淮安区防汛防旱指挥系统设计与实现

王龙宝，陶飞飞，吕 鑫，余 霖，韦明伦

（河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098）



淮安区防汛防旱指挥系统设计与实现

王龙宝，陶飞飞，吕 鑫，余 霖，韦明伦

（河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

摘 要：针对淮安区防汛防旱信息系化建设中存在的问题，合理整合淮安市已建成的信息化资源，通过淮安市水利局私有云实现资源整合与数据共享，给出已建云平台的实施方案。采用 Java EE 相关技术，构建灵活的系统中间层，最终实现淮安区原始办公形式向高效信息化办公形式的转变和 GIS 地图预警，提供防汛防旱参考解决方案，大大提高淮安区水利局日常办公效率，加速淮安区信息化建设的步伐。

关键词：防汛防旱；信息化；私有云；中间层；Java EE；效率

0　引言

近年来，我国在防汛信息化建设方面做了大量的基础工作。张永进等［1］开发了不同级别的基于现代信息技术的防汛决策支持系统，建立了防汛决策系统的总体框架、设计开发了 AAF 中间件框架、水利信息门户的开发、设计开发了 WRAF 中间件开发平台和核心示范系统。吴常清等［2］认为私有云的使用可提高企业的硬件资源利用率，降低企业的成本，除此之外，还能提高企业数据的安全性和服务的可靠性。姜毅［3］等提出私有云平台的构建可以采用研究机构自行开发、商业解决方案和使用开源解决方案 3 种模式。沈筱飞等［4］提出了基于云细算的信息资源整合方案，构建了水利信息资源集成模型。冯彦清等［5］提出将 OpenStack 中间件部署在OpenStack 基础设施之上并向上层提供服务。周力峰［6］指出以云计算为核心的新技术应用将会有助于提高水利科研核心竞争力。上述研究对我国防汛抗旱信息化、现代化和全面提高我国防汛抗旱决策能力和水平起到了巨大的推进作用。

国家防汛抗旱指挥系统一期工程投入运行，取得了显著的社会和经济效益［7］，淮安市防汛防旱指挥部办公室根据汛情及时制定防洪调度方案［8-9］，建设了具有高可用性及扩展性的私有云（IaaS）平台并投运了一批防汛防旱业务应用系统。但是在以淮安市为中心的其他区县，从目前的建设与使用情况来看，防汛防旱业务应用系统仍存在很多问题。特别是淮安区，由于计算机基础设施缺乏，导致防汛抗旱信息化建设缓慢。为加快淮安区信息化建设的步伐，提高防汛抗旱指挥决策和业务工作的现代化水平，应在充分继承淮安市水利局私有云（IaaS）相关业务系统的基础上，开发出可以提供及时、全面、准确的防汛动态信息指挥系统［10-13］，使防汛受益最大化，充分提高办公效益。

针对水利信息化建设中所面对的问题，采用Java EE 相关技术，构建灵活的系统中间层，最终实现淮安区原始办公形式向高效信息化办公形式的转变和 GIS 地图预警，给出基于私有云的防汛防旱参考解决方案。

1　建设目标

淮安区防汛防旱应急指挥系统的建设既要满足自身的要求，又要实现与上层系统的互联与共享。具体要求如下：

1）实现淮安区与淮安市水利局网络互联。

2）依托于淮安市 IaaS 云平台，实现淮安区与淮安市水利局基础设施与水文数据共享。

3）根据水利部颁发的或省制定的标准数据库表结构和数据字典建立淮安区本地特色的淮安区数据库系统，保存淮安区日常水雨情、水位监测等数据并作好数据安全工作。

4）在系统中实现地图预警、地图查询、水雨情查询与上报、用户个人信息管理、报表生成等日常办公功能，替代下线沟通上报数据的工作方式。

5）实现淮安区系统与淮安市防汛防旱系统部分功能模块的无缝对接。

2　总体设计

在淮安市水利局，建立了一个基于 CloudStack的私有云［14］（IaaS），可以快速、轻松地在现有的基础设施上提供弹性云服务，且市水利局具有一个设施完备、功能齐全的市级防汛防旱指挥系统。考虑到淮安区计算机基础设施不足的情况，将淮安区防汛防旱指挥系统部署在淮安市水利局的私有云（IaaS）云平台之上，从而淮安区无需独自购买计算机硬件设备。此外还可以实现资源共享，减少重复开发。根据淮安区信息多来源、多类型的特点，以及业务中对多源信息的集成分析与服务共享需求，在构建淮安区系统中，在无缝继承网络通信设施、平台软件的基础上，基于 Java EE 平台［14］，采用B/S 架构，采用多层体系结构，构建平台的整体框架，将淮安区系统设计成一个集数据整合、管理、分析、上报和预警于一身的具有良好扩展性的办公平台。一方面为信息的采集、传输、整合提供功能完备的综合信息采集平台。另一方面，利用 GIS 技术［2］，实现淮安区各重要河段、抽水站的预警功能。最后，将淮安区一些原有遗产系统无缝接入防汛防旱指挥系统中，形成一个具有健全功能的信息化系统。

