面向水利业务构建的应用支撑信息服务中心

李建勋，解建仓，李维乾，郭莲丽

（西安理工大学a.经济与管理学院；b.水资源研究所，西安 710048）

面向水利业务构建的应用支撑信息服务中心

李建勋a，解建仓b，李维乾b，郭莲丽a

（西安理工大学a.经济与管理学院；b.水资源研究所，西安 710048）

采用综合集成思想，融合云计算、组件技术、工作流、计算实验、可视化服务、平行系统和知识图思想，提出了一个具有信息集成、辅助决策、计算支持等能力的水利ASSC（应用支撑服务中心），并给出基于ASSC的水利业务系统开发方法，和其在水资源动态配置业务系统建设中的应用实例。实用效果表明，该平台能够快速应对水利信息化系统的开发任务，为高效、灵活、可扩展的水利业务系统的建设提供了一个良好平台。

应用支撑服务中心；综合集成；平行系统

1 研究背景

随着我国水利信息化工作的开展，各流域及行政部门已经建立了众多信息化系统，这类系统进一步提高了防汛减灾、水资源优化配置、水利工程建设管理、水土保持、水质监测、农村水利水电和水利政务等水利业务中信息技术应用的整体水平，有效地辅助了水利业务的操作与管理，推动了水利现代化的建设工作［1－2］。然而，水利信息系统的建设是以业务应用需求驱动的，系统建设中往往只考虑某个局部需求，从而导致开发完成的多套应用系统并没有形成一个相当规模和技术水平的公共水利业务应用平台，各系统之间相互独立，应用功能模式单一，缺乏可扩展性和通用性，重复开发现象严重，难以满足复杂水利业务应用的需要。

近年来，水利业务应用逐步从以统计分析为主的简单功能向综合分析与决策支持层次发展，对资源整合、综合服务和决策服务的需求日益强烈，人们迫切的需要构建一个面向水利业务的应用支撑服务中心（Application Support Service Center，ASSC），以在水利信息化综合体系中起到“承上启下”关联作用。ASSC受到用户应用的需求牵引，是一个受限的、应用目标明确并具有按主题进行综合服务能力的支撑系统，它能够将传统的业务系统的开发模式转换为基于ASSC的开发，而ASSC则为业务提供了大量已有业务组件、流程、模型和算法，形成了一个标准化、可共享、可重用的应用系统环境。据此，本文在探索国内外相关经验的基础上，采用综合集成思想［3］，融合云计算［4］、组件技术、工作流、计算实验、可视化服务、平行系统［5］和知识图思想，提出了一个具有信息集成能力和决策支持能力，并可为业务应用提供强大计算力支撑的ASSC，有效地辅助了水利业务系统的开发。

2 水利应用支撑服务中心总体框架

ASSC面向多种类、多模式水利业务应用，采用“物理分散，逻辑集中，按需获取，分布处理，统一调度”的指导方案，在硬件采集系统及通信网络建设的基础上，通过数据集成中间件［6］和云计算屏蔽物理层的异构性和分散性，实现信息的按逻辑映射和集成化处理，并在建设数字地球、平行系统等展示环境和分析计算环境的同时，借助组件技术、知识图技术、可视化技术的开发优势，通过工作流和服务组合［7］，按照用户需要搭建知识图，形成对业务主题的解决方案，进而实现资源共享服务、动态配置服务、协同分布式服务和集成决策服务。ASSC的总体框架包括信息化基础环境层、网络及资源层、核心框架层、应用服务层，共4大部分，如图1所示。

信息化基础环境层包括对工程监控和信息采集，以形成可靠、安全、规范的信息化保障体系，在软硬件接口服务和通信网络的辅助下，重点对工程监视、工程跟踪、流域监视、信息解译、遥感分析、共享服务、灾害事件、数据标准化等提供访问对象和硬件资源，并实施规范管理、合理布局、高效组织、高度共享，为水利管理服务提供分析依据、处理方案和基础环境保障。

