水文信息化思路与总体框架设计探讨

毛兴华

（上海市水文总站，上海 200232）

0 引言

水文是国家经济建设和社会发展的重要基础性工作，通过监测、分析水文水资源时空分布变化规律，为解决社会经济发展中的水问题提供科学依据。水文在服务防汛安全、水环境水生态治理、水源地选址论证、重大涉水工程规划设计、水资源调查评价、应急救灾等方面发挥着不可替代的重要作用。

随着经济社会和科学技术的发展，水文监测分析由相对较少的降水、蒸发、水位、流量扩展到水质，水生态，污染物输移，水利工程运行调度等更多要素，综合性明显增强。传统的技术手段难以适应新形势下高密度、大数据量、多用途需求的水文业务和管理，只有借助更先进的理念和手段，才能适应水文新发展。信息化是解决这一问题的关键[1-2]。

近几十年特别是进入 21 世纪以来，水文信息化取得了长足的发展，在支撑水文业务开展、服务水利建设和经济社会发展中发挥了巨大作用[3]。但是和快速发展的信息技术相比，水文信息化的理念和思路仍显得相对滞后，在一定程度上影响了水文发展。因此，有必要站在信息化发展全局的高度，厘清思路，构建更加科学规范、合理可行的总体框架，明确水文信息化的发展方向和重点任务，有计划、有步骤地推进信息化建设。

1 水文信息化发展思路

1.1 基本原则

1.1.1 以业务为核心原则

水文信息化必须紧紧围绕水文专业需求和技术问题，以提升效率、拓展功能为目标，借助先进信息技术，推进水文工作更加高效、便捷。同时通过信息化手段，能够提供更加准确、可靠、丰富的水文信息服务，满足各行业对水文的专业需求。水文信息化须牢牢植根于水文业务，深刻把握水文专业特色，紧紧围绕水文业务进行总体架构和功能设计[4]。

水文信息化应全面覆盖水文站网及设施管理、监测调查业务开展、数据管理与质量控制、查询统计与分析计算、信息服务等水文业务的各个环节和流程，做到水文业务的闭环管理。如果疏漏了某个环节，水文信息化就是不完整的，在实际应用中就会存在安全性差、操作不流畅、可用性低的问题[5]。

对业务需求的透彻理解和准确把握，是水文信息化的关键和难点。一方面，水文本身的专业性和流域区域间的差异性，导致水文业务需求存在显著的独特性，水文信息化设计和建设者如果缺少水文专业背景，往往很难准确理解和把握这种独特需求；另一方面，水文部门如果缺乏信息化项目的经验，对于信息技术的体系和发展动态缺乏专业认识，就难以准确表达需求，对于水文信息化体系架构也缺少总体把控。这就需要既懂水文业务，又深入了解信息化的人员，通过反复调研沟通、磨合细化，才能开发出实用的水文信息化系统。

1.1.2 技术和理念先进原则

水文信息化是以信息技术为支撑，以水文业务为核心的融合发展过程。信息技术具有发展速度快，技术和产品更迭频繁，安全性要求高的特点。近年来随着软硬件和网络技术的快速发展，技术性能得到大力提升，物联网、大数据[6]、云服务[7-8]等理念正日益深入人心，信息系统日趋扁平化、综合化、智能化。现代水文作为综合性、应用性的学科，应积极引入先进信息技术和建设理念，更好地支撑水文业务的开展。

水文信息化在智能感知、智慧应用方面有较大的发展空间。智能感知方面要开展水文全要素、水利工程、监测设备运行工况和环境状况等监测，实现数字化准确实时监测。智慧应用方面要能更快速地解决传统的水文统计分析问题，充分利用大数据资源和实时模型，挖掘分析水文要素的动态变化规律，并与相关的预警机制和调度方案无缝对接，成为整个水利智慧管理链条中的有机组成部分，为水利工作提供更有价值的技术支撑。

为适应未来水文信息化的发展方向和要求，应大力推广高速无线网络、高清视频[9]智能识别、虚拟现实、移动应用、边缘计算等先进技术。水文信息化的规划设计和建设在理念技术上都应适度超前。