遵循设计思想，参照国家防汛抗旱指挥系统二期工程中系统集成与整合总体框架的分层设计方法，也符合江苏省防汛防旱指挥系统设计指南。防汛防旱指挥系统总体框架自下至上分为基础设施层、数据层、应用服务层和应用层等 4 个层次，总体框架如图 1 所示。

其中基础设施依托于淮安市水利局云平台，由淮安区向淮安市水利局申请淮安区防汛系统所需硬件资源，创建虚拟机。通过水利内网将系统部署在淮安水利云平台之上。

图1　系统总体架构

考虑到淮安区信息来源广泛、数据类型繁多等特点，数据层集成了多个数据库，主要包括：

1）淮安市水利局数据库。淮安市水利局数据库的数据与淮安水文局数据相同，包含了淮安各地区主要河流、水库、泵站、堰闸的相关数据，为应用服务层水情、雨情分析等服务模块提供有效数据。与淮安水文局数据库不同的是，淮安市水利局数据库的网络更为稳定，能够为淮安区系统提供更为可靠的数据传输服务。

2）淮安区水利数据库。由于市水利局中只有大型河流、水库、泵站的数据，对于淮安区本地一些相对较小却对淮安区日常水利办公十分重要的小型河流和泵站，则需要借助于淮安区水利数据库。淮安区水利数据库作为淮安区防汛防旱指挥系统的核心，为淮安区日常办公提供重要的数据保障。

3）原有水位监测数据库。该数据库有淮安区水位监测系统所有，实时存储了淮安区 5 个重要测点的数据，为原水位监测服务提供数据来源。

应用服务层介于数据层和应用层之间，是系统的业务核心。应用服务层对数据层的不同数据进行整合、分析与封装，为应用层业务提供规范、可靠的服务。如用户管理服务，为用户管理模块实现统一用户管理、单点登录、用户信息查询与修改等服务；数据访问服务，隔离应用层与数据层，实现统一的数据上报、查询等功能。

3　功能设计

淮安区防汛防旱指挥系统分为 5 个模块，分别是地图、水雨情查询与上报、用户个人信息、报表生成和公共功能等模块。

3.1地图模块

地图模块是办公信息化系统的重要组成部分，需要实现淮安区各类水利信息在地图上的查询与实时预警功能。地图采用 ArcGIS 技术，详细展示淮安区平面地图，在地图上可以点选所有淮安区相关站点、河流的信息。用户还可以通过地图点选查询或搜索框对相应站点的水位、降雨量、流量的信息的查询。地图搜索与查询业务流程如图 2 所示。

图2　地图查询

在预警功能中，地图模块发挥了重要的作用，如图 3 所示。当用户打开地图预警页面时，地图能够自动实时地查询相关站点的水利数据，当水位、降雨量或者其他相关参数超过警戒值时，会通过图像显示及声音报警的形式通知用户，并在地图上标记处相关站点。能够实时监控各个站点及时发现险情。此外，系统还会通过查询对应站点防汛预案，确定险情级别，给用户提供参考的防洪策略。

图3　地图预警

3.2水雨情分析模块

原有的水情、雨情查询、上报都需要人工的方式，由淮安区管辖下的站点人员每天 8 点以前以打电话的方式，向淮安区水利局口头上报，再由水利局相关人员手工记录数据，将水雨情数据以纸质档案留存。如图 4 所示，在防汛防旱指挥系统中，各站点工作人员可以使用各自的账户登录系统，根据用户权限选择自己的站点进行数据上报。上报的数据存入云端淮安区数据库中保存，数据库具有备份功能，可以有效防止数据丢失与破坏。此外，水利局及各站点工作人员可以实时查询各个站点的水雨情数据，如果有迟报、漏报、错报数据的情况，可以清楚地在系统中看到，以便水利局督促工作人员更正信息。