网络及资源层重点搭建三网合一方式的通信网络，实现基础数据、实测数据、特征数据、文本数据、音频数据、视频数据以及非结构化数据的安全可靠传输，及时传递、获取现场的工程信息，通过分类组态化、单元化、自动控制等方案实现工程进度管理，建设信息化服务数据传输环境，并依靠云计算／网格计算技术构建复杂水利业务应用或模型的计算环境和存储环境，综合水利专网内甚至公众网内的计算机资源为预报预测、配置调度、决策分析等大批量运算或耗时运算提供支持。

图1 水利应用支撑服务中心体系结构Fig.1 Structure of the application support service center for water conservancy

核心框架层是ASSC的主体部件，它包括数据集成系统、计算网格及平行系统、可视化服务系统和综合集成决策支持系统，分述如下：

（1）数据集成系统通过集成环境、编码方案和信息整序对数据进行融合处理，建立持久性和规范性的数据资源库。对于重点测站、断面等核心数据采用数据集中中间件，将具一致性的复制到上级部门数据仓库中，保障核心数据的安全有效性；而对于非核心数据则采用数据映射中间件，仅在上级部门数据仓库中存储原始数据的映射。在业务系统访问时则通过映射在原始数据资源中进行检索，从而节省上级部门数据资源的存储空间。

（2）计算网格及平行系统以原子化模型、计算力调度、负载均衡为基础，搭建一个高性能计算量分解平台，将处理过程的大量计算任务拆分并化简成为多个可批量处理的原子操作，为提高各算法的效率提供强有力的支撑，同时依靠这种高性能计算力，开展计算实验，构建比拟于人工系统的实验系统，将人工系统和实验系统进行平行处理分析，借助仿真分析、模拟计算、实时响应、动态交互、参数优化等策略的实现，采用自反馈方式将实验结果与人工系统中的实际数据进行对比分析，使得实验系统中所获得的预测、决策成果逐步接近实际值，从而为整个信息化系统的决策服务提供保障。

（3）可视化服务系统则采用数字地球、全景再造、Flex仿真作为关键技术，将GIS，RS，GPS予以集成，并在瓦片金字塔上完成空间信息的存储与访问，建立空间视域模型、地形访问环境和网络地图服务，为地形剖面绘制、现场图像投影、三维实景仿真、三维Flex模拟、重点工程检测等建立访问接口和互操作服务。

（4）综合集成服务决策支持系统重点采用SOA［8］，SaaS，PaaS三种面向服务的信息化整合技术，对信息服务、决策服务实施有机集成，在计算服务的支持下建设一个综合集成服务平台，为整个信息化系统提供一体化的服务模型和操作接口，并且实现远程及分布式的服务框架，采用知识图来关联信息、组织应用过程信息、描述事件和应用主题，开展工作流程管理和服务组合，为多方面、多层次的决策与管理操作提供便捷途径。

应用服务层借助ASSC所提供的共享力、整合力、计算力、研究力、服务力（即通过数据和资源的共享力，应用集成和数据集成建立的整合力，计算资源调度和管控模式形成的计算力，将数据信息转化为实验分析、仿真模拟和分析设计的研究力，以及提供决策支持构建一体化的服务力），支撑水利应用中的仿真服务、预报服务、调度服务、应急服务、监视服务、决策服务、共享服务等业务系统，从而为整个水利信息化服务的业务应用提供强大的平台支撑。

3 基于ASSC的业务系统开发方法

ASSC的实质是以资源整合为基础，在云计算及水利标准上，面向预报、调度、会商、决策等水利业务应用，建立的一个集成计算资源、信息资源、领域知识资源和服务机制的支撑环境，是一个中间性平台。该平台在综合集成服务决策支持系统的支持下，实现了数据、信息、知识的综合集成，使得业务操作人员或者二次开发人员可按照主题提供信息服务、按照需要提供计算服务、按照个性化组织应用提供决策服务和分析服务，并提取人工平行系统中的计算实验成果，采用知识图来关联信息、组织应用过程信息、描述事件和应用主题，开展工作流程管理和服务组合，形成以工程数据、GIS信息、高清影像、数字地形为基础构建的数字化三维仿真模拟环境，从而在水利信息化系统建设中起到支撑作用。

