基于云计算的水资源管理预警专家决策系统

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(西南科技大学 a.特殊环境机器人技术四川省重点实验室；b.信息工程学院，四川 绵阳 621010)

1 水资源管理决策

水资源是国民经济和社会发展的基础设施和基础产业，水资源信息化能够全面提高水资源建设的效能及效益。水资源专家决策系统能够为水资源数据的实时查询、评价与预测、优化管理与调度、统计分析和决策、水资源电子政务等提供支持[1-2]。为水资源规划与管理走向信息化、网络化、智能化奠定坚实的基础。目前已有一些流域机构和地区部门建立了相关的系统, 如黄河下游水资源管理决策支持系统、邯郸市水资源管理决策支持系统等。

云计算被视为信息技术的第3次IT浪潮，是我国战略性新兴产业的重要组成部分，已成为当前全社会关注的热点。云计算是将分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化等融合发展的产物。本文基于云计算架构设计了水资源预警的专家决策系统，系统采集了水资源相关的信息资源，并对这些信息资源进行存储、分析管理以及实时检测，最终形成决策支持的软件系统[3-4]。

2 系统模型

如图1所示，该系统软件分为4个层次，分别为物联网数据接口层、云计算平台层、业务应用表示系统、用户决策支持系统。

图1 系统架构

物联网数据接口层负责将实时信息数据资源通过实地传感器远程通信获得。这些实时数据包括：①水情信息，包括河道、水库、地下水的水位、流量、流速等；②雨量信息，包括雨量大小及分布；③工情信息，包括排涝泵站、闸站，灌溉泵站、阀门等，该信息要具有一定的时效性；④取水供水信息，包括城市供水、农村供水监测，包括用水量、水费等。

云计算平台层包括GIS系统、各种数据库系统。GIS为整个信息系统提供地理支撑，所有工程信息的发布均在地图上标示。数据库系统主要用于各类信息数据的存储，便于上层的数据访问。同时云计算平台层提供数据交换、传输、及共享[5-6]。

业务应用层采用的是B/S构架，该层主要负责：①信息资源的地理空间发布查询与检索；②泵站、闸站等水资源工程的远程监控系统；③灌溉预报及控制；④防汛抗旱指挥系统包括门户网站、水量调度模型、洪水预报模型、防汛物资调度等。

用户层主要是通过研究和分析系统提供的信息资源、数据和背景资料，采用仿真、智能模拟等手段建立决策模型，并通过人机交互功能进行分析、比较和判断，为正确的决策提供必要的支持。

3 系统建设的关键技术

本系统涉及的关键技术包括：云计算技术、Ajax交互技术、Web GIS技术以及专家决策模型。

3.1 云计算技术

如图2所示，云计算是在服务器、存储器和网络设备等硬件的基础上运用并行编程、数据管理、分布式存储、虚拟化技术来实现的。

图2 云计算结构图

3.1.1 并行编程

本系统采用的是Google开发的MapReduce并行编程模型，该模型的核心思想是将要执行的问题分解成Map(映射)和Reduce(化简)的方式，如图3所示，假设有M个Map操作和R个Reduce操作，先通过Map程序将数据切割成不相关的区块，分配(调度)给大量计算机处理，达到分布式运算的效果，再通过Reduce程序将结果汇整输出[7-8]。使用MapReduce开发并行处理程序时，需要编写如下2个函数。

图3 MapReduce 模型

(1) Map：(in_key,in_value)?{(keyj,valuej)|j=1…k};其中输入参数in_key和in_value表示Map需要处理的原始数据，(keyj,valuej)是输出结果对，是经过Map操作后产生的中间结果。

(2) Reduce：(key,[value1,…,valuem])?(key,final_value)；其中(key,[value1,…,valuem])是Reduce的输入参数，Reduce将输入参数中相同的Key对应的Reduce进行归并处理，最终形成(key,final_value)的结果。

3.1.2 分布存储

云计算系统采用分布式存储数据，使用冗余存储的方式保证数据的可靠性，本系统采用的是Google的GFS(Google File System)文件系统，该系统可以运行于普通的硬件上，为大量的用户提供高性能的服务。

3.1.3 数据管理方面

本系统采用的是Google的BT(BigTable)数据管理技术，与传统的关系数据库不同，它把所有数据都作为对象来处理，形成一个巨大的表格，用来分布存储大规模结构化数据。

