遼寧省水文自動測報系統智慧化運行維護方案研究與設計

張 群

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

遼寧省水文自動測報系統按照統一平臺以及相關技術標準的要求，通過對已建設的測報站點進行優化整合，并與新建站點進行融合，解決了遼寧省水文自動測報系統多年以來系統多、平臺運行效率低以及信息孤島的實際問題，實現了全省水文自動測報系統以及技術先進的水文信息自動采集傳輸系統的高效運行。遼寧省現有降水站1700余處、水文站100余處、泥沙站80余處、墑情站130余處、水面蒸發站40余處、地下水位站700余處[1]，涵蓋全省水文站點的水雨情信息的自動監測。但是近些年來，隨著水文測站特別是中小河流站點的不斷增加，新形勢下水文測報方式發生不同程度的變化，尤其是全省遙測站點數據已逐步應用到報汛系統中，對數據信息的時效性以及精準性的要求也越來越高，對于水文自動測報系統運行和維護的需求也越來越迫切[2]。對于水文自動測報系統運行維護方案的研究也逐步得到國內水文學者的關注，取得一定的研究成果[3- 13]，但是不同區域的數據標準和要求不同，因此其運行維護方案不具備通用性，本文結合遼寧省水文自動測報系統存在的問題，提出由信息自動采集、信息服務以及應用層3個體系組成的智慧化運行維護方案，從而提高水文工作的效率和效能，以水文信息化帶動水文現代化，加快由傳統水文向現代水文轉變的步伐，為加快水文改革發展提供強有力的信息化支撐。

1 遼寧省水文自動測報系統現狀及存在問題

1.1 自動測報系統現狀

(1)降水信息。全省降水觀測項目1800余處，均為汛期報汛站，每年4月1日—11月1日用無線公網信道自動報汛，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省信息中心。其中120余處在非汛期(每年11月2日—次年3月31日)利用水文智能傳輸機通過電話信道人工報汛，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省信息中心。

(2)河道水情信息。全省河道水情觀測項目100余處，其中流量觀測項目利用水文智能傳輸機通過電話信道人工報汛，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省信息中心；水位觀測項目每年汛期通過無線公網信道自動報汛，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省水情中心，每年非汛期則利用水文智能傳輸機通過電話信道人工報汛，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省信息中心。

(3)旱情信息。全省墑情監測130余處，其中近80處人工墑情站利用水文智能傳輸機通過電話信道人工上報，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省水情中心；50余處新建墑情遙測站通過無線公網信道自動測報，分局匯集并經質量控制后通過水利信息骨干網絡上傳至省信息中心。

1.2 自動測報系統運行維護存在問題

(1)平臺未實現規范性和統一性。報汛的通信傳輸信道有無線公用信道、有線電話網信道和衛星信道等，但往往缺少備用信道；信息流向有從測站直接到省中心，也有先到分中心經匯集和質量控制后再通過計算機網絡傳到省中心。由分中心分散接收的方式，每個分局都要設置通信專線和信息接收前置機，且各分中心系統維護的技術力量參差不齊，無法有效對遙測中心站進行維護管理，導致信息傳輸出現故障概率增加，因此水文信息采集流程亟需統一和優化。同時，由于缺乏支持多種水文要素的統一的數據接收處理平臺，數據接收處理效率不高，數據整合困難，因此需要在數據采集層面實現遙測水雨情、墑情、蒸發、在線測流、在線水質監測等多種自動遙測數據的統一接收處理。

(2)缺乏統一的技術標準和應用架構，信息資源共享困難。以往水文信息化建設基本都是單獨建設，項目分散，技術標準不統一，規范化程度不高，重硬件輕軟件，使得已建、在建乃至將建的各業務系統缺乏統一的技術架構，在邏輯上難以成為一個有機的整體，建設成果難以互通、信息資源無法共享、軟硬件環境不能高效利用，給后期的系統運行維護和系統集成造成很大障礙，制約了系統的可持續建設。

(3)缺乏統一的數據資源環境，數據資源尚未有效整合利用。伴隨著水文業務應用系統建設，已經建成了一批相對獨立的數據庫，已經建成基礎水文數據庫、實時水雨情數據庫、取用水數據庫，正在完善水質數據庫、地下水數據庫等，所有數據庫整合后可建立遼寧省水文數據庫。但是目前全省水文系統尚未建立集中統一的數據資源環境，因而導致數據存儲分散，數據存儲的實體安全保障系數低，不同程度地存在著安全隱患，且與具體水文業務處理緊密綁定，服務目標單一，數據難以有效地開發利用，數據價值無法充分體現，不能很好地提供水文數據服務。

(4)存儲計算環境和信息安全亟待進一步完善。為滿足現有數據和業務應用，配備了服務器和存儲設備，但由于現有硬件資源比較分散，且隨著將來業務的發展，并發訪問量急劇增加，服務器的性能已漸漸不能滿足要求，從存儲計算環境集約化發展出發，需要將分散部署的硬件和系統資源逐步集中，搭建統一的云計算平臺，實現系統軟硬件資源統一分配和共享、設備負載均衡、系統應急響應，保障各類服務不中斷，增強應用服務和計算能力。現有信息安全防護體系偏低，局限于網絡邊界防護，為保障數據和應用安全，需要加強信息安全防御、安全管理和安全運行維護，建設本地和異地災備中心。

