù)進(jìn)行總體架構(gòu)和功能設(shè)計[4]。

水文信息化應(yīng)全面覆蓋水文站網(wǎng)及設(shè)施管理、監(jiān)測調(diào)查業(yè)務(wù)開展、數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量控制、查詢統(tǒng)計與分析計算、信息服務(wù)等水文業(yè)務(wù)的各個環(huán)節(jié)和流程，做到水文業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理。如果疏漏了某個環(huán)節(jié)，水文信息化就是不完整的，在實際應(yīng)用中就會存在安全性差、操作不流暢、可用性低的問題[5]。

對業(yè)務(wù)需求的透徹理解和準(zhǔn)確把握，是水文信息化的關(guān)鍵和難點。一方面，水文本身的專業(yè)性和流域區(qū)域間的差異性，導(dǎo)致水文業(yè)務(wù)需求存在顯著的獨特性，水文信息化設(shè)計和建設(shè)者如果缺少水文專業(yè)背景，往往很難準(zhǔn)確理解和把握這種獨特需求；另一方面，水文部門如果缺乏信息化項目的經(jīng)驗，對于信息技術(shù)的體系和發(fā)展動態(tài)缺乏專業(yè)認(rèn)識，就難以準(zhǔn)確表達(dá)需求，對于水文信息化體系架構(gòu)也缺少總體把控。這就需要既懂水文業(yè)務(wù)，又深入了解信息化的人員，通過反復(fù)調(diào)研溝通、磨合細(xì)化，才能開發(fā)出實用的水文信息化系統(tǒng)。

1.1.2 技術(shù)和理念先進(jìn)原則

水文信息化是以信息技術(shù)為支撐，以水文業(yè)務(wù)為核心的融合發(fā)展過程。信息技術(shù)具有發(fā)展速度快，技術(shù)和產(chǎn)品更迭頻繁，安全性要求高的特點。近年來隨著軟硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，技術(shù)性能得到大力提升，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)[6]、云服務(wù)[7-8]等理念正日益深入人心，信息系統(tǒng)日趨扁平化、綜合化、智能化。現(xiàn)代水文作為綜合性、應(yīng)用性的學(xué)科，應(yīng)積極引入先進(jìn)信息技術(shù)和建設(shè)理念，更好地支撐水文業(yè)務(wù)的開展。

水文信息化在智能感知、智慧應(yīng)用方面有較大的發(fā)展空間。智能感知方面要開展水文全要素、水利工程、監(jiān)測設(shè)備運行工況和環(huán)境狀況等監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)字化準(zhǔn)確實時監(jiān)測。智慧應(yīng)用方面要能更快速地解決傳統(tǒng)的水文統(tǒng)計分析問題，充分利用大數(shù)據(jù)資源和實時模型，挖掘分析水文要素的動態(tài)變化規(guī)律，并與相關(guān)的預(yù)警機制和調(diào)度方案無縫對接，成為整個水利智慧管理鏈條中的有機組成部分，為水利工作提供更有價值的技術(shù)支撐。

為適應(yīng)未來水文信息化的發(fā)展方向和要求，應(yīng)大力推廣高速無線網(wǎng)絡(luò)、高清視頻[9]智能識別、虛擬現(xiàn)實、移動應(yīng)用、邊緣計算等先進(jìn)技術(shù)。水文信息化的規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)在理念技術(shù)上都應(yīng)適度超前。

1.1.3 總體規(guī)劃分步實施原則

水文信息化應(yīng)遵循總體規(guī)劃分步實施的原則，立足于水文業(yè)務(wù)需求和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，做好頂層設(shè)計和總體規(guī)劃，將水文信息化系統(tǒng)作為水利信息化體系的有機組成部分，在區(qū)域水利信息化的框架之內(nèi)考慮水文信息化的總體架構(gòu)。

總體規(guī)劃應(yīng)著重考慮以下 3 個方面：1）充分利用區(qū)域水利的信息資源優(yōu)勢，特別是基礎(chǔ)信息服務(wù)、供排水監(jiān)測、水資源調(diào)度的數(shù)據(jù)資源，挖掘城市水文的綜合服務(wù)潛力。2）特別注意信息化不同層級之間的耦合性[10]，盡量摒棄傳統(tǒng)的一體化設(shè)計理念。耦合性體現(xiàn)在水文感知、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用和信息服務(wù)等之間的交互，通過中間接口而不是直接訪問的方式實現(xiàn)，能夠較大地提高水文信息化系統(tǒng)的穩(wěn)健性和拓展性，降低系統(tǒng)運維和升級更新的難度。3）樹立開放共享的理念，不斷完善數(shù)據(jù)共享機制，打破信息壁壘，暢通共享渠道，不斷提升共享水平。應(yīng)建立完善水文信息服務(wù)平臺，不斷豐富水文服務(wù)產(chǎn)品，提供更好的水文信息服務(wù)。

