基于網格的大型灌區水利信息化資源整合系統

韓光輝

(循化撒拉族自治縣發展和改革局，青海 海東 811100)

0 引 言

水利工程能夠推動灌溉區長遠發展，既能在農業生產上保證灌溉需求，還能促進灌溉區周邊的農作物生長，保證灌溉區經濟發展的穩定性。謝維等在文獻[1]中明確了新時期進行大型灌區建設的重要意義，以我國經濟發展的第十四個五年規劃為綱要，明確水利工程建設的主要目標，堅持以節水為優先條件，在全國范圍內建設水利工程項目，完善不同地區的水資源配置體系。

科學合理的水利工程建設，能夠對水資源進行合理調度，因此需要對水利行業的信息技術進行充分合理的利用，構建水利工程信息化管理系統。王寅寅在文獻[2]中提出，我國在水利資源的管理上，存在整體性不足的問題，在未來發展過程中，要重視網絡與信息的安全結合，完成對水利信息資源的整合系統設計。對水資源實行源頭監控，完成高效率的資源整合，能夠真正把大型罐區建設落實到實處。

隨著我國水利工程的項目規模不斷增加，在灌區建設和發展中也存在許多難點和問題。為更好地適應社會轉型要求，必須對大型灌溉區域的水利工程建設提供新的解決思路和方法。韓治國在文獻[3]中提出利用網格技術構建數字資源整合系統的方法，通過調整資源的邏輯架構，連接多個硬件設備的節點，并組織閑置資源，設置初始化數據庫信息，可以保證流量負載升高后數據的吞吐量。本文以此為基礎，研究基于網格的大型灌區水利信息化資源整合系統，在原有系統上進行優化，滿足水利工程管理的需求。

1 基于網格的大型灌區水利信息化資源整合系統硬件設計

1.1 基于網格構建信息資源整合結構框架

在網格環境的基礎上，重新對大型灌區的水利資源進行信息化整理，需要重新組建信息化的資源整合系統。將水利工程中的所有信息內容，按照共享和集成的方式進行協同化遷移和儲存，以便在獲取信息資源時，能夠及時完成數據獲取。

按照網格兩層體系結構進行布置，直接由服務器和客戶端進行連接，將兩個部分完成快速搭建，支持不同類型的用戶請求，以促進水利工程項目組的信息資源調度[4]。選擇兩組結構中的主要內容，按照整體服務生存期模式，以信息交換作為通信方式，將客戶端與服務器進行連接，組建以網格環境為基礎，信息資源整合結構框架具體見圖1。

圖1 雙層服務基礎體系結構

根據圖1中內容所示，將服務器和客戶端以網格體系結構進行連接，第一層為客戶端，主要負責水利工程的數據處理以及邏輯情況下的數據表現；第二層為服務器端，是通過數據庫管理中心，對水利工程建設過程的各種數據進行集中式管理。

雙層體系結構可以將工作環境，分設成不同區域模塊，在分布較為廣泛的大型灌區內，對信息數據進行整合和分析。按照網格技術對整合體系重新組建，將用戶層面和邏輯層面進行分離，直接通過服務器進行數據交換。服務器可以通過多種模式來實現，但必須引入中間件應用程序，以此按照分布式模式為部署基礎，選擇水利工程信息并行網絡中間件。

1.2 選擇資源整合分布式并行網格中間件

中間件是一種獨立的服務程序，是一種新型的應用設計模式，可以實現不同形式的管理功能，在遠程服務管理中，通過安全登錄認證模式，對不同的信息資源進行分配，并且可以進行全部的信息資源信息存儲與訪問。

將網格資源中的整合源進行屏蔽，重新使用一致的透明接口，向水利工程管理人員提供不同時間段內的信息資源，以方便水利項目的開發和應用[5]。以實際信息化整合過程為基準，在多種原因設定下，需要多人進行一項資源的整理，按照信息的全貌進行協同分析，設定網格中間件的連接形式，具體見圖2。

根據圖2中內容所示，按照水利工程的總服務器為中心設定，對不同的資源信息進行分類，將每種類型的信息設置為指定協議內容。在服務器發出任務請求后，中間件能夠向資源信息組發送要求，同時將信息結果回流至服務器中。

