面向智慧水利的遼寧智慧使能與應用支撐平臺建設

關明皓

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

2020年遼寧省印發了《遼寧省智慧水利總體方案》，規劃建設遼寧省水利大數據中心項目，并將智慧使能與應用支撐平臺作為重點建設任務，采用人工智能、云計算、大數據等新技術，構建科學、智能的智慧使能與應用支撐平臺，促進遼寧省水利業務應用智能化[1]。同時，隨著新一代信息技術的發展，越來越多的技術應用到水利業務中，人工智能融合水利遙感已應用到河湖四亂、水土保持監測，人工智能結合水利視頻已經應用到水文監測、工程建設管理等業務，區塊鏈等技術也應用到監督取證、電子證照管理等業務[2]。因此，建設遼寧水利大數據中心智慧使能與應用支撐平臺，融合各類水利模型和新一代信息技術模型，構建基礎業務應用支撐，是水利部相關政策的要求，也是遼寧省水利業務發展的實際需求。智慧使能與應用支撐平臺，可以為水利大數據中心的數據管理提供基礎應用組件支撐，為各項水利業務智能化應用的搭建提供服務[3]。基礎空間應用組件可以為數字孿生流域建設提供仿真功能，搭建的水利專業模型、一張圖空間組件、可視化組件可以提升仿真模擬能力，總體上可提升各項水利業務智能化水平[4]。開展智慧使能平臺、應用支撐平臺建設，其中智慧使能平臺建設覆蓋遼寧省常用水利專業模型、適用于遼寧省水利業務特色的人工智能和知識圖譜模型；應用支撐平臺主要覆蓋基礎類、水利空間類、區塊鏈類、可視化類、微服務類、融合服務支撐類等應用支撐服務[5]。當前，國內關于智慧水利建設研究相對較多[6- 15]，但是面對智慧水利的智慧使能與應用支撐平臺建設研究還相對較少，根據智慧水利和數字孿生流域建設總體要求和遼寧省水利業務應用需求，針對流域水旱災害防御和水資源管理與調配等業務構建水利智能應用模型庫從而進行模擬仿真，搭建應用支撐組件對應用系統進行支撐，有利于數字孿生流域體系的建設，同時也為業務系統快速、高效的搭建提供支撐。

1 總體設計原則

智慧使能與應用支撐平臺針對各項水利業務應用，提供常用的應用支撐和智能模型等功能服務。結合各水旱災害防御、水資源管理與調配等水利重點業務的綜合決策應用需求為導向，項目為數字孿生流域的模擬仿真、業務系統的應用提供支撐，為水利業務系統智慧化提供支撐，增強部門協作，提高工作效率，節省建設和運行維護資金，促進智慧水利可持續發展。建設遵循以下原則。

(1)統籌謀劃、服務全局。把全省水利行業作為一個有機整體，建設服務水利全局業務的智慧使能與應用支撐平臺。強化服務支撐的頂層設計，科學確定各項服務的支撐目標，合理設計平臺技術架構，為水利業務提供全方面的支撐。

(2)突出重點，快速提升。圍繞水旱災害防御、水資源管理調配等重點業務，同時結合遼寧水利特色與需求，突出重點，先行建設重點、急需的模型和組件。充分運用現有可用內容，通過改建、擴建、新建等手段，快速提升智慧使能與應用支撐平臺的服務能力。

(3)創新實用、先進可靠。以安全為前提、需求為導向、實用為目的，科學運用大數據、學習算法、機器認知、知識圖譜等新一代信息技術，保障智慧使能與應用支撐平臺的前瞻性和先進性。

2 總體設計

2.1 總體架構

按照統一的標準規范搭建水利模型，為水利業務提供專業模型支撐，搭建學習算法、機器認知等模型從而拓寬水利專業模擬計算手段，搭建知識圖譜模型，分析水利數據與業務的整體知識架構，提升水利數字流域對物理流域仿真的真實性。搭建應用支撐平臺為業務系統和高精度渲染提供支撐，在計算機上模擬水利治理管理活動，為數字孿生流域建設提供仿真功能，支撐精準化模擬。智慧使能層和應用支撐層的總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構圖

