云計算在地質(zhì)災害預警系統(tǒng)中的應用

佘 東，朱曉彥，丁 俊

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術學院計算機系，安徽 合肥230051）

我國是一個多地質(zhì)災害國家，由地質(zhì)災害引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂縫等給人民生活造成了極大的隱患。利用網(wǎng)絡，將遍布在各自動監(jiān)測站的位移傳感器、雨量計、視頻監(jiān)測信息所生成的水文、土壤等地質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)布到云計算平臺，通過虛擬機進行集中計算處理，生成相關預警信息，并生成Web Service，發(fā)布到用戶電腦和手機中，能有效即時的進行地質(zhì)災害預警，指導災后重建，緩解人民群眾生命財產(chǎn)損失。

1 現(xiàn)有地質(zhì)災害預警方法

現(xiàn)有的地質(zhì)災害預警一般采用傳統(tǒng)的廣播、短信等預警方式。通過收看天氣預報，向相關部門打電話、發(fā)短信等方式通知，這些方法內(nèi)容單一，信息不夠全面，且實時性不強，無法即時有效的開展地質(zhì)災害預防和救援。部分地市在上述方法基礎上建立了地質(zhì)災害預警系統(tǒng)，通過野外實時調(diào)查數(shù)據(jù)和現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)進行比對，進行統(tǒng)計分析，建立預警模型（見圖1），該方法較好的解決了地質(zhì)災害預警的科學性問題，但該方法需要各地市建立相應的數(shù)據(jù)服務器進行計算存儲，軟硬件投資較大，且需要大量的專業(yè)技術人才，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)又是局部的，無法即時的進行數(shù)據(jù)共享，導致所建立預警模型也是局部的，缺少全局信息，形成所謂的信息孤島，給災害預防和救援帶來不便。

圖1 現(xiàn)有的地質(zhì)災害預警系統(tǒng)示意圖

2 云計算簡介

目前，學術界對云計算（Cl oud Co mputing）還沒有一個標準定義。一般認為云計算是虛擬化（Virtualization）、并行計算（Parallel Co mputing）、分布式計算（Distributed Computing）、網(wǎng)格計算（Grid Co mputing）、效用計算（Utility Co mputing）、網(wǎng)絡存儲（Net work Storage Technologies）、負載均衡（Load Balance）等傳統(tǒng)計算機和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物［1］。云計算主要包括以下3個層次的服務：基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）［2］。筆者主要涉及平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。SaaS（Soft ware－as－a－Service）是一種通過Internet提供軟件的模式，各地市地質(zhì)災害預警相關部門，無需安裝軟件，直接使用預警中心提供的基于Web的軟件服務，來即時的進行地質(zhì)災害預警處理。PaaS（Platform－as－a－Service）實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶。筆者通過建立省一級的地質(zhì)信息云計算平臺，將服務器集中管理，通過服務器虛擬化建立地質(zhì)災害預警私有云，為SaaS模式提供應用。

3 虛擬化平臺

虛擬化（Virtualization）在云計算中，主要指平臺虛擬化，它是基于云平臺架構的基礎性設計方法，它允許將服務器、存儲設備等其他硬件資源作為一個資源池，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要來動態(tài)分配這些資源。筆者所用的虛擬化主要指服務器虛擬化，即將多個服務器操作系統(tǒng)利用虛擬化技術應用于同一服務器上，而不是像早期開發(fā)要分別運行在多個獨立的物理服務器中。通過這一方法，可以讓單一的物理服務器上運行多個虛擬服務器，并提供良好的安全性和隔離性，服務器虛擬化通過虛擬機監(jiān)視器（V MM）和虛擬化平臺（Hyper visor）提供對服務器硬件設備的抽象和對虛擬服務器的管理。

目前，常用的服務器虛擬化產(chǎn)品主要包括V Mware公司的v Sphere、V Mware Server、V Mware Wor kstation、V Mware Player、V Mware ESX Server；Micr osoft公司的 Hyper－V、Virtual PC，Virt ual Server；Citrix公司的Xen；IBM公司的z V M、Power V M等。筆者采用原生虛擬化，即虛擬化平臺直接運行在硬件之上的不是宿主操作系統(tǒng)，采用Micr osoft的Hyper－V2.0虛擬化平臺。使用該平臺每臺實體服務器可同時執(zhí)行1024臺虛擬機，每臺虛擬機可虛擬12個網(wǎng)絡接口，處理32個虛擬處理器，并提供了其它豐富的指令集和設備接口。目前最新的Hyper－V3.0已于2012年9月5日發(fā)布，性能得到進一步的提高。