3.3用户管理与授权模块

用户信息模块是系统安全的基础保障，它记录了所有工作人员的相关信息，包括用户名、权限、联系方式等。在使用防汛防旱指挥系统前必须登录，登录后系统会根据用户地具体权限提供不同级别的功能，所有功能模块都必须嵌入权限检测程序。特别是在水雨情上报的时候，只有拥有对应权限的用户才能够上报站点的水雨情，否则只具有查看的功能。此外，当水雨情出现迟报、漏报、错报或者某站点、河流有洪水险情的情况时，可以在用户信息模块查询取得对应站点的负责人联系方式，以便及时与相关工作人员取得直接联系。

图4　水雨情查询与上报

3.4信息发布模块

水利局每日需要生成水情、雨情报表，报表中需要对当日水位、降雨量等信息与前一日水位、降雨量进行对比分析。原有的报表都是手工录入的纸质报表，不仅需要人工计算，整理还不方便传阅。如果工作人员书写或者计算错误，也难于发现。防汛防旱系统生成的电子报表可以由系统自动计算生成，保证了数据的正确性。工作人员可以将报表以Word的形式传阅，减少纸质版打印的麻烦。报表生成模块流程如图 5 所示。

3.5公共功能模块

由于淮安市水利局已经开发建设了一套完整的水利办公系统，淮安区作为淮安市的一部分，一些功能、数据可以实现共享。公共功能模块主要是接入淮安市水利局的部分功能模块，达到资源合理利用，节省开发成本的目的。如气象信息模块，天气预报提供长期、中期和当日预报的查询；天气形势为气象部门提供每日6，18 时的天气资料；24 h 降雨量及卫星云图等气象信息。公共功能流程如图 6所示。

3.6视频会商模块

图5　报表生成

图6　公共功能

视频会商是防汛防旱工作中重要的机制。在旧版系统中存在着许多不足，比如视频通话和会议的质量和流畅性较差，功能不够完善等问题。在淮安区防汛防旱指挥系统中采用 4G 技术完善视频会商系统，使该功能模块能提升视频会议和通话的质量，确保声音、画面的流畅，并且提供智能手机与平板电脑等方式来接入省、市、县三级视频会商系统。

该模块规有 5 个具体的服务如图 7 所示，分别是：

1）视频通话服务。在传统语音通话的基础上，增加了视频通话的功能，使得用户可以得到面对面的用户体验。

2）视频会议接入服务。会议中心领导能够与现场巡查人员通过 3G 网络进行实时视频通话的功能。在服务器端架起视频会议服务器，生成 FLV 会议直播文件，嵌入相应网页，手机和平板电脑用户点击视频会议进入。

3） 移动视频服务。在运营商提供的相关技术条件及环境支撑下，调用科达公司软件实习移动视频服务。

4） 视频监控服务。在运营商提供的相关技术条件及环境支撑下，调用视频软件 API 开发视频监控服务。

5） 险情图片视频上传服务。手机和平板客户端通过拍摄工情险情等图片和视频资料后，添加位置定位信息等可以直接上传至系统后台服务器端，后台服务器端可以对图片进行存储管理，拍摄的图片和视频亦可直接存于手机，供以后所需进行使用。

图7　视频会商模块

3.7私有云平台

构建的云环境旨在为分布于不同地域的水利相关部门提供一个公用的数据和业务存储计算平台，意图解决水利数据存储、分布的结构差异和分散问题。从功能和业务 2 条线路将信息资源进行整合，有益于异构数据的集成使用，实现数据交换、计算的便利，使管理效率更高，也将大大增加信息的安全性。在淮安水利云平台可获取的服务按用户级别分为 4 类，基础设施、数据、平台和软件等服务。搭建淮安水利信息资源“云计算平台”，实质上就是对上述资源进行合理整合的过程，将其各个子系统作为模块集成到平台上，包括新功能模块的部署、遗产系统的迁移等任务，再以云服务的形式发布。

云平台系统的集成工作还涉及与移动运行商平台的交互。以云平台为核心，充分利用移动运营商 4G 网络和视频通讯技术，构建了将防汛抢险现场、各级指挥中心、决策专家连接在一起的实时移动网络视频可视化会商环境，为防汛应急指挥决策提供支持。防汛防旱云平台应向用户提供通过除PC 终端访问外，平板电脑和智能手机访问的方式。并且，可以通过智能手机或平板电脑定制相应的云服务、接收实时防汛防旱彩信及参与视频会商等，实现一站式的云计算服务体系，平台体系架构如图 8所示。

