牧区水利平台体系网络探究范文

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本文作者：龙胤慧廖梓龙单位：河北工程大学水电学院水利部牧区水利科学研究所中国水利水电科学研究院研究生部

牧区主要位于我国西北边陲，是我国主要的绿色生态屏障，也是少数民族的主要居住地，还是我国主要的畜牧业生产基地，在国民经济和社会发展中占有重要的战略地位。最近十几年，随着牧区经济的发展和国家投入的增加，牧区水利建设取得了明显的成效，但同时也面临着很多困难，如政策和措施还不完善、牧区技术力量薄弱、项目建设和运行管理存在疏漏、基层服务体系还不健全等［1-2］。拥有者强大计算和处理能力的云计算，将有助于解决目前我国牧区水利建设中所面临的困难。

1云计算基本理论

1.1云计算的发展

20世纪60年代，JohnMcCarthy曾经提到“计算迟早有一天会变成一种公用基础设施”，这就意味着计算能力可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便、费用低廉，这便是早期云计算的思想。随着计算机技术和信息技术的不断发展，科学、工程和商业领域需要超强计算能力的系统来处理大规模、海量的数据。云计算(CloudComputing)是一种新近提出的计算模式，是分布式计算(DistributedComputing)、并行计算(ParallelComputing)和网格计算(GridComputing)的进一步继承和发展。目前关于云计算仍没有统一的定义，通俗而言，云计算是指把信息数据、应用程序和硬件在托管服务器上作为服务运行。目前，云计算的研究在全世界已经广泛展开，在欧美，亚马逊、微软、谷歌、IBM、英特尔等公司纷纷提出了“云计划”，如“蓝云”计划［3］；在中国，谷歌同华盛顿大学、清华大学合作，启动了云计算学术合作计划［4］。云计算已广泛应用于各个领域，如科研（如信息监控、信息计算处理）、医学（如DNA信息分析、病例存储、医疗影像处理）、网络服务（如安全监控、检索服务）等［5］。

1.2云计算服务及功能

从简单的拓扑方面来说，云计算解决方案由客户、数据中心和分布式服务器组成。人们通常把网格计算和云计算相混淆，二者的主要区别在于资源调度模式。云计算采用集群来存储和管理数据资源，运行的任务以数据为中心；而网格计算，则以计算为中心。计算资源和存储资源分布在因特网的各个角落，不强调任务所需的计算和存储资源同处一地。云计算中的“服务”是指能够跨供应商的网络使用可重用的、细粒度控制的组件，也成为“即服务”。即服务可分为软件即服务、平台即服务和硬件即服务。

软件即服务(SoftwareasaService,SaaS)是将应用程序作为服务进行托管的模型，以便客户通过Internet访问它；平台即服务(Platformasaservice,PaaS)是另一种应用程序交付模型；硬件即服务(Hardwareasaservice,HaaS)与前两者提供应用程序给客户不同，只提供硬件，使得组织可以在上面放置想要的任何东西［6］。云计算系统具有支持虚拟化、提供服务质量保证、高可靠性及自治性等特征。其体系结构分为基础设施层、平台层和应用层［7］。目前，云计算的基本功能有云储存（数据储存、应用软件及设备的安置等）、云计算（包括数据接口问题、大规模分布式计算等）云资源动态配置、云计算安全性和可靠性（离线运行、失效运行、异构负载等）。

云计算的3个主要环节为用户、供应商和运营机构，在牧区水利信息系统中，用户可以是科研部门、生产单位、市县等基层水务行政管理单位。对于技术及设备相对缺乏的用户，可以通过云计算中的服务模式弥补自己技术和设备上的不足，降低资金投入；对于技术及信息充足的用户，可以在云环境中实现日常的生产性工作，提高生产效率，还可以享用基层单位用户所提供的基本数据。供应商负责建立基础的存储系统、计算资源及网络连接等，世界上云计算主要的供应商有Google，Microsoft，IBM，Amazon，Sun等［8］。运营商需要有大型的数据中心，因此运营商主要是通信公司、大型互联网公司等，他们可以将计算资源打包成云计算虚拟机。