圖2 網格中間件連接形式

由于不同信息資源處于較為分散的形式，在網格中間件的作用下，能夠將多個信息內容進行整合，促使不同信息資源類型中的數據可以在第一時間進行有序交換。在美國實驗室研究的網格項目中，以GLOBLUS為網格計算工具，在模塊化的工具包計算模式下，容許用戶按照自我需求，對水利工程項目進行需求信息制定。

以選定的網格中間件為數據整合中心，可以將所有數據資源進行相互轉換，在不同的資源組中進行信息搜集和檢索，以此獲取服務器的資源請求內容。將中間件作為資源整合的服務程序，能夠構造出分布式并行的網絡環境，促進水利工程管理過程中的信息傳遞，實現多組任務資源的有序整合。

2 基于網格的大型灌區水利信息化資源整合系統軟件設計

2.1 組建大型灌區水利信息門戶數據庫

對數據資源進行信息化整合，需要對數據的獲取方式和儲存方式進行界定，按照不同的數據來源，在大型灌區內建立水利工程信息門戶資源數據庫。

按照數據來源進行劃分，可以在數據庫建立過程中的數據源分成原始數據和處理后數據兩個類型，將原始數據設置為第一手數據，加工后的數據或者處理后的數據設置為第二手數據。由于水利工程數據不能完全通過網絡進行傳到和輸送，因此在建設工程中，還可以將數據分為電子數據和非電子數據兩種形式。

一般情況下，電子信息主要為二手數據，會經過數據模型和邏輯形式對一手數據進行初次整理，按照設定后的形式，確定水利信息門戶的數據庫規格。對不同數據信息類型進行命名，選擇水利資源數據之內的內在關系，在一定的邏輯理論下，對產生的數據信息進行整合管理，具體情況見圖3。

圖3 水利工程數據信息關系示例

根據圖3中內容所示，在水利工程建設過程中，存在大量的信息資源。以總數據量為分類基礎，在信息資源整合過程中，必須將數據按照一定原則進行關聯，且各個數據信息之間的關系需要包含層次等級和并列等級以及內嵌等級。

將總數據資源用Q來表示，對該數據進行分類，分別包含3種子資源信息，分別為Q(W)和Q(E)以及Q(R)。其中，Q與Q(W)和Q(E)以及Q(R)之間屬于內嵌等級關系，同時此情況還可以滿足層次等級關系。

層次等級關系和內嵌等級關系常常同時出現，在此基礎上，Q(W)和Q(E)以及Q(R)之間可以形成并列等級關系，三者同屬于一個層級內。其次，在Q(W)和Q(E)以及Q(R)的所屬關系中，仍能分類出另一層等級關系。

在Q(W)資源數據中，包含有Q(W)-T和Q(W)-U；同理，Q(E)中可以分裂成Q(E)-T和Q(E)-U；Q(R)可以分裂成Q(R)-T和Q(R)-U。

網格服務能夠通過網絡環境進行信息描述，在不同程序接口中，對信息的傳送和傳輸行為進行統一的約束和管理。因此，以網格技術為基礎，設計大型灌區水利工程項目建設過程中的信息化資源整合模型，對不同接口中的信息數據進行管理。

2.2 基于網格設計信息化資源整合模型

以網格技術為應用理論，將網格調度工具和水利工程建設的各個過程進行分類，按照建設的不同周期組成網格式服務族群。通過網格的多節點采集形式，按照并行算法的計算形式，對各個節點的信息進行調度計算，以實現大型灌區內信息的整合。

將網格調度器作為節點信息的主控中心，在水利工程區域內，負責信息資源的分配和整合，并將各個節點處的信息進行儲存。按照網格技術設計信息化資源整合模型，在水利工程建設區域內，對各個信息產生的服務節點進行資源數據采集。因此，不同節點內的服務響應時間計算表達式如下：

Z=XZ+MAX(zc)+VT

(1)

式中：XZ為每組節點中任務的消解時間；VT為信息資源的合成消耗時間；c為每組節點；zc為在第c個節點處的處理任務時間；MAX(zc)為資源信息的最大處理時間。

在進行大型灌區水利工程建設時，需要保證各個信息采集節點在工作時，不同的節點c之間不能互相干涉。設置節點的取值，分別為z1，z2，…，zb，此時節點數量關系為c=b，且每個節點之間的任務形式為一種并行的采集關系。