1.1.3 总体规划分步实施原则

水文信息化应遵循总体规划分步实施的原则，立足于水文业务需求和信息技术的发展趋势，做好顶层设计和总体规划，将水文信息化系统作为水利信息化体系的有机组成部分，在区域水利信息化的框架之内考虑水文信息化的总体架构。

总体规划应着重考虑以下 3 个方面：1）充分利用区域水利的信息资源优势，特别是基础信息服务、供排水监测、水资源调度的数据资源，挖掘城市水文的综合服务潜力。2）特别注意信息化不同层级之间的耦合性[10]，尽量摒弃传统的一体化设计理念。耦合性体现在水文感知、数据管理、业务应用和信息服务等之间的交互，通过中间接口而不是直接访问的方式实现，能够较大地提高水文信息化系统的稳健性和拓展性，降低系统运维和升级更新的难度。3）树立开放共享的理念，不断完善数据共享机制，打破信息壁垒，畅通共享渠道，不断提升共享水平。应建立完善水文信息服务平台，不断丰富水文服务产品，提供更好的水文信息服务。

1.2 建设思路

水文信息化建设思路可以概括为信息汇聚、数据管理、专业应用、聚焦服务。

1.2.1 强化数据汇聚和采集

数据是水文信息化的核心和基础，水文信息化要做好水文及相关数据的汇聚和采集，以完备的信息资源支撑信息化发展。主要包括：完备的测站及设施设备、基础地理等信息，以及实时自动监测水文历史、各类水文调查、水利行业等相关数据[11]。随着技术的发展，水文智能监测效率更高，要通过技术引进，提供种类更多、颗粒度更小的水文信息，丰富水文智能感知的内涵。

1.2.2 做好数据治理和支撑

数据质量是水文信息化的关键，在做好汇聚和采集的同时，重点做好数据管理、质控和使用。主要包括：1）数据库规划设计。要规划好必要的数据库，从业务关系出发设计好库之间的逻辑关系，规范设计库表结构。2）数据质量控制。要开发建设数据质管平台，通过实时监控、异常报警、专业判断等技术手段实现数据完整性和准确性的智能处理，提升数据质量。3）数据支撑平台。数据支撑平台在数据层和应用层之间增加访问层，通过访问接口的开发设计，实现定制化的数据服务，有效实现信息化系统的模块化设计建设。

1.2.3 有效实现业务功能

水文信息化是对水文业务的信息化实现和流程优化再造，可用、实用、好用是评价信息化系统好坏的标准。必须扎实做好水文业务需求梳理，并将业务需求用信息化设计开发的技术方法确认，才能保证建成的系统有应用价值。在业务功能开发中，要研究水文不同业务之间、同一业务的各环节中存在的冗余和不合理成分，通过信息化手段实现业务流程的优化和再造，提升水文工作效率。从现有水文业务需求来看，站网管理、测站运行监控、运维监管、数据管理、查询统计、分析计算、信息服务是关注的重点，需要着重考虑。

1.2.4 聚焦水文服务价值

水文是防汛安全、水环境水生态治理、水资源开发利用、水工程规划设计等相关涉水工作的一个节点和环节，最终是为水利和经济社发展提供技术服务。随着城镇化进程的不断推进，水文服务于城市管理的作用也更加明显。因此，水文信息化应聚焦服务功能，在信息提供的完整性、准确性和及时性，决策支持的科学性，技术服务的专业性，行业管理的联动性方面不断拓展服务能力和水平，通过高质量、多样化、专业性的水文服务，提升水文的社会价值。有时候水文工作者并不清楚其他行业和部门对水文有哪些需求，这就需要主动加强沟通调研，深入了解，并通过信息化手段更好地实现水文服务。

2 水文信息化总体框架

2.1 总体框架

结合水文现代化发展的总体目标，以水文智能感知网为基础，以区域水利信息资源为依托，以水文数据管理和业务应用为重点，以云平台保障体系为支撑，构建智慧水文业务信息系统的总体框架，总体框架示意图如图1 所示。