2 系統智慧化運行維護方案設計

2.1 設計目標

利用先進的高性能計算機、數據倉庫、地理信息、大數據分析等現代信息技術，基于統一的數據模型，建成“實用、先進、安全、可靠”并且集水文數據存儲、管理、交換、服務等功能為一體的水文數據中心。通過整合、補充和完善，建立統一的水文數據資源環境和共享交換體系，集中存儲全省水文有監測記錄以來的全部水文監測數據，建成支持全省水文業務應用和其他政府部門信息共享和業務協同的水文數據資源中心。同時水文數據中心作為省水利數據中心的重要分支節點，實現2者間的信息交換與共享。

2.2 總體框架

利用云計算技術、中間件技術、遙感技術、數字地理信息技術、大數據存取和處理技術，結合綜合集成的方法，構建一個面向服務的遼寧水文自動測報智慧化運行維護平臺的設計總體框架，如圖1所示。該系統充分整合數據和信息資源，實現“資源物理集中、業務整合集成”的集中式協同應用，采用統一架構，整合已建系統與待建系統，基于統一信息門戶綜合集成應用。

圖1 系統智慧運行方案

總體框架按邏輯分為用戶層、應用層、平臺層、基礎設施層。用戶層基于統一門戶系統，為業務人員、管理人員和社會公眾人員提供PC端、智能手機端信息服務。用戶可通過有線網絡和無線網絡通過身份認證進入門戶系統。平臺層包括業務公共服務和支撐技術服務，根據復用、共享、模塊化的設計思想，以支撐組件作為系統運行的基本單元，在組件之上搭建應用支撐平臺，為高層應用系統提供通用管理和支撐服務。基礎設施層包括信息采集與通信傳輸、信息系統運行環境和信息化保障環境，是信息化支撐與信息系統穩定運行的基礎，需要省水文局統一建設管理，主要包括水文信息采集體系、通信傳輸網絡、機房、服務器、存儲設備、安全設備、基礎軟件等基礎設施。如圖2所示。

2.3 主要設計內容

(1)水文綜合數據庫。建立水文空間數據庫，依托遼寧省水利數據中心的地理信息圖層(包括矢量地圖、遙感圖、航拍圖、地形圖和DEM高程數據)進行擴展建設。建立水利工程數據庫，包括水庫、控制站、堤防、海堤、蓄滯(行)洪區、湖泊、機電排灌站、水閘、跨河工程、治河工程、穿堤建筑物、險工險段、墑情監測站、地下水監測站、灌區和城市防洪等信息。建立站網與監測管理數據庫，以現有的水文整編數據庫和站網信息數據庫為基礎，建設水文站網與監測管理數據庫，通過抽取、遷移和資料收集整編入庫等方式完善數據資源。

(2)水文業務應用支撐平臺。構建統一地理信息服務平臺、統一用戶認證平臺，建設地理信息服務平臺，為水文業務信息系統及后續開發的各類應用系統提供統一的空間信息支撐服務，實現水文空間數據的一體化管理和服務，為全省水文業務應用提供綜合性地理信息公共服務支撐。用戶認證平臺，基于統一的技術架構和標準，實現統一的身份認證和單點登錄，為整個應用系統提供一個統一的入口登錄訪問，為應用系統的訪問控制，提供單點登錄服務，提供標準的用戶和認證接口，實現統一用戶、組織機構的管理和權限控制。實現對用戶和組織機構的集中管理和對業務系統權限控制的協同管理。

圖2 系統平臺搭建框架圖

(3)水文業務應用服務平臺。應用服務平臺采用面向服務體系架構，構建統一應用支撐，將各種支撐功能封裝成可以調用的公共服務，并注冊和對外發布服務的訪問接口，通過服務調用、服務組合和再封裝等技術，實現組件服務的統一調用管理和各類水文業務應用的整合。

(4)運行維護環境在線監測。系統通過監測數據傳輸運行以及硬件基礎設施的狀態，對其運行環境進行在線監測，主要內容為：①對采集的數據進行實時在線監測，結合數據入庫情況判定其運行狀態是否穩定，主要判定的指標為數據通暢率以及準確度，若傳輸分中心數據通暢率低于標準值，則可以判定分中心數據傳輸系統平臺存在通訊故障，否則就是水文測站設備以及通訊網絡存在故障；②結合數據采集、入庫時間之間的相關度判定其時效性及運行的狀態，若采集傳輸時間超出設定的閾值范圍，則認為數據時效性較差，可認定系統采集平臺及傳輸網絡存在故障；③監測各數據采集站點的設備運行狀態，比如蓄電池、數據傳輸通道以及硬件設備的狀態，結合設備的運行狀態來判定設備或者傳輸信號通道的運行情況，并及時告警；④對水文測報數據采集系統進行實時監測，對數據進入數據庫、實時在線、傳輸信號通道、設備硬件運行情況進行監測，并自動生成專業的報表。

(5)運行維護考核。①數據質量考核，通過對采集數據的完成和準確程度進行考核，對傳輸數據的質量進行全面分析，形成數據質量考核報告；②運行維護日志生成，對系統故障進行全面追蹤，包含運行維護時間長度、運行維護主要內容以及故障恢復的時間以及反饋效果進行分析，可為以后的故障數據分析以及運行維護操作的改進提供更好的參考依據。

3 結語

(1)水文自動測報系統運行維護平臺應包含自動監測監視、故障在線追蹤、智能方案決策處置、安全維護操作等功能，為提高水文測報數據及時性和準確性提供重要的技術支撐，實現水文測報數據可視化及智慧化的綜合管理。

(2)在智慧方案決策設計中可通過配置專家知識庫來解決，該知識庫匯集平臺運行維護累積經驗及處置預案，可提高平臺運行維護效率，有效降低運行維護成本。

(3)當前平臺設計只針對發現故障到故障恢復的過程，在以后的設計中還可根據設備運行狀態，傳輸通道暢通率情況進行故障預警，提前保障平臺的高效運行。