ASSC主要以共享力、整合力、计算力、研究力、服务力等5种能力对水利行业提供支撑服务。其中，共享力将业务应用到的组件及形成的知识图通过平台发布出来，将面向主题图在一定权限范围内进行共享；整合力则将不同部门、不同领域和不同形式的各种数据和信息整合在一起，以多种技术为基础，并同面向多种类型的业务应用整合在一起，为平台中的高层应用提供统一的服务；因为平台涉及到的业务计算量大，所以平台利用网格计算、云计算和平行系统等技术对业务应用提供较强的计算力；研究力是通过平台的通用性、整合能力以及业务应用的不断丰富逐渐体现出来的；由于前4种能力的支撑，平台可为水利行业提供如集成服务、仿真服务、预报服务、会商服务、调度服务等一系列较多的服务能力。通过这5种能力的支撑，可快速将此平台应用到水利行业中。

在ASSC所提供的5种支撑力下，业务应用系统的开发则采用“分散开发，集中搭建”的模式。分散开发针对水利业务应用由不同部门、不同地域的开发人员，通过组件化开发方法来实现一定粒度下的具体业务功能，各业务功能相对独立，以组件作为系统模型或模块的实体，采用知识焦元方式进行可视化表示，并基于服务组合思想通过集中搭建方式将多个组件装配成业务应用系统，从而将水利业务系统建设问题转化为ASSC下的业务组件开发和应用系统搭建问题，应用系统开发只需要实现服务的展现，而不必去实现具体的业务，更不用去关心数据的结构及其存储位置，从而形成基于组件、基于知识图、基于主题、基于可视化的应用模式。粗粒度业务组件可封装数据资源的访问与管理、算法优化方法、调度方案、预报模型，细粒度组件可将粗粒度组件封装加以细化，如将新安江预报模型组件可细分为参数率定、坡地汇流、河网汇流、蒸发产流、单位线、精度评定等多个小组件，由小组件的服务组合构成新安江预报模型大组件。在应用系统搭建时，用户只需要调用ASSC提供的服务组件，通过知识图来绘制系统的装配图即可构建自己的应用系统，这种系统具有较强的自主性，能够实现灵活的个性化，而不再需要实现具体的业务功能。并且随着组件、知识图以及面向特定方向的大量知识图所构成的主题图的积累，逐步形成组件库、知识图库和主题库，从而通过组件库解决业务处理过程或方法的组件化，通过知识图库则解决业务信息融合以及决策方案的知识化和可视化，通过主题库则面向一大类同构的业务问题形成由事件驱动的应用主题，进而在共享机制的服务下由组件、知识图、主题快速组织和搭建应用（而不是重新开发应用）。

在ASSC的支持下，如图2所示，业务系统开发的核心是面向服务，因而首先应组织应用主题，围绕应用主题来组织信息和资源，其后在共享知识图库和主题库中检索是否已经存在相关的业务系统，如果不存在则确定组件需求，利用现有组件或者设计开发新组件，给出知识化表示，并按工作流程完成组件的装配，通过知识图来描述信息应用事件、业务过程、应用流程和逻辑关系，把业务应用与相关的信息关联起来，进而构建出业务应用系统。

图2 基于水利应用支撑服务中心的业务系统开发流程Fig.2 Procedure of system development using the application support service center

图3 水利应用支撑服务中心节点分布Fig.3 Node distribution of the application support services center

图4 水利应用支撑服务中心上的组件库Fig.4 Com ponent library of the application support services center

4 系统开发与应用实例

为了验证本文所提出的水利应用支撑服务中心设计思想的正确性和实用性，我们采用J2EE技术，在国家“863”计划和自然基金项目的支持下，基于开源系统Axis［9］，WorldWind［10］，Repast［11］，JGraph［12］初步实现了一个水利应用支撑服务中心，并将系统在行政管理的不同层面上进行了部署。［1］。

图3所示，服务注册与发布平台架设在水利部中央节点上，其完成各水利应用部门所开发组件的注册与发布服务，陕西省水利厅节点和西安市防办节点则分别为2个业务应用节点，并建立了气象信息、计算服务、预报服务、GIS服务、水资源配置、洪水演进、水库调度等14个大类的组件库。

