云技术在黄河防汛抗旱信息化建设中的应用

汤进 冯建 李自尊

摘 要：黄河防汛抗旱任务具有长期性、复杂性和艰巨性等特点。近年来，防汛抗旱信息化建设按照“大平台、大数据、大系统”的集成整合建设思路，以基于云技术的黄河云平台为基础，为上层防汛抗旱业务应用提供支撑服务。基于云计算的关键技术，一定程度上解决了黄河防汛抗旱信息化建设中存在的难题。

关键词：云技术;黄河防汛抗旱;资源整合;虚拟化;微服务

中图分类号：TV87 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0007-03

Abstract： The Yellow River flood control and drought relief task has the characteristics of long-term， complex and arduous. In recent years， the flood control and drought relief information construction has provided support services for the upper flood control and drought relief business application based on the Yellow River cloud platform based on cloud technology according to the integrated construction idea of "big platform， big data and big system". The key technology based on cloud computing solved the problems existing in the information construction of flood control and drought relief of the Yellow River to a certain extent.

Keywords： cloud technology;flood control and drought relief of the Yellow River;resource integration;virtualization; microservice

黄河干流全长5 464 km，流域面积为7.95×105 km2，流经9个省区，自然条件复杂，河情特殊。黄河防汛抗旱任务具有长期性、复杂性和艰巨性的特点。近年来，在水利信息化及国家防汛抗旱指挥系统建设的大背景下[1]，水利部黄河水利委员会（以下简称“黄委”）建成了水情和工情信息采集、洪水预报、防洪调度以及黄河防汛决策综合会商支持等系统，在防汛抗旱信息化建设中取得了一定成绩，但与治黄发展的新形势及新要求相比仍存在不足，主要表现在资源整合共享难、遗产系统重用难以及运行维护管理难等方面[2]。

针对黄委防汛抗旱信息化建设的实际需求，详细阐述如何基于云计算的先进理念，综合运用多架构融合技术，搭建基于云平台的基础设施即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）和平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS），解决当前存在的难题。

1 总体架构

以黄河云平台为基础，按照“大平台、大数据、大系统”的集成整合建设思路，集成整合计算、存储、网络资源，融合多种技术，搭建黄河一张图、一个库等应用支撑平台资源，为黄河防汛抗旱信息化系统建设提供基础支撑。如图1所示，总体架构由基础设施层、数据资源池、资源平台层以及业务应用层组成[3]。其中：基础设施层和资源平台层基于黄河云平台融合多种技术构建;基础设施层为数据资源提供安全可靠的存储空间;资源平台层为业务应用层提供服务支撑。

1.1 基础设施层

基础设施层包含机房环境和计算、存储、网络等资源，通过虚拟化技术组建的资源池，提供数据资源、资源平台及业务应用基础设施云服务，从而实现资源的高效利用和统一管理。

1.2 数据资源池

黄委防汛业务涉及的信息种类繁多。数据资源池主要包括涉及水利业务和政务应用全局的水利对象基础数据、空间地理信息数据以及遥感数据等基础数据，同时包含经济社会、工情险情灾情、指挥决策以及防汛部署等业务数据和水文气象等监测数据。

1.3 资源平台层

资源平台层依据面向服务的体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）思想，结合云计算的特性引入微服务架构，以业务组件化、组件能力化及服务化为设计思路[4]，实现将分散的功能资源转化为集中的功能服务，最大限度地实现共享组件、数据服务、应用运行环境等的功能复用，同时整合、调用基础设施层的各类资源，全面支持黄委防汛抗旱业务的预报、预警、预演以及预案等。

1.4 业务应用层

基于基础设施层提供的计算、存储、网络等云基础设施，调用资源平台层提供的各类平台组件服务，建立防汛抗旱各项业务系统。

2 关键技术

云计算可以运用在黄河防汛抗旱信息化建设中，涉及虚拟化、微服务、容器以及资源管理等诸多关键技术。

2.1 虚拟化技术

虚拟化是将计算机物理资源如服务器、网络、内存及存储等予以抽象、转换后呈现，使用户可以采用比原本组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的虚拟部分不受现有资源的架设方式、地域或物理组态的限制。从基础设施、平台资源到应用资源，不同层次都可以应用虚拟化技术。常见的虚拟化技术有系统虚拟化、存储虚拟化以及网络虚拟化等[5]。

2.2 云存储技术

云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个概念。它是一个由网络设备、存儲设备、服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等多个部分组成的复杂系统，对外提供安全、可靠、高效的数据存储和业务访问功能。