因此，在多個節點信息采集過程中，每個節點被分配的資源任務，能夠承受的荷載強度一致，即在相同分配負載下，完成不同時段內的信息資源采集和整理。

將整個大型灌區進行分隔，按照不同地區完成采集節點設定，并在網格技術下，對每個地圖中內水利工程內容進行資源設置，以此完成所以灌區內的信息整合。

以網格形式對區域內的服務節點進行布置，能夠保證各個節點的檢測條件相同，并且可以獲取到相同強度的資源任務。在保證節點耗費時間等同的設置上，需要將資源的最大耗費時間達到最小狀態時，才能夠保證總體資源信息的總整合時間最小。

至此，在構建網格資源整合框架的基礎上，選擇網格中間件設計連接模式，組建水利信息門戶數據庫，設計資源整合模型，集中式進行信息資源合成，完成水利信息化資源整合。

3 實驗測試與分析

本次以網格技術為基礎，設計了大型灌區水利信息化資源整合系統，為驗證此次系統具有實際的應用效果，采用實驗測試的方式進行論證。以本文系統為實驗組，選擇兩組傳統系統作為對照組，分別為云數據整合系統和聯系數整合系統，進行多輪對比實驗。

3.1 選擇大型灌區水利數據信息

以某省大型灌區的水利工程為測試環境，對2021年的降雨數據進行調取，按照最大降雨量和降雨時間兩個分類結果進行數據統計，結果見表1。

表1 2021年降雨數據統計結果

根據表1中內容所示，在不同月份數據選擇中，基本上最大降雨量出現在5-9月份。其中，2021年的降雨量在7月份的數據統計結果中最大，對應的降雨時間為120 min。

以上述數據為測試樣本，將選擇的降雨信息上傳到MATLAB測試平臺中，分別連接3組整合平臺，對以上數據進行分析和整理，驗證不同系統的整合效果。

3.2 不同系統應用下數據整合過程

將所有月份中的數據進行混合，設定測試時間為5 s，在不同整合系統的應用下，對上述數據進行降雨量和降水時間的對應。以樣本數據為基礎，對應降雨量和降雨時間，具體結果見圖4。

圖4 不同整合系統數據對應結果

根據圖4中內容所示，不同資源整合系統應用下，產生了多種信息數據的對應結果。以本文系統為例，能夠將2021年份中的降雨量和降雨時間進行匹配，且數據匹配結果與樣本統計數據相一致。

而兩組傳統系統應用下，存在多個月份對應錯誤的情況，不能將降雨時間和降雨量進行匹配，主要是在一個變量因素影響下，對應的類型不能進行逐一鎖定。綜合結果說明，本文系統能夠在多組信息數據下，完成雙向的信息整合，具有實際應用效果。

3.3 歷史數據下信息整合預報結果

在水利工程中，需要對不同月份的降雨量進行預測，以此對水壩中的蓄水位進行調控，綜合整理原有數據庫信息，能夠得出一組預測數據，以此獲取該月份的降雨量。

按照選擇的數據樣本，在3組系統應用下，對2022年3月的降水量進行預報。參考該灌區的工作數據記錄，已知該月份的最大降雨量為78.4 mm，持續時間為15 min。將3組系統依次連接到測試平臺中，進行連續3次的預報模擬，具體結果見圖5。

根據圖5中內容所示，只有本文系統預報的數據結果與實際數據相一致。兩組傳統系統無論是在降雨量還是降雨時間預報中，均與實際數據存在一定差距，均小于實際值，會影響水壩放水量。若出現超大降水時，則會增加災害風險。

圖5 不同整合系統預報模擬結果

綜合實驗結果可知，本文系統能夠在數據整合基礎上，對未來數據信息進行預測，具有實際應用價值。

4 結 語

本文以網格理論為基礎，通過設計硬件架構和選擇中間件組建資源整合模型，利用集中式分布原則，對信息資源進行分析。經實驗論證可知，本文系統能夠在整合資源過程中，完成雙向的信息對應，并且根據現有資料，能夠推斷出未來水壩泄洪量，具有實際的應用效果。