如图4所示，共计开发组件近120个，满足了水文预报、水资源配置、应急调度、污染仿真模拟等方面业务系统建设的需要，使得业务系统的开发基于ASSC平台上的组件来完成，在有效地避免了系统的重复建设的同时也增加了系统的个性化。

图5采用本ASSC实现的一个合水县水资源动态配置系统，该系统依靠现有组件快速灵活搭建而不需要代码开发（系统的实现仅需要按照工作流绘制相应的知识图），可由掌握水资源配置和严格管理知识的操作人员使用已有组件在30 min内搭建完成，并且整个业务系统在可视化表示环境中仅由一个知识图构成，其中地下水水源、规划水库、已建水库、引水管道、退水管道、规划管道均为模型组件，河流为可视化GIS组件，各水源信息、指标信息、定额信息均为信息服务组件，另外平衡组件、配水组件、控制组件和优化组件均为非可视化组件，隐含在系统环境中，共计使用不同组件16个，其中信息组件被该业务系统重用12次，而平衡组件被重用6次。依靠ASSC平台，该系统所对应的知识图在经过简单修改后便能适用于不同县区的业务服务需求，实现对环县、华池县、庆城县、西峰县、宁县、正宁县等庆阳市县区进行配水服务，完成唐儿沟等26个水库、2个污水处理厂、1个调水工程（盐环定杨黄河调水工程）以及教子川等4个拦河闸的调控任务，有效地解决了复杂水资源配置问题。

图5 基于ASSC开发的水资源动态配置系统Fig.5 Dynam ic water allocation system in the app lication support service center

5 结 语

以整合、重构和共享水利业务应用为目的，本文采用综合集成思想，融合多种现代化信息技术，提出了一个水利业务服务应用支撑服务中心ASSC的总体框架，阐述了基于ASSC的业务系统开发方法，并给出了复杂水资源配置系统的开发应用实例。从应用角度来看，ASSC以业务应用组件库、主题库、知识图库为支撑，以主题应用为牵引，能够快速应对水利信息化系统的开发任务，为高效、灵活、可扩展的水利业务系统的建设提供了一个良好平台。

由于此平台涉及面广、功能强大、支撑能力多，在实际运行过程中，存在一些业务应用运行速度慢等问题，因此后续工作将重点研究平台整体计算速度的提高，通过平行系统和云计算等快速服务技术的完善和成熟，及与此平台的流畅对接，进一步增强其在水利行业的应用，除此之外，我们还将：①进一步的完善和扩充水利应用组件库、主题库以及知识图库；②依靠已开发水文预报、水资源配置、应急调度、污染仿真模拟等业务系统，加快ASSC平台的推广，逐步实施平台服务的产业化。

［1］ 蔡 阳，周维续，詹全忠，等.水利信息系统运行保障平台研究与应用［J］.中国水利，2010，（3）：27－29.（CAIYang，ZHOU Wei-xu，ZHAN Quan-zhong，et al.The Research and Application Platform of Water Conservancy Information System Running Security［J］.China Water Resources，2010，（3）：27－29.（in Chinese））

［2］ 倪晓军，郑 龙.基于软件复用的水利信息系统的柔性化设计［J］.科学技术与工程，2011，11（8）：1822－1827.（NIXiao-jun，ZHENG Long.The Flexible Design Approach for Water Information Systems Based on Software Reuse［J］.Science Technology and Engineering，2011，11（8）：1822－1827.（in Chinese））

［3］ 宋东明，朱耀琴，吴慧中.综合集成研讨厅问题求解过程中的问题分解研究［J］.系统仿真学报，2008，20（18）：4927－4931.（SONG Dong-ming，ZHU Yao-qin，WU Hui-zhong.Study on Problem Decomposition of Problem Solving Process in Hall forWorkshop ofMet Synthetic Engineering［J］.Journal of System Simulation，2008，20（18）：4927－4931.（in Chinese））

［4］ 陈 康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状［J］.软件学报，2009，20（5）：1337－1348.（CHEN Kang，ZHENG Wei-min.Cloud Computing：System Instances and Current Research［J］.Journal of Software，2009，20（5）：1337－1348.（in Chinese））