1.2 建設(shè)思路

水文信息化建設(shè)思路可以概括為信息匯聚、數(shù)據(jù)管理、專業(yè)應(yīng)用、聚焦服務(wù)。

1.2.1 強化數(shù)據(jù)匯聚和采集

數(shù)據(jù)是水文信息化的核心和基礎(chǔ)，水文信息化要做好水文及相關(guān)數(shù)據(jù)的匯聚和采集，以完備的信息資源支撐信息化發(fā)展。主要包括：完備的測站及設(shè)施設(shè)備、基礎(chǔ)地理等信息，以及實時自動監(jiān)測水文歷史、各類水文調(diào)查、水利行業(yè)等相關(guān)數(shù)據(jù)[11]。隨著技術(shù)的發(fā)展，水文智能監(jiān)測效率更高，要通過技術(shù)引進(jìn)，提供種類更多、顆粒度更小的水文信息，豐富水文智能感知的內(nèi)涵。

1.2.2 做好數(shù)據(jù)治理和支撐

數(shù)據(jù)質(zhì)量是水文信息化的關(guān)鍵，在做好匯聚和采集的同時，重點做好數(shù)據(jù)管理、質(zhì)控和使用。主要包括：1）數(shù)據(jù)庫規(guī)劃設(shè)計。要規(guī)劃好必要的數(shù)據(jù)庫，從業(yè)務(wù)關(guān)系出發(fā)設(shè)計好庫之間的邏輯關(guān)系，規(guī)范設(shè)計庫表結(jié)構(gòu)。2）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。要開發(fā)建設(shè)數(shù)據(jù)質(zhì)管平臺，通過實時監(jiān)控、異常報警、專業(yè)判斷等技術(shù)手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的智能處理，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。3）數(shù)據(jù)支撐平臺。數(shù)據(jù)支撐平臺在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層之間增加訪問層，通過訪問接口的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)定制化的數(shù)據(jù)服務(wù)，有效實現(xiàn)信息化系統(tǒng)的模塊化設(shè)計建設(shè)。

1.2.3 有效實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能

水文信息化是對水文業(yè)務(wù)的信息化實現(xiàn)和流程優(yōu)化再造，可用、實用、好用是評價信息化系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)。必須扎實做好水文業(yè)務(wù)需求梳理，并將業(yè)務(wù)需求用信息化設(shè)計開發(fā)的技術(shù)方法確認(rèn)，才能保證建成的系統(tǒng)有應(yīng)用價值。在業(yè)務(wù)功能開發(fā)中，要研究水文不同業(yè)務(wù)之間、同一業(yè)務(wù)的各環(huán)節(jié)中存在的冗余和不合理成分，通過信息化手段實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化和再造，提升水文工作效率。從現(xiàn)有水文業(yè)務(wù)需求來看，站網(wǎng)管理、測站運行監(jiān)控、運維監(jiān)管、數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計、分析計算、信息服務(wù)是關(guān)注的重點，需要著重考慮。

1.2.4 聚焦水文服務(wù)價值

水文是防汛安全、水環(huán)境水生態(tài)治理、水資源開發(fā)利用、水工程規(guī)劃設(shè)計等相關(guān)涉水工作的一個節(jié)點和環(huán)節(jié)，最終是為水利和經(jīng)濟社發(fā)展提供技術(shù)服務(wù)。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水文服務(wù)于城市管理的作用也更加明顯。因此，水文信息化應(yīng)聚焦服務(wù)功能，在信息提供的完整性、準(zhǔn)確性和及時性，決策支持的科學(xué)性，技術(shù)服務(wù)的專業(yè)性，行業(yè)管理的聯(lián)動性方面不斷拓展服務(wù)能力和水平，通過高質(zhì)量、多樣化、專業(yè)性的水文服務(wù)，提升水文的社會價值。有時候水文工作者并不清楚其他行業(yè)和部門對水文有哪些需求，這就需要主動加強溝通調(diào)研，深入了解，并通過信息化手段更好地實現(xiàn)水文服務(wù)。

2 水文信息化總體框架

2.1 總體框架

結(jié)合水文現(xiàn)代化發(fā)展的總體目標(biāo)，以水文智能感知網(wǎng)為基礎(chǔ)，以區(qū)域水利信息資源為依托，以水文數(shù)據(jù)管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用為重點，以云平臺保障體系為支撐，構(gòu)建智慧水文業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的總體框架，總體框架示意圖如圖1 所示。

圖1 智慧水文信息系統(tǒng)總體框架示意圖

任何信息系統(tǒng)都必須依靠網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲、軟件等基礎(chǔ)設(shè)施。近年來云平臺、大數(shù)據(jù)理念方興未艾，水文信息化通常以區(qū)域性水利云平臺或者政務(wù)云平臺為依托，不單獨擁有信息基礎(chǔ)設(shè)施?！霸啤钡谋举|(zhì)是對信息基礎(chǔ)資源的集中統(tǒng)一虛擬化管理[12]，有利于資源整合和高效利用，更好地保障信息安全和系統(tǒng)穩(wěn)定。