2.2 功能架構

智慧使能與應用支撐平臺主要包括智慧使能平臺、應用支撐平臺，其中智慧使能平臺主要包括水利智能應用模型庫、水利模型管理系統等智慧使能支撐服務；應用支撐平臺包括通用基礎組件、空間應用支撐組件、可視化支撐組件、區塊鏈支撐組件、微服務支撐組件、服務融合支撐組成。系統功能架構如圖2所示。

圖2 功能架構圖

2.3 技術架構

采用微服務和服務總線的雙引擎框架構建智慧使能與應用支撐平臺。面向微服務架構通過對不同組件進行網絡通訊協議提供基于軟件體系架構的服務。采用輕量級的HTTP、REST或ThriftAPI形式連通組件和應用服務。可實現負載均衡和可支撐彈性收縮的微服務支撐。按照雙引擎框架對不同服務功能之間的邏輯協調進行總線控制并按照SOA部署服務方式進行原有功能利舊，平臺封裝功能按照快速響應、可擴展和便捷性進行功能、數據服務的架構，其技術架構如圖3所示。

圖3 技術架構圖

2.4 安全架構設計

智慧使能與應用支撐平臺建設按照網絡安全等級保護三級建設要求進行安全防護設計，運行環境的網絡安全由省水利網絡安全體系建設統一規劃建設，保障系統運行環境物理安全和基礎軟件系統安全，安全體系建設總體架構如圖4所示。

圖4 網絡安全體系建設總體架構圖

平臺主要為應用安全保障，主要因為平臺內部數據訪問安全進行網絡安全體系的框架設計，對平臺數據信息的保密和完整性進行安全保護，通過加密訪問、數字簽證等安全訪問服務進行應用平臺的安全防護。采用本地、數字證書驗證、私鑰簽名驗證兩種雙向身份認真方式對平臺進行安全權限的防護。

3 分項設計內容

3.1 智慧使能平臺

智慧使能平臺主要包括水利智能應用模型庫和水利模型管理系統2個部分組成，其組成結構如圖5所示。

圖5 智慧使能平臺功能圖

2項設計內容為：①水利智能應用模型庫。其中水利模型庫包括通用水利模型庫和專用水利模型庫。通用水利模型庫包括水文模型、水動力模型、水工程模型、水質模型等。專用水利模型包括灌區優化配水模型、水庫調度模型、水利工程安全運行評估等。學習算法庫包括基礎算法服務和參數率定算法。基礎算法服務包括關聯規則分析、決策樹、近鄰算法、神經網絡、支持向量機等，參數率定算法包括洗牌尋優算法SCE-UA、多目標遺傳算法等。機器認知庫，包括視頻識別、圖像識別、遙感解譯、自然預演識別等。知識圖譜模型，包括知識獲取、知識融合、知識存儲、知識推理、知識可視化等。②水利模型管理系統。算法和數據接入水利模型管理系統的主要內容，在水利模型管理系統中還需要對模型的算法、發布訂閱、運營進行綜合管理的設計。

3.2 應用支撐平臺

對水利各類基礎支撐組件進行梳理，應用支撐平臺實現整合與共享，形成通用基礎組件、空間應用支撐組件、可視化支撐組件、分析挖掘類組件、微服務支撐組件、數據安全類組件、服務融合支撐以及服務資源管理平臺等應用支撐服務，各應用支撐組件服務于大數據中心各類系統和各業務應用系統，各組件產品應采用場地授權的方式。其組成結構如圖6所示。