云存储用于解决4个问题：①提供高可扩展性;②提供高性能的存储;③提供安全的共享数据访问;④提供强大的容错能力，确保存储系统的高可用性。

2.3 微服务技术

微服务架构的目标是将一个复杂的应用拆分为多个服务模块。每个模块专注单一业务功能对外提供服务，并可以独立编译、部署、更新。同时，各模块间通过轻量级的交互机制进行通信，组合为整体对外提供完整服务。由于每个模块功能互相隔离，以容器为载体，可细粒度伸缩[6]，微服务架构相较于传统架构更稳定，具有更高的兼容性，更灵活集约，主要适用于数据量大或服务类型复杂、需要局部平滑升级以及故障恢复困难的情况，具有高可用性的特点。

2.4 容器技术

容器化是一种轻量级的虚拟化技术，区别于虚拟机的硬件层面虚拟化。容器是建立在操作系统级的虚拟化技术，有效地将单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中，以更好地在孤立的组之间平衡有冲突的资源的使用需求，具有性能损耗小、升级简单快速、部署快速以及服务无状态化等特点。容器与微服务有着天然的契合度，是微服务的绝佳载体。

3 技术应用与探索

3.1 基础设施资源整合共享

3.1.1 技术应用。基础设施层通过融合多种存储备份架构、虚拟化技术、资源管理技术等实现基础设施的整合共享，并采用物理到虚拟（Physical to Virtual，P2V）迁移技术实现原有系统的云化迁移。

黄委防汛抗旱业务涉及的数据种类繁多，既包括防汛抗旱工作核心的水情、雨情、工情、险情以及灾情等结构化数据，也包括社会舆情、政务公文、防汛业务相关的图片和视频等非结构化数据，还有遥感影像和矢量等空间地理信息数据。针对不同数据类型，采用光纤通道存储区域网络（Fibre Channel Storage Area Network，FC-SAN）、网络附属存储（Network Attached Storage，NAS）等存储架构，提供块、文件、对象等存储方式，通过存储虚拟化技术实现存储池化管理。

计算资源池由一组可自动分配、弹性配置的CPU以及内存等资源组成。它既包括新增高性能资源池服务器，又兼顾原有性能较好的部分旧服务器。根据业务应用需求及资源性能特点，它可划分为业务应用集群、资源平台集群及开发测试集群，从而实现资源的高效利用，满足高可用需求。

在利用传统方式对文件、数据库等定时备份的基础上，还可利用云平台自身的快照、克隆等技术，实现对虚拟机的整机备份。当业务系统因意外宕机时，可实现业务应用的快速恢复。

3.1.2 效益对比。对原有黄河防汛抗旱信息化系统进行云改造后，具体效益对比分析如表1所示。

3.2 “黄河一张图”平台层服务

3.2.1 技术应用。按照“基础共享，专业自建，分布服务”的创新地理信息服务模式，“黄河一张图”基础采用天地图和“水利一张图”提供的底图，结合各专业发布的专题信息服务，形成黄委统一的地理信息系统服务，重点实现资源整合和业务优化，消除应用壁垒和信息孤岛。针对地理信息系统（Geographic Information System，GIS）服务数据海量、计算密集、请求的超高并发等特点，“黄河一张图”基于黄河云平台建设，地图服务依托云中计算、存储、网络资源发布，由多台虚拟机支持一个发布地图服务的站点。

3.2.2 发展探索。随着黄河防汛抗旱业务基于“黄河一张图”发布服务需求的增加、软件不断地更新迭代以及对安全要求的不断提升，传统基于虚拟机部署GIS服务的模式存在的升级缓慢、不能快速迭代、故障不能快速定位以及无法快速解决等问题愈发突出。基于微服务架构思想，以容器为部署载体，自动化编排、运维管理的GIS软件体系架构具有敏捷、可靠、高弹性、易扩展、故障隔离保护以及不中断业务持续更新等优点，可以较好地解决上述问题。

4 结语

按照“边整合、边应用、边完善”的建设思路，云技术已在黄委防汛抗旱信息化建设中全面推广使用。此技术有力支撑了上层防汛抗旱业务应用，并在一定程度上解决了防汛抗旱信息化建设中存在的资源整合共享难、遗产系统重用难以及运行维护管理难等问题。

参考文献：

[1]万海斌.順势而上加快构建新时期全国防汛抗旱智慧系统[J].中国防汛抗旱，2017（3）：2.

[2]朱跃龙.云计算与水利信息化[EB/OL].（2017-08-21）[2021-07-01].http：//www.360doc.com/content/17/0821/23/35796855_681090961.shtml.

[3]王封祚，王新福，高庆方，等.安徽省防汛抗旱地理信息云服务平台研究与建设[J].水利信息化，2019（4）：62-67.

[4]张立鑫，王瑞明.基于云计算的水利综合管理信息平台技术架构的研究[J].河北省科学院学报，2016（2）：12-16.

[5]肖建一.中国云计算数据中心运营指南[M].北京：清华大学出版社，2013：66-69.

[6]曹帅，高祥涛，胡文斌，等.基于云的省级水利数据中心关键技术探讨[J].水利信息化，2019（5）：54-58.