水文信息化功能模型应用实践

(长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 400025)

1 研究背景

信息化是21世纪科技发展的重要产物，水文信息化是水文行业走向现代化的工具，同时也是水文现代化的基础，对新形势下水文行业的发展有着重要意义。水文信息化建设的参与者应抓住当前发展的好时机，认真总结工作中的经验，建立清晰的信息化框架结构，明确发展方向，努力使水文信息化建设达到新的高度。

长江上游水文水资源勘测局(简称“上游局”)，隶属于水利部长江水利委员会水文局，主要负责长江巫峡以上干流和主要支流的水文测验、水文水资源勘测设计、水环境监测与分析评价、水文情报预报、河道勘测、测报自动化仪器设备研制及水政监察工作。上游局信息化建设从起步到现在已经历了20 a发展历程，目前上游局正努力提高信息化水平，以全面支撑各项水文业务工作需要。但上游局在信息化最初的十多年时间里发展较慢。由于缺少系统的管理和整体把控，信息化工作仅以解决眼前水文需求为目的，导致了部分重复性建设、人员分工不明确、网络结构不合理，到了后期已是负重前行，每当提出新的需求，都需花费较长时间来梳理、重新整合资源，造成事倍功半的后果。

自从上游局搬迁入住新基地以来，网络管理员逐步树立新思路，探索新形势下的水文信息化功能模型，以新理论支撑信息化工作，使上游局网络信息化建设步入快车道。伴随着科技进步和智慧水文的倡导，水文工作对信息化依赖度逐步加大，当前长江上游水文信息化工作重点是加快信息化发展的步伐，满足职工日益增长的对高效便捷水文工作的需求。因此上游局不仅需要配备高端的设备、尖端的技术和优良的队伍，更需要研发一套适合的理论模型来指导工作，以全面提升信息化水平，从而最终实现智慧水文的目标。

2 功能模型分析

上游局迁入新办公楼后，对信息化结构做出重大调整，采用了模块化理念进行布局。经过1 a多的调整优化和经验总结，上游局信息化结构逐步完善。信息化按照功能划分，形成7层功能模型，分别为硬件下3层，即物理层、网络层、虚拟层，软件中间层，即数据层、软件层，以及上面的应用层和管理层。7层功能模型每层所使用的技术相对独立，各层之间又相互依赖(见图1)。下面将按照每层的结构特点从下往上逐层分析。

图1 信息化建设7层功能模型示意

2.1 物理层

物理层指网络信息化最基础的硬件设备及布设情况，包括机房搭建状况、机柜摆放位置、设备上架形式、各种线路布设方式等，是实际存在的与网络信息化相关的硬件设备，是信息化发展的基础保障。当新建一座办公大楼或者对旧办公楼进行深入的信息化改造时，第一步就是搭建物理层。机房建设和设备布局将是这个环节考虑的重点。具体内容如下。

(1)大楼弱电覆盖设计。包含每个房间弱电布置、无线ap定位、视频监控、多媒体系统以及门禁系统布线。经过需求调研和反复修改，制作出最完备的设计方案。

(2)机房框架设计(见图2)。机房框架设计是整个信息化建设的物理核心，如有失误后期将很难调整，因此机房的选址以及面积规划将是重点考虑因素。应根据单位情况与资金状况对机房评级，不同的级别制定不同的建设标准。

图2 上游局机房

(3)机柜及设备摆放标准。根据信息化业务量与制定的网络结构，决定机柜的数量、摆放方案以及机柜内设备的上架方案。一般来说应根据功能定义机柜用途，大型机房应根据功能片区定义机柜群，每种功能应有端头机柜，中小型机房应按照功能区分每个机柜的用途，另外应对未来的扩容留有余地。

(4)网络布线(见图3)。网络布线非常考验施工工艺，要求数据中心的走线方式既美观、方便操作又能便于后期管理维护。每年机房设备都有一定程度的更替调整，应根据情况对机房的网线进行重新梳理，尽量保持线路整洁。