圖6 應用支撐平臺功能圖

通用基礎組件支撐為應用層應用提供各類支撐服務、功能服務、數據訪問接口、安全管理策略、應用協調和約束。依據業務需求，通過分析業務應用共性的、基礎的支撐功能模塊，提煉業務邏輯單一、耦合度低的基礎組件，靈活、快捷地搭建復用度高、邏輯復雜的業務功能。空間應用支撐組件包括水利網格支撐組件、水利一張圖支撐組件、BIM+GIS應用服務等。可視化支撐組件包括可視化基礎服務組件和可視化增強組件。分析挖掘類組件包括，數據訪問服務和數據資源開發利用服務。數據安全類組件包括區塊鏈支撐組件、共享交換安全組件、數據資源目錄安全服務、可信數據服務、數據資源安全匯集組件等。微服務支撐組件包括服務創建管理、應用部署與發布管理、服務治理、數據化運營等。服務融合支撐包括接入網關、準入網關、服務網關、邊界網關、身份鑒權等。服務資源管理平臺包括服務資源管理系統和服務資源門戶。

3.3 標準規范設計

主要包括系統訪問控制標準與接口規范、水利模型管理服務標準、統一用戶管理規范、服務開發與管理規范等4個標準。其中，系統訪問控制標準與接口規范指導用戶按照規定權限和要求對大數據中心多個支撐組件進行訪問，保障平臺與第三方開發平臺的互通互聯；水利模型管理服務標準用于規范水利模型開發、管理及服務，便于模型的統一管理和調用；統一用戶管理規范對平臺用戶昵稱、密碼、姓名、單位名稱、職位等信息進行統一管理；服務開發與管理規范主要對應用支撐平臺涉及的各類服務進行統一管理，規范平臺數據接口、功能接口標準等應用標準，確保平臺與其他相關數據庫和應用系統的技術標準統一、互通共享。智慧使能與應用支撐標準規范見表1。

表1 智慧使能與應用支撐標準規范

3.4 數據安全設計

(1)數據基礎安全。從隨機數據機密性和完成進行數據傳輸環境的安全保障，不同安全之間的加密傳輸鏈路通過HTTPS、VPN等技術進行建立，采用密文方式對數據進行直接加密，安全保障數據傳輸過程，在授權范圍內對數據使用環節進行訪問和處理的安全防護，以免數據在使用過程中遭竊取、泄漏和損毀。

(2)數據泄露防護檢測。通過對數據使用過程中各應用協議分析、敏感數據識別審計、阻斷策略響應訪問控制，識別網絡數據內容的合法性，對通過IM傳輸、網絡發送等方式發送的敏感數據進行有效識別，識別網絡行為的合法性，滿足用戶對敏感數據防丟失泄漏要求。

(3)敏感數據資產管理。為敏感數據建立數據資產管理功能，對核心業務智能應用數據進行統一敏感數據管理和數據訪問控制策略管理，敏感資產識別是數據資產管理的基礎和前提，通過敏感數據自動發現，對敏感數據的分布情況進行分析和展示。

3.5 應用安全設計

(1)身份鑒別。管理智慧使能與應用支撐平臺相關系統用戶訪問的身份鑒別，通過強制策略路由方式將管理接口轉發至統一管理，實現用戶管理反向代理部署方式的身份鑒別。

(2)安全審計。對智慧使能與應用支持平臺的用戶行為和重要安全事件進行安全審計，需對所有跨網絡邊界訪問的用戶行為、各類安全事件進行收集、分析，以日志的形式進行審計。

(3)入侵防范。檢測非法攻擊者對智慧使能與應用支持相關系統的入侵攻擊行為，在出現非法入侵行為時，提供及時的告警功能，對系統實施深度防御，實現系統加速與防止敏感信息泄露的功能，為業務應用提供較為全面的防護解決方案。

4 結語

通過建設面向智慧水利的智慧使能和應用支持平臺，可提高支撐組件利用效率和整合共享程度。平臺建設應用后，其他業務系統可直接調用智慧使能和應用支持平臺提供的支撐組件，減少重復建設和資金投入，同時也可提高各業務系統整體的安全性、可靠性和可用性。此外，平臺還為各水利業務應用提供各類模型支撐，可有效提升各業務的智能化水平，為實現主要業務“四預”提供計算、模擬、仿真等方面的基礎支撐，有助于提升行業整體管理水平，提高管理效率。