3.1.4 虚拟化技术

将软件应用与底层硬件相隔离，该技术可以将单个资源划分成多个虚拟资源的裂分模式，也可以将多个资源整合成一个虚拟资源的聚合模式。

3.2 Ajax交互技术

由于信息传输量的增加，使得服务器在处理请求时，采用传统的Web应用同步交互方式时，只有当最终响应传输到请求时，整个页面才会刷新显示处理的结果，浏览器的用户必须等待，使用户的体验变得不连贯。

本文采用Ajax(Asynchronous JavaScript+XML)异步交互处理方式能较好解决该问题，它将JavaScript和XML技术结合，使用SMLHttpRequest对象发送请求并获得服务器端的响应。如图4所示，Ajax可以在不重新载入整个页面的情况下使用JavaScript实现最终页面的更新。因此在读取数据过程中，用户面对的不是白屏，更新是瞬间的，对用户来讲是一种连贯的感觉，界面的响应速度得到显著改善，从而提高了用户体验。

图4 异步交互技术

3.3 Web GIS技术

如图5所示，Web GIS技术为地理信息和GIS服务提供了新的应用平台，通过Web GIS可在Internet上分布和出版空间数据，用户只需使用通用的Web浏览器进行空间数据浏览、查询分析，具有广泛的访问范围、良好的可扩展性、系统成本大规模降低、系统操作更简单等特点。

图5 Web GIS技术应用

3.4 专家决策模型

专家系统ES(Expert System)是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机软件系统，具有知识汇集、知识获取与更新及启发性推理的特点，能够为决策者、管理者提供训练、试验、仿真手段的能力[9-10]。

如图6所示，本系统设计的水资源预警专家决策系统通过传感器提供降雨、气象、温度、湿度等实时数据，运用物联网技术将其接入云服务器端，与历史数据进行融合，运用专家系统的基本原理和技术，总结和汇集水资源专家的大量经验和知识，研究和分析系统提供的信息资源、数据和背景资料，采用仿真、智能模拟等手段建立决策模型。本文提供了智能灌溉决策系统模型。

图6 专家决策系统

4 系统展示

4.1 水雨情查询分析系统展示

本系统针对水雨情数据的特征：水雨情数据种类多、信息量大，又涉及空间分布，一般通过图形与相关属性数据结合，用地图作为信息载体才能更完整地表达它们的空间属性。

如图7所示，采用GIS技术，可将一个地区区域分布图(底层图)显示在计算机屏幕上，通过选取不同的信息区域，查询、分析出该地区的水情信息，并辅以动态编辑修改、查询分析。利用WebGIS将地理信息发布于网络上，在网络的任意一个结点，用户都能浏览到WebGIS站点上的水雨情数据，制作专题地图，进行空间查询检索以及空间分析。

图7 雨水情监视预警系统及其短信发送

4.2 汛情预报系统

如图8所示，汛情预报系统能够对流域数据、模型参数、运行条件等进行配置，并且可以改变预报断面和预报方案，以及组建水系预报流程；建立与实时雨水情数据库、历史洪水数据库、洪水预报数据库、图形库、气象产品资料库等数据交换接口，特别是预警发布系统的信息交换接口；系统设计满足分布式计算要求，减缓大量用户同时进行洪水预报操作时系统对运行环境的压力。

图8 汛情综合查询及水位月报表

4.3 云计算的展示

该水资源预警专家决策系统是基于云计算架构设计的，分为指挥中心和移动终端2部分，因此可以通过中心站和移动终端同时对各闸站防汛工作进行指挥调度和通信联络，如图9所示。实时掌握水雨情数据和水雨情动态等各方面参数，为防洪安全分析、数据管理和调度决策提供实时、可靠、稳定的依据，满足水资源现代化的要求。

图9 移动终端系统及与中心站信息交互

5 结 论

水资源系统的好坏关系到国计民生的大事，而水资源管理当前的现状已不满足实际的需要。本文设计的水资源预警专家决策系统利用云计算架构实现了对水雨情数据和水雨情动态、汛情等各方面参数的实时监测，并结合专家系统的知识库数据进行可靠分析及推理，最终为各级水资源单位提供有据可依的决策支持。

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