2基于云计算的牧区水利信息系统

2.1牧区水利信息系统建设的功能需求

牧区水利信息系统从其所服务的用户而言，首先要满足科研和生产单位本身的研究、生产需求；其次满足上级行政管理部门的管理需求；另外还需要实现不同用户、不同管理部门之间的信息共享。从信息和数据类型来说，首先具备文本信息的记录、管理和共享，比如牧区草场类型、草场畜牧结构、草场水文地质资料等；其次是图像信息，如牧区需水量-耗水量曲线、地下水位线等；更高级的则是动态视频、音频信息，如灌溉技术录像、远程技术援助等。不同地区、不同层次的用户的需求不同，对于基层的牧民，着重需要远程技术援助；对于科研生产部门，则着重研究基本信息的变化规律；而行政主管部门可以实时掌握牧区水利建设和运营现状（见图1）。

2.2网络设计

数据传输网络主要有3种：自行建网、虚拟专用网络及公共互联网。自行建网，即自己负责网络的建设、运行和维护，其建设成本高昂，主要适用于安全性要求高、自主性强的机构，如金融、国防领域。虚拟专用网络是通过一个公共网络（通常是因特网）建立一个临时、安全的连接，成本较低，数据传输完整、高效，数据保密性好；公共互联网是日常生活中最常见的数据传输网络，成本低廉，但安全性较差，且数据传输速度得不到保证，但具有分布广、对软硬件无特殊要求的优点。通过对数据安全和建网成本的综合考量，基于云计算的牧区水利信息系统的数据传输网络，主要采用基于公共互联网的VPN网络，在特殊情况时，也可直接使用公共互联网。

2.3云计算中心

云计算中心，即核心平台数据层，采用基于Web3.0信息聚合模式的服务平台，实现信息的个性化定制和自动派送。云计算平台作为牧区水利信息系统的“大脑”，接收来自不同部门、不同种类的海量数据，使用服务器端的应用软件和硬件进行数据挖掘、模糊识别等人工智能技术数据处理，然后将符合不同层次用户需要的、有价值的信息发送给相应的用户终端。

2.4数据存储与交换

数据存储主要由云计算服务提供商提供，较为常用有亚马逊、Google、微软的云计算数据储存方案，所有的数据都集中存储在云计算服务提供商所提供的存储云中，各个用户无需再设置单独的数据库。离线状态下所产生的新数据及数据的修改，将通过GoogleGear技术，与中心数据库同步进行。在基于云计算的牧区水利信息系统中，由于存储云的引入，大大简化了数据存储系统的设计。基于各单位、各部门间数据的复杂性和多样性，整合已有的大量数据，并建立对应的数据交换系统是非常重要的。数据交换系统（见图2）由以下几个部分组成：

（1）核心平台数据交换网关。为提供广域网环境下的数据传输服务，支持断点续传。对外接口有核心平台服务总线接口（以消息机制实现数据双向交换）、水利部平台数据交换接口、科研生产部门交换接口（以基于消息机制的XML/HL7格式上传和下载数据）、基层单位交换接口。

（2）核心平台服务总线。它是数据交换系统的核心，保证在异构环境中数据传输的可靠性和稳定性，并屏蔽掉用户实际的硬件层、操作系统层等复杂、繁琐的界面，提供一个统一、标准的信息通道。服务总线提供：XML消息队列和转换、HL7解析及标准消息队列等。

（3）核心平台数据层。实现灵活数据的操作与描述。

（4）核心平台数据加工层。对于集中式部署的基层水利单位应用平台，需要在集中部署的基层单位数据库与核心平台中心数据库之间，建立数据交换的通道，与分布式部署逻辑不同，该数据交换是在网络环境下（例如局域网）的数据库之间的直接交换，不需经过服务总线进行，为此需要在核心平台中部署数据加工层，实现数据的抽取、转换和加载。