图1 智慧水文信息系统总体框架示意图

任何信息系统都必须依靠网络、服务器、数据存储、软件等基础设施。近年来云平台、大数据理念方兴未艾，水文信息化通常以区域性水利云平台或者政务云平台为依托，不单独拥有信息基础设施。“云”的本质是对信息基础资源的集中统一虚拟化管理[12]，有利于资源整合和高效利用，更好地保障信息安全和系统稳定。

完整的水文信息化系统应包括智能采集、数据管理、业务应用、信息服务等层次，其特点在于信息流通的完整闭环。要以市政、水利、气象、基础地理等多源信息为依托，树立全局发展观，立足城市水文应用，整合原有系统功能，统筹开发建设。

2.2 各层功能与要求

2.2.1 信息感知

感知层的作用在于采集接收不同来源监测终端的水文与设备状态等信息。感知层通过采集平台实现各类监测站点信息的实时采集与接收。目前水文实时监测与在线传输完全能够满足信息化要求，但监测设备来自不同的厂家和品牌，采用的通信协议和数据格式不尽相同，给建设统一采集平台带来了困难。对此，一方面，要从国家层面统一技术标准；另一方面，要对现有不同厂家的通信协议，通过协议池、对话翻译等方法，实现标准的统一。

2.2.2 数据管理

数据管理层主要解决水文信息存储、质控及访问问题，主要包括：1）存储哪些数据？原则上应做到应存尽存、能存尽存。2）数据库、库表结构及逻辑关系。为便于管理，一般应建设原始库、中间库、成果库，必要时还应建设专题库。数据库表结构的设计，除符合技术规范外，应着重考虑实用性并适当拓展。3）数据质量管理。包括缺失数据的补全、奇异数据的判断处理、可疑数据的专业分析等，保证监测数据的相对准确可靠是关键。

2.2.3 业务应用

水文业务应用包括站网管理、测站运行监控、运维监管、分析计算、信息服务等。要从数据的获取入库开始，对各类水文业务应用进行详细的调研、确认、开发，实现水文业务全周期的信息化。各业务功能的开发要尽量做到模块化，模块之间相互独立，1 个模块升级、故障不影响其他模块的正常运行。

2.2.4 信息服务

水文信息服务包括以下 2 个层次：1）将经过质控处理后的基本水文信息、分析计算成果、专题图表等根据需要及时展示在水文信息系统或流域性和区域性水利基础信息平台，供有关部门查询，服务于预警、管理和决策支撑工作。2）将水文监测和计算成果作为防汛防台、泵闸运行、活水畅流水资源调度等的控制信息，为水利综合管理提供更有应用价值的技术依据。水文信息服务首先应满足第 1 层次的需求，其次要结合水利实时调度系统的开发应用，满足第 2 层次的需求。

2.2.5 支撑平台

支撑平台将信息感知、数据管理、业务应用和信息服务等各层有机地结合在一起，为业务功能实现提供支撑服务和管理，保障信息系统的安全稳定运行。支撑平台包括系统性能监控、身份验证、用户及权限管理、运维管理等功能模块。最关键的是，支撑平台通过访问接口方式提供各类通用和定制化的统计、查询、计算功能，有效实现数据库与业务应用功能模块的信息交换，减少开发冗余，提升系统的运行效率和可拓展性。

3 结语

水文信息化既是水文现代化的重要支撑，也是其重要体现，是一个不断发展完善的过程。水文信息化要始终遵循水文的专业性和服务性，立足水文业务需求，着眼未来发展趋势，在技术和理念上积极追求先进，按照总体规划分步实施原则逐步推进。

水文信息化要从信息汇聚、数据管理、专业应用和服务支撑 4 个方面入手，构建智慧水文业务信息系统的总体框架。各个业务功能模块按照谁使用谁提需求的原则，需要使用者投入大量时间和精力，不厌其烦地与建设单位沟通，明确需求并真正转化为信息系统的功能。

耦合性是今后水文信息化建设的关键技术要求。传统的信息化系统以一体化设计为主，功能之间缺乏耦合性，导致运维、升级、改造、故障排除都很困难。引入耦合和模块化设计理念，能够较大地提升系统的可拓展性和稳健性，便于水文信息化的可持续发展。