在云平台的体系结构图中，由物理层、基础设施层、服务层和表现层和客户端层组成的多层体系结构，并包括跟移动运行商平台的接口。

最底层的是物理资源层。物理资源层主要提供了整个平台物理资源，包括各种服务器、PC 机器等计算机及交换机等网络设施，它提供了云计算平台的物理载体。依照其在平台中的不同角色，将服务器划分为 2 类节点，分别是云平台管理和计算节点。云平台管理节点主要部署云平台的资源管理服务，而云平台计算节点主要提供虚拟机的计算资源。

在物理层之上是基础设施层，配置CloudStack，在云平台计算节点之上，利用 KVM 虚拟化平台，上面可划分虚拟机。虚拟机上可以部署各种服务和利用迁移、拷贝技术将遗产系统部署在虚拟机上。通过门户，将各个服务以统一的方式管理和呈现。对用户而言，可以通过 PC 机、笔记本电脑、平板和智能手机访问云平台所提供的服务。

图8　基于云计算的淮安防汛防旱信息集成平台体系架构图

在基础设施层上是服务层，服务层主要提供了各个具体的服务功能模块。

在表现层，为不同功能模块提供了多样的访问方式。对于遗产系统，由于其难以进行二期开发，因此平台主要提供了虚拟机的访问方式。用户可以通过远程桌面接入平台，对于遗产系统进行访问。同时，平台集成的如基础信息查询、防汛预警、信息发布、水利对象数据维护等模块，提供了除 PC 端、智能手机、平板等多种云到端的云服务接入方式。

另外，云平台与移动运营商进行合作，并充分利用移动运营商 4G 网络，将 4G 移动视频、视频会商、短信彩信技术相结合，构建了防汛指挥可视化会商、防汛预警系统，从而提供了灾害现场、指挥中心、决策专家的实时网络视频和智能终端的访问方式，实现了水雨情信息的定制和主动推送。

4　结语

淮安区防汛防旱指挥系统是一个辅助淮安区水利局办公的复杂软件系统，采用 Struts2，Spring 框架和 CloudStack，Java EE，ArcGIS 等开发技术，将系统部署在市水利云平台上，提高办公效率，提供防汛决策支持和应急能力。

淮安区防汛防旱指挥系统的优点在于：项目部署在淮安市水利局云平台上，可以按需分配硬件资源，减少淮安区硬件设施开销，提高资源利用率，且能够共享淮安水利局的水文数据，实现淮安区防汛防旱系统与淮安市防汛系统功能模块的无缝衔接；实现了灵活的系统中间层，能够在最少修改系统的前提下新增、删除、功能模块，具有良好的扩展性和代码重用性。

淮安区防汛防旱指挥系统已于 2015年正式投入使用。实践表明，防汛防旱指挥系统实现了水情、雨情、气象、卫星云图等基础信息的条件、可视化查询；实现了水雨情电话手工上报数据转为系统录入、一键导出防汛报表，大大提高了办公效率，取得了很大的经济效益。

淮安区防汛防旱指挥系统目前只实现了与淮安市水利局之间的数据共享与功能衔接，未能与淮安市其他区县实现直接数据共享，在今后的研究工作中，将致力于充分利用淮安市水利局云平台的优势，实现淮安全市、区数据共享，增强区、县之间的沟通能力。

参考文献：

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Design and Implementation of Flood Prevention and Drought Relief Command System in Huaian District

WANG Longbao，TAO Feifei，LV Xin，YU Lin，WEI Minglun
（College of Computer and Information，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract:In view of the existing problem of the flood prevention and drought relief information construction inHuaian District，the article integrates rationally the present information resources of Huaian City. The integration of resources and data sharing can be achieved by the Huaian Municipal Water Conservancy Bureau of private cloud，so that implementation scheme of cloud platform is given. Middle layer of flexible system is built by using Java EE technology to finally realize the transformation of the original form to the efficient information working form，GIS map warning of Huaian area. The system provides reference for flood prevention and drought relief solutions，greatly improves the daily work efficiency of water resources bureau，and accelerates the pace of informatization construction in Huaian district.

Key words:flood prevention and drought control；informatization；private cloud；intermediate layer；Java EE；efficiency

中图分类号：TV87

文献标识码：A

文章编号：1674-9405（2016）03-0066-07

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.015

收稿日期：2015-12-25

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（201501007）

作者简介：王龙宝（1977-），男，江苏盐城人，讲师，主要从事大数据、云计算、信息技术项目管理研究。