［5］ 李 波，解建仓，李建勋，等.网格环境下的水利高性能计算平行系统及应用［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2010，39（增刊1）：198－201.（LI Bo，XIE Jian-cang，LI Jian-xun，et al.High Performance Parallel Systems ofWater Resources in Grid Environment and Its Application［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2010，39（Sup.1）：198－201.（in Chinese））

［6］ 常丰峰，刘 艳，阎保平.网格环境下的数据集成中间件的设计与实现［J］.计算机应用研究，2006，（5）：131－133.（CHANG Feng-feng，LIU Yan，YAN Baoping.Design and Implementation for Data Integration Middleware under Grid Environment［J］.Application Research of Computers，2006，（5）：131－133.（in Chinese））

［7］ 唐 磊，淮晓永，李明树.一种基于上下文协商的动态服务组合方法［J］.计算机研究与发展，2008，45（11）：1902－1910.（TANG Lei，HUAI Xiao-yong，LIMingshu.An Approach to Dynamic Service Composition Based on Context Negotiation［J］.Application Research of Computers，2008，45（11）：1902－1910.（in Chinese））

［8］ 何 牧，孙中轶，蔡鸿明，等.基于网格向SOA提供资源的设计和实现［J］.计算机工程，2006，32（21）：110－112.（HE Mu，SUN Zhong-yi，CAIHong-ming，etal.Design and Implementation of Grid-based Resource Supply to SOA［J］.Computer Engineering，2006，32（21）：110－112.（in Chinese））

［9］ 冉春玉.赵凌燕，郝 锐，等.用Apache Axis开发Web服务［J］.计算机应用，2004，24（5）：140－142.（RAN Chun-yu，ZHAO Ling-yan，HAO Rui，et al.Developing Web Service Based on Apache Axis［J］.Computer Applications，2004，24（5）：140－142.（in Chinese））［10］卢海滨，郑文锋，银正彤.等.NASA World Wind JavaSDK数字地球客户端开发［J］.测绘科学，2009，34（3）：169－171.（LU Hai-bin，ZHENGWen-feng，YIN Zhengtong，et al.NASA World Wind JavaSDK Digital Earth Client Development［J］.Science of Surveying and Mapping，2009，34（3）：169－171.（in Chinese））

［11］姜昌华.韩伟，胡幼华.REPAST——一个多Agent仿真平台［J］.系统仿真学报，2006，18（8）：2319－2323.（JIANG Chang-hua，HANWei，HU You-hua.REPAST：A Multi-agent Simulation Platform［J］.Journal of System

Simulation，2006，18（8）：2319－2323.（in Chinese））

［12］肖迎宾.夏阳.基于JGraph的WebGIS研究与开发［J］.计算机工程与设计，2007，28（1）：220－223.（XIAO Ying-bin，XIA Yang.JGraph-based WebGIS Research and Development［J］.Computer Engineering and Design，2007，28（1）：220－223.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

App lication Support Service Center for W ater Resources Information

LIJian-xun1，XIE Jian-cang2，LIWei-qian2，GUO Lian-li1
（1.School of Economics and Management，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Water Resources Research Institute，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

An Application Support Service Center（ASSC）featuring information integration，decision-making assistance and computing support is proposed by adoptingmeta-synthesis in association with cloud computing，component technology，workflow，computing experiments，visualization，parallel system and knowledge graph.Methods of developingwater service system using the ASSC are presented，and an application example about the system construction for dynamic allocation of water resource is given.Practices show that the platform can quickly respond to the development tasks ofwater information system.It is a good platform for the construction ofwater service system of efficiency，flexibility，and scalability.

application support service center；meta-synthesis；parallel system

TV311

A

1001－5485（2013）01－0071－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.014

2011－11－16；

2012－03－30

国家高技术研究发展计划（863计划）（2006AA01A126）；国家自然科学基金资助项目（51109177）；教育部人文社会科学研究青年基金项目（10XJCZH002）；公益性行业科研专项（201001011）；西安理工大学优秀博士学位论文基金项目（106－211105）；陕西省社会科学基金项目（11D041）

李建勋（1977－），男，陕西乾县人，讲师，博士生，主要从事水利信息化、决策支持系统研究，（电话）029－82312494（电子信箱）jxli＠xaut.edu.cn。