图3 标准布线工艺

(5)标签规范。对于信息化设备和线路，规范标签尤为重要。在设备上批注标签可方便后期维护，线路上按照规范贴标签可对后期查询和处理故障带来极大便利。

上游局目前已实现局本级、下属分局的物理层标准化布设，正在努力将信息化功能延伸到基层测报一线，再经过1 a的努力，上游局将整体实现信息化硬件基础标准化架构，为后续信息化工作的开展做好基础保障。

2.2 网络层[1]

网络层主要对信息化网络逻辑结构进行规划和配置，是信息化的筋脉。不同的网络结构具有不同的特性和优缺点，根据实际办公需求选择合适的网络结构非常重要。选择得当可以降低网络部署成本，同时保证网络数据传输效率以及提高安全性和可靠性。网络层是在物理层基础上搭建起来的，需要物理层提供硬件支持。网络层需要考虑概括如下问题。

(1)内网结构设计。为便于管理与维护，单位上下级机构应采用统一的网络结构，区分核心区、业务区、办公区、外联区和互联网出口区，各区域功能既明确又相互联系。特别要注意区分骨干网、重要业务区域与分支线路，重要的部位应采用多备技术手段，提高网络稳定性和传输效率。

(2)外网边界设计。网络配置上应对外网连接进行统一规划，规范广域网边界结构，以便于后期维护和未来扩展。若条件允许，内网与外网连接应采用多线路设计，保证有安全冗余。

(3)网络资源规划。内网的网络资源应提前规划，如IP地址划分应形成甘特图等资料，内部虚拟子网划分应遵循前期制定的规则。

(4)网络安全。适当采购网络安全设备，构建安全的网络结构，包括边界网络安全，出口网络安全，增加访问控制、日志审计、防篡改等功能以及建立DMZ区等。还可根据网络安全需求建立物理隔离的涉密专网或涉密计算机。

网络层是水文数据传输的通道，也是水文相关业务访问的载体。为打造安全、稳定、高效的网络经脉，在满足网络层的基本要素外，上游局应采用定制方案，对不同的应用采用不同安全级的网络。河道数据专网、财务专网采用物理隔离的独立网络构建，再辅之以门禁、摄像头和网络监控软件，打造高安全级网络；水情网应采用多重安全防护逻辑隔离的网络构建，上游局将本级及下属分局的水情专网统一管理，采用态势感知系统进行集中式监控，辅助运用软、硬件防火墙和杀毒软件，满足日常的安全需求；办公网则主要考虑用户使用方便，采用专线、VPN、互联网等方式，将本单位内网、异地分支机构、临时外出办公人员汇聚于一张广域网中，充分发挥网络互联互通的优势，为信息共享、异地办公创造基础条件。

2.3 虚拟层

虚拟层主要指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，通过重新定义划分IT资源，实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，从而显著提高计算机的工作效率和程序运行环境的安全性。虚拟层是物理下3层的最高层，它将整合下层的基础资源，为上层管理维护、数据库运行、软件研发、报汛业务、信息化服务提供灵活多变的应用服务。虚拟层需要考虑以下问题。

(1)单机虚拟化。单机虚拟化为用户提供可在单一桌面上同时运行不同的操作系统，是开发、测试、部署新的应用程序的最佳解决方案，为网络管理员、软件开发员提供学习、研发、工作的虚拟环境，可进一步提高工作效率。

(2)服务器虚拟化[2]。服务器虚拟化通过运用虚拟化技术充分发挥服务器硬件性能，在确保投入成本的同时，提高运营效率、节约能源、降低经济成本和避免空间浪费。对于当前发展迅速、成长较快的水文行业来说，可以通过服务器虚拟化技术带来更多的经济效益。