完整的水文信息化系統(tǒng)應(yīng)包括智能采集、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用、信息服務(wù)等層次，其特點在于信息流通的完整閉環(huán)。要以市政、水利、氣象、基礎(chǔ)地理等多源信息為依托，樹立全局發(fā)展觀，立足城市水文應(yīng)用，整合原有系統(tǒng)功能，統(tǒng)籌開發(fā)建設(shè)。

2.2 各層功能與要求

2.2.1 信息感知

感知層的作用在于采集接收不同來源監(jiān)測終端的水文與設(shè)備狀態(tài)等信息。感知層通過采集平臺實現(xiàn)各類監(jiān)測站點信息的實時采集與接收。目前水文實時監(jiān)測與在線傳輸完全能夠滿足信息化要求，但監(jiān)測設(shè)備來自不同的廠家和品牌，采用的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式不盡相同，給建設(shè)統(tǒng)一采集平臺帶來了困難。對此，一方面，要從國家層面統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，要對現(xiàn)有不同廠家的通信協(xié)議，通過協(xié)議池、對話翻譯等方法，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理層主要解決水文信息存儲、質(zhì)控及訪問問題，主要包括：1）存儲哪些數(shù)據(jù)？原則上應(yīng)做到應(yīng)存盡存、能存盡存。2）數(shù)據(jù)庫、庫表結(jié)構(gòu)及邏輯關(guān)系。為便于管理，一般應(yīng)建設(shè)原始庫、中間庫、成果庫，必要時還應(yīng)建設(shè)專題庫。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的設(shè)計，除符合技術(shù)規(guī)范外，應(yīng)著重考慮實用性并適當(dāng)拓展。3）數(shù)據(jù)質(zhì)量管理。包括缺失數(shù)據(jù)的補全、奇異數(shù)據(jù)的判斷處理、可疑數(shù)據(jù)的專業(yè)分析等，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對準(zhǔn)確可靠是關(guān)鍵。

2.2.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

水文業(yè)務(wù)應(yīng)用包括站網(wǎng)管理、測站運行監(jiān)控、運維監(jiān)管、分析計算、信息服務(wù)等。要從數(shù)據(jù)的獲取入庫開始，對各類水文業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研、確認(rèn)、開發(fā)，實現(xiàn)水文業(yè)務(wù)全周期的信息化。各業(yè)務(wù)功能的開發(fā)要盡量做到模塊化，模塊之間相互獨立，1 個模塊升級、故障不影響其他模塊的正常運行。

2.2.4 信息服務(wù)

水文信息服務(wù)包括以下 2 個層次：1）將經(jīng)過質(zhì)控處理后的基本水文信息、分析計算成果、專題圖表等根據(jù)需要及時展示在水文信息系統(tǒng)或流域性和區(qū)域性水利基礎(chǔ)信息平臺，供有關(guān)部門查詢，服務(wù)于預(yù)警、管理和決策支撐工作。2）將水文監(jiān)測和計算成果作為防汛防臺、泵閘運行、活水暢流水資源調(diào)度等的控制信息，為水利綜合管理提供更有應(yīng)用價值的技術(shù)依據(jù)。水文信息服務(wù)首先應(yīng)滿足第 1 層次的需求，其次要結(jié)合水利實時調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，滿足第 2 層次的需求。

2.2.5 支撐平臺

支撐平臺將信息感知、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用和信息服務(wù)等各層有機地結(jié)合在一起，為業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)提供支撐服務(wù)和管理，保障信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。支撐平臺包括系統(tǒng)性能監(jiān)控、身份驗證、用戶及權(quán)限管理、運維管理等功能模塊。最關(guān)鍵的是，支撐平臺通過訪問接口方式提供各類通用和定制化的統(tǒng)計、查詢、計算功能，有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊的信息交換，減少開發(fā)冗余，提升系統(tǒng)的運行效率和可拓展性。

3 結(jié)語

水文信息化既是水文現(xiàn)代化的重要支撐，也是其重要體現(xiàn)，是一個不斷發(fā)展完善的過程。水文信息化要始終遵循水文的專業(yè)性和服務(wù)性，立足水文業(yè)務(wù)需求，著眼未來發(fā)展趨勢，在技術(shù)和理念上積極追求先進(jìn)，按照總體規(guī)劃分步實施原則逐步推進(jìn)。

水文信息化要從信息匯聚、數(shù)據(jù)管理、專業(yè)應(yīng)用和服務(wù)支撐 4 個方面入手，構(gòu)建智慧水文業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的總體框架。各個業(yè)務(wù)功能模塊按照誰使用誰提需求的原則，需要使用者投入大量時間和精力，不厭其煩地與建設(shè)單位溝通，明確需求并真正轉(zhuǎn)化為信息系統(tǒng)的功能。

耦合性是今后水文信息化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)要求。傳統(tǒng)的信息化系統(tǒng)以一體化設(shè)計為主，功能之間缺乏耦合性，導(dǎo)致運維、升級、改造、故障排除都很困難。引入耦合和模塊化設(shè)計理念，能夠較大地提升系統(tǒng)的可拓展性和穩(wěn)健性，便于水文信息化的可持續(xù)發(fā)展。