（5）核心平台应用支撑层。为专业的应用服务提供基础类功能。

2.5设计框架

综合功能需求、网络设计、数据存储与数据交换，可以建立基于云计算的牧区水利信息系统构建的设计框架在基于云计算的牧区水利信息系统中，计算资源和存储设施都交由云计算服务提供商负责。云计算服务提供商可以为牧区水利信息化系统提供性能强大、极具可扩展性的计算资源和存储设施，所以在信息系统的开发过程中只需要应用云计算服务商所提供的接口即可完成系统的开发，无需考虑计算资源和存储设施的细节情况。这样既简化了系统的架构设计和开发，又有利于系统的更新和升级。

2.6运营和维护

由于采用了云计算的信息化建设模式，系统的数据和应用程序都部署在云中，客户端没有数据和程序，只需一台能上网的电脑即可，使用系统时，实时地从云中访问应用软件和获取数据，信息系统运营和维护的重心已经转移到核心平台数据中心。用户不需要花费资金和设备进行数据维护，节省了财力和物力，增加了科研生产部门的效率，提高了基层用户的技术力量，完善了基层服务体系。对于核心平台数据中心，可以聘请相关安全技术人员进行监测、维护和更新，亚马逊、Google、微软等云计算供应商经过近几年的研究，已经逐渐强化了云计算中心（即核心平台数据层）的安全维护［9］。

3基于云计算的牧区水利信息系统的优势和不足

3.1优势

基于云计算的牧区水利信息系统与传统牧区水利信息系统相比有很多优点：

（1）成本低。由于应用程序在云中而不是在台式机上运行，故基层单位用户的台式电脑并不需要传统的桌面软件所要求的处理能力和硬盘空间。对于科研生产部门而言，则不需单独购买昂贵的应用软件。

（2）性能高和计算能力强。在云计算中，用户计算机的启动和运行速度将会更快，因为他们只需将少量的程序和进程加载到内存中。云计算使用了数据副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的可靠性，使云计算比本地计算机更可靠。此外，在云计算中不只局限于一台电脑单独工作，可以利用成千上万台计算机和服务器的能力，执行超级计算类的任务。

（3）存储容量大和数据高效安全。无论台式机或笔记本电脑的存储空间多大，与云中可以使用的容量相比，都微不足道。此外，云中的数据是自动复制的，不会轻易丢失，即使你的计算机崩溃了，数据仍在云里，仍然可以访问。云计算在一定程度上保持了数据的安全性。

（4）兼容性和群组织间的协作较强。云计算不针对特定的应用，在云的支撑下可以构造出各种应用。云计算不限制单一的操作系统，可以将Windows计算机连接到云，和运行的其他操作系统(例如Unix、Linux等)共享文件。云计算增强了多用户间的协作能力，使相关的人员全部参与，不受地理位置、空间因素的限制。

（5）扩展性强及用户使用方便。云的规模可以根据实际情况进行伸缩，满足用户和应用增长的需求。同时也消除了用户对特定设备的依赖，不用按照特定的设备购买特定版本的程序，或者按照设备特定的格式保存文档。

3.2不足

基于云计算的牧区水利信息系统改善了当今牧区水利面临的基层投入不配套、基层技术力量薄弱、基层服务体系不健全等问题，但云计算计算本身还有很多需要改进的问题，例如需要持久的网络连接。利用云计算，必须链接到因特网上才能利用自己的应用和文档，失效的网络连接就意味着用户在此期间内不能工作及访问云中的内容。一些因特网连接很少或本身不稳定的地区，也是可能影响云计算使用的决定性因素。

4结语

云计算是一种新的信息化管理方式，它通过网络获取信息服务，软件和硬件资源不是以“占有”方式部署在用户计算机内部，而是都部署在云中。管理人员可能会产生这样一种感觉，在付出了使用费之后，我们好像什么都没“拥有”，因为数据和服务器资源都在云里。这就需要我们的管理人员摆脱传统的思维模式，毕竟我们投资于信息化，不是为了拥有那些硬件设备和数据，而是希望得到这些资源为我们提供的服务。基于云计算的牧区水利信息系统有着超强的计算能力和数据处理能力，节省了软件、硬件等方面的费用，加强了不同用户间的协作，储存能力强的，数据传输和交换高效安全，适应新时期牧区水利建设的要求，有利于促进和保障我国牧区水利健康发展。