(3)存储虚拟化[3]。存储虚拟化是对存储硬件资源进行抽象化的表现，为服务器虚拟化提供强大的后台支撑。存储虚拟化需要考虑存储区域网络构建和存储方式选型。存储区域网络包括IPSAN和FCSAN，存储方式包括NAS、ISCSI、FC、VSAN、专用虚拟化存储等。可根据需求情况和经济情况选择合适的存储类型。

(4)桌面虚拟化。桌面虚拟化是指将计算机终端系统进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性。可以通过智能设备，在任何地点、时间通过网络访问属于用户个人的桌面系统，这将为后续信息化管理、应用提供极大的便利。目前流行的桌面虚拟化软件包括VMware公司和思杰公司的云桌面产品。

(5)虚拟化备份。虚拟化后的操作系统是以文件形式保存在存储介质上，为了保证这些文件的安全，需要对虚拟化操作系统文件进行实时备份和远端备份，进一步保证虚拟化环境的安全。

(6)形成虚拟池。单位内避免各部门单独搭建服务器，应以虚拟化技术为基础，形成统一的虚拟池，将服务器的各种硬件功能以资源的形式分配给各部门或个人使用，便于统一管理、减少单点故障、避免资源浪费。

在网络层的基础上，针对不同的应用，上游局建立了多套虚拟化集群，包括专用虚拟化集群、水情报汛虚拟化集群和办公网虚拟化集群，不同级别的信息化应用承载各自独立的虚拟化集群，充分利用现有资源的同时减少互相干扰，达到信息安全的目的。

2.4 数据层

数据是信息资源的最基本元素，水文行业的水文数据资料种类多样、数据量大，包括水情报汛数据、资料整编数据、河道地形数据、水质数据、财务数据、专项数据等。建立一套完整的数据存储模型与备份方案，充分挖掘数据资源，安全共享数据资源，是信息化应用得以持续推进的重要保证，同时数据层为上层软件提供基础数据。该层需要考虑的问题如下。

(1)数据库整体布局。根据单位内不同部门的数据类型和用途进行分类，建立核心数据库、边界数据库、系统数据库，形成数据管理中心，对不同安全级的数据库采用不同方式进行隔离保护，并由数据库管理员统一维护，保证数据安全。

(2)数据库分类。按照数据用途将数据库分为存储类数据库，系统配置数据库，中间成果数据库等。存储类数据库，例如核心数据库保存有重要资料并需要长久保存，是最重要的不可再生的数据库；系统配置数据库，例如水情预报系统的系统配置，存储的软件配置信息，数据量与数据改变较小，如果遗失会造成一定时期运行困难，需要一段时间恢复；中间成果数据库，例如水情信息交换中间数据库，该类数据库的数据只是作为中转用，数据本身没有价值，只需要保留表结构即可。区分数据类别对数据备份、数据安全防护使用何种方法至关重要。

(3)数据传输模型。在水文报汛工作中，数据库布局完成之后要设定数据传输方案，水文实时数据量大且传输频繁，综合考虑后，适当选择应用软件传输、数据库同步传输或者短信传输等传输方式，以达到最佳效果，同时做好备注便于维护和持续改进。

(4)数据备份。数据库备份方式包括自动备份与人工备份，数据库备份介质分为热存储介质和冷存储介质，应从功能上对数据库进行区别备份，存储类数据库应实现自动备份与人工备份相结合，存储方式需要热存储与冷存储并行；参数类数据库由于改变量小，应适时备份即可；中间过程数据库由于数据本身不重要，备份一套数据库表结构或者初始数据库即可。

(5)数据容灾。数据容灾是指建立一个异地的数据系统。对于IT而言，就是为计算机信息系统提供的一个能应付各种灾难的环境。可以说，容灾系统是数据存储备份的最高层次。在经济和管理允许的情况下，可根据单位实际情况适当选择远端容灾备份。

(6)形成数据链。将各部门不同种类数据按规范存储，各存储单元之间形成数据链相互关联，数据之间的交互按照统一规则进行，有利于数据资源共享，同时还便于形成大数据资源链，可供二次挖掘与开发。