圖2 基于云計算的地質(zhì)災害預警系統(tǒng)結構圖

4 系統(tǒng)總體設計

如圖2所示，系統(tǒng)總體設計分為3層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

1）感知層 利用現(xiàn)有的分布在各地的地質(zhì)、水文、氣象等監(jiān)控站采集數(shù)據(jù)，通過安裝DTU（Data Transfer unit，數(shù)據(jù)傳輸單元），將串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)，再通過無線通信網(wǎng)絡 GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務）傳送至微軟云計算平臺（部分數(shù)據(jù)亦可通過GSM、超短波、北斗衛(wèi)星等通信方式傳輸），云計算平臺通過無線終端設備、GPRS DTU接收軟件接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)［3］。部分通訊距離較長，環(huán)境惡劣的監(jiān)測站可使用RTU（Remote Ter minal Units，遠程終端單元）來進行數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸。

2）網(wǎng)絡層 云平臺在接收到數(shù)據(jù)后，將其傳送至云服務器，系統(tǒng)對采集到的信息進行數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析，并結合以往標準化數(shù)據(jù)進行地質(zhì)災害預警分析，生成地質(zhì)災害預警模型，對預警結果進行可視化顯示，并在分析超過預警臨界點時，自動發(fā)出預警提示信息［4］，如圖3和圖4所示。

3）應用層 傳統(tǒng)的預警方式一般通過廣播、電話、短信等方式進行內(nèi)部預警（對相關負責人和災害處理人員）和外部預警（對全體公眾）。對公眾，因只需要知道簡要信息（如災害易發(fā)地不要去等），通過電視廣播、短信等方式就足夠了。但對內(nèi)部預警人員這些信息是不夠的（需即時了解災害的動態(tài)信息，以便即時開展災害預防和災后重建）。筆者通過云計算平臺在網(wǎng)絡層將預警數(shù)據(jù)模型生成Web Service，顯示在網(wǎng)站上。內(nèi)部預警人員可通過登錄網(wǎng)絡和智能手機調(diào)用Web Service的方法即時掌握地質(zhì)災害的最新信息，即時進行災害預處理和災后救援工作。

圖3 地質(zhì)災害預警分析子系統(tǒng)模塊

5 基于Web Service的云應用開發(fā)

為保持Micr osoft的Hyper－V平臺的整體兼容和高效，云服務器采用 Windows Ser ver2008 R2，云數(shù)據(jù)端采用微軟的SQL Ser ver2008，系統(tǒng)軟件開發(fā)采用基于C＃的微軟VS2010。對通過GPRS DTU接收軟件接收來的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)直接轉換存儲到SQL Ser ver2008中。同時，為方便網(wǎng)站和智能手機調(diào)用，利用VS2010平臺內(nèi)建的對 Web Ser vice的支持，將數(shù)據(jù)信息直接生成基于XML的Web Ser vice。動態(tài)網(wǎng)站使用ASP.NET技術的進行構建和使用，通過ADO.NET調(diào)用SQL Server2008中的數(shù)據(jù)或直接調(diào)用Web Ser vice，完成地質(zhì)災害預警平臺網(wǎng)站的建設。

圖4 雨量監(jiān)測子系統(tǒng)

由于智能手機的普及和GIS技術的成熟，項目組利用Android平臺架構，調(diào)取服務器產(chǎn)生的Web Ser vice，通過對Web Ser vice返回值進行數(shù)據(jù)比對，顯示相應的藍色（初級，提醒注意）、黃色（災害發(fā)生，注意警戒）、橙色（災害較為嚴重）、紅色（災害非常嚴重）預警信息。并通過對Google Map Api的二次開發(fā)，自定義地圖圖層，將災害預警信息顯示在地圖上，方便用戶查詢［5］，并可通過動態(tài)鏈接，顯示詳細的災害預防和救援網(wǎng)頁信息。

6 結 語

該預警平臺的使用，減輕了各地市對災害預警系統(tǒng)的重復投入，通過省一級的云計算平臺，實現(xiàn)了網(wǎng)路虛擬環(huán)境中地質(zhì)、氣象、水文等部門的數(shù)據(jù)共享，具有較高的性價比。該系統(tǒng)的建立，有效的增加了地質(zhì)災害預警的先期性和實時動態(tài)性，具有較強的實用性。在實際使用中，仍需進一步加強各部門聯(lián)系，規(guī)范各監(jiān)測站數(shù)據(jù)接口，加強數(shù)據(jù)安全保護，開發(fā)更多的Web Service應用，使系統(tǒng)性能得到進一步的提高。

［1］曾文英，趙躍龍，尚敏 .云計算及云存儲生態(tài)系統(tǒng)研究［J］.計算機研究與發(fā)展，2011，48（z1）：234－239.

［2］楊嫻，陳麟 .云計算環(huán)境下的應用虛擬化的研究［J］.軟件，2012，33（4）：74－77.

［3］何光軍，管群，韋方強，等 .基于云計算的災害數(shù)據(jù)處理方案的研究與設計［J］.計算機工程與科學，2012，34（3）：74－79.

［4］陳琳，齊文新，齊宇 .基于云計算的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)［J］.計算機應用，2012，32（5）：1415－1417.

［5］佘東 .基于WebService的地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.西安文理學院學報（自然科學版），2012，15（2）：111－113.