水文数据是水文开展各项工作的基础，安全存储、有效管理、合理应用、充分挖掘水文数据是智慧水文重要的工作内容。上游局应结合当前水文工作的相关内容，建立数据层模型，将现有水情、河道、水质等数据库进行分类，并统一管理，更好地发挥水文数据作用，为大数据建立做好准备。

2.5 软件层

软件层主要代表应用软件，它从数据层获取数据资源，经过运算处理为上层应用提供服务。随着信息化进程的加快，各种应用软件应运而生，单位的业务开展、日常办公都离不开软件服务，好的软件能极大提高办公效率。做好软件定义、分类、设计将有助于提高软件研发效率、减少开发成本、最大限度发挥软件功能。

(1)通用传输软件。在水文行业中数据的报送和交互涉及上下级部门、兄弟单位以及水文服务单位等多个单位部门。彼此间的内部业务系统不一致，并且水情部门也有很多水情相关业务软件需要共享数据。因此需要定义标准的传输模式，开发通用类型软件，如数据传输软件、查询类软件。在开发软件时应尽量注意将软件的通用性，可以通过简单的配置进行功能调整，以达到可重复使用的目的。

(2)专用业务软件。水文部门在水情数据的使用上，有专业的算法和独有的业务逻辑，这部分需求是普通信息系统无法实现的。因此需要专用软件完成特定工作，单位内不同部门应研发本部门工作需求的专用软件，通过工作的不断积累，逐步优化完善本部门的专用业务软件，使其能最大限度地满足工作需要，减少人力成本。

(3)建立软件功能库。在研发软件时应按照模块化设计和开发，每个软件模块实现其特有的功能。在长期的使用中积累一些通用的功能模块，逐渐形成软件功能库，便于后期应用时进行组合搭配以实现新的需求，从而降低成本，减少开发工作量，提高开发效率。

(4)探索新领域技术。信息化技术发展迅速，传统功能的软件已经不能满足当前工作需求，软件移动化、触摸化、直观化逐步成为主流，软件研发应朝着新形式下的方向发展，努力探索包括四维仿真技术、VR技术等新技术领域。

(5)制定研发标准。根据单位的软件研发实力，适当结合软件公司，指定统一的开发语言对软件进行研发，形成相对统一的系统开发标准，提高软件的可读性、可维护性与可扩展性。

上游局在研发水文业务软件时，应以软件层模型为参考，从软件分类、建立软件智库、探索软件新技术、制定研发标准等方面出发，努力完善基于水文预报、数据传输、河道勘测等水文业务软件，为上游局水文工作的顺利开展提供优质的信息化服务。

2.6 应用层

应用层是与单位职工最接近的一层，它需要硬件层与软件层的支持，提供各种信息化服务、技术服务和维护服务。具体包括以下功能。

(1)网络应用服务。包括提供DHCP服务、DNS服务、TNS服务、VPN服务、FTP服务、无线WIFI服务等，为信息化使用者提供网络基础服务。

(2)图形类服务。提供图形处理、工程制图、3D制图、地形绘制、图形扫描、打印等服务，包括Photoshop、Coreldraw、CAD、3Dmax、GIS等软件的应用服务。

(3)信息化维护服务。为职工提供系统软件、办公应用软件、打印机和电脑等硬件维护服务，让使用者能将信息化应用于正常办公中。

(4)办公软硬件技术支持。为职工提供与单位业务相关的软、硬件技术支持，包括会商系统使用、多媒体设备应用以及办公软件涉及的签章、认证等技术支持。

(5)安全服务。为提供网络信息安全把关，包括系统杀毒日常维护、系统升级维护、密码设定、涉密信息管理等，让职工有更安全的软硬件办公环境。在发生大面积病毒预警的情况下，应用层网络管理员应迅速反应制定解决方案。

(6)信息化专项工作。在水文行业中包括日常收发水情信息、处理水情预警信息、数据资料提取、各种备份等基础工作，主要是完成单位内各项业务中的信息化工作。

(7)建立资料文档。包括完成各项信息化基础资料的整理工作，按照信息化各项规章制度完成资料填写与归档，将信息化工作推向制度化，为资料存档、历史查询、贯标提供支撑材料。

上游局网络管理员应结合国际IT服务管理实践规范的理论知识，建立应用层模型理论，形成上游局信息化服务目录，为长江上游水文提供各种信息化应用服务，如用户权限统一管理、共享软硬件维护与建立共享存储空间等。信息化工作者基于应用层为各项水文工作提供的服务有着现实意义，通过应用需求与完善的相互促进，使得信息化有了更广阔的发展空间。

2.7 管理层

管理层是信息化建设7层功能模型的最高层，是信息化建设的灵魂，下6层的内容都由管理层进行设计、制定和带领实施。位于管理层的工作人员必须要熟练掌握前6层的原理和应用，通过管理层制定信息化发展规划，高效地带领信息化团队，实现信息化的全面发展。管理层的工作包括如下内容。

(1)人员分工。人员管理包含全部信息化参与者，严格按照7层功能模型进行工作分配，每个人按照技能水平和发展方向分配到不同层次工作，且做到一专多能。

(2)信息化技能培训。为更好地培养人才、储备信息化知识，管理层人员应每年定期举办信息化技能培训，内容应覆盖前6层的知识。管理层人员应通过多种渠道，聘请信息化资深老师进行授课，并应在培训结束后统一组织参加专业认证考试，督促参训人员提高学习效率和课后复习效果。管理层人员应经常组织信息化人员相互学习、交流、总结并探讨工作中的技术难点，营造学习氛围。

(3)信息化援助服务。信息化管理人员应根据多年的从业经验寻求外部技术支持，为前6层选定技术援助服务公司，为本单位信息化水平持续提高提供保障。

(4)软硬件供给。信息化管理人员应协调上级领导，优先为本单位信息化工作者提供高性能硬件设备，为工作正常开展提供硬件保障。同时信息化管理人员应做出信息化发展长远规划，适时为单位争取信息化软硬件资源，包括网络资源、服务器资源、各种正版软件等，确保信息化工作按照定制的规划有序推进。

(5)制度规范。信息化管理人员应根据前面6层模型，深入思考，建立完善各种规范和标准，以便信息化工作者严格按照统一规范和标准实施，为信息化可持续发展提供制度保障。

(6)信息化专项管理。信息化管理人员在接受上级领导下达的专项任务后，要拟定任务计划，合理选择各层工作人员，组建项目团队，以信息化规范制度为指导，按时保质保量完成任务。

目前上游局正在逐步完善管理团队，实现7层模型的科学管理。人员分工逐步明确，7层概念逐步清晰，各层人员技能有序得到提升。通过日常工作和信息化项目经验的积累，上游局逐步形成了信息化统一验收标准和服务目录，并编制有《机房管理制度》、《网络安全维护手册》、《数据库管理办法》等制度规范用于日常工作。

3 结 语

信息化建设7层功能模型是上游局多年信息化工作经验的总结，它最大的优点是融入了模块化理念，将硬件、软件、服务和管理明确区分开来，使信息化的不同功能模块分担不同职责，避免笼统地规划和实施。管理者应用7层功能模型知识将本来庞大复杂的信息化工作内容进行分解、归层，逐层制定工作细节，理清思路，分步实施。在进行单位信息化框架搭建或者开展相关项目工作时，均可按照7层功能模型进行分类，以达到事半功倍的效果。

当今世界信息化发展迅速，虚拟化、云计算、物联网、人工智能等高新技术时刻冲击着传统行业，水文工作者势必要融入发展的浪潮才能有所建树。7层功能模型作为上游水文信息化发展的设计框架，将指导信息化工作人员通过稳扎稳打、分步实施的方式顺利完成信息化建设。