云计算在水利科研信息化中的地位与作用

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(长江科学院 信息中心，武汉 430010)

1 研究背景

过去的5 a，长江科学院(简称长科院)建成了综合管理信息系统，基本实现了管理信息化，科研基础设施与方法的信息化程度得到了极大提高。为了延续良好的发展态势，明确今后5 a信息化建设目标与任务，长科院遵循国家“新四化”战略，在部委信息化顶层设计框架下，编制了《长江科学院信息化规划(2013—2017年)》[1](简称《规划》)。《规划》是以现有工作成果、已用技术为基础，针对目前的弱点、集约发展需求，紧密跟踪当代信息技术新潮流而编制的。其中，《规划》最鲜明的特点就是引入了云计算开发运行环境，力争通过云计算应用，进一步创新管理方式，革新科研流程，增强长科院对治江水利事业的信息化支撑能力。本文将在简要介绍《规划》核心内容之后，分析云计算在水利科研信息化中的地位与作用。

2 《规划》的主要策略

2.1 指导思想

以党的十八大“新四化”战略为指导、以服务治水治江事业及提升管理能力为目的，顺应时代发展潮流，紧跟新技术发展趋势，以科研信息化提升水利治江事业科技保障支撑的高技术含量，拓展新的发展空间，促成一流水利科研强院的建设与发展。

2.2 建设目标

用3～5 a的时间，打造综合管理信息系统的升级版，全面实现管理信息化；改善与提高长科院数据采集、传输处理、计算分析以及成果可视化等科研流程信息化程度，基本实现专业信息化；在管理信息化和专业信息化基础上，通过智慧流域的研究探索，显著提高治江科技信息化能力，更有力地支撑治水治江事业。

2.3 建设与实施原则

需求引导、顶层设计；技术先进、实施稳健；注重基础、平滑升级；委院互通、资源共享；以人为本、强化应用。

2.4 建设主要任务

(1) 打造综合管理信息系统的升级版。在夯实网络与现有业务应用的基础上，拓展手机等便携式设备移动办公、视频会商等功能，深化一卡通应用，全面实现无纸化办公。推进综合管理信息系统的深度应用与功能全覆盖，从目前的中间管理层应用向决策层、执行层两头延伸。开展科研数据中心建设，挖掘数据的科研服务价值。

(2) 改善与提高科研工作流程的信息化程度。在未来5 a的科研基础条件建设中，要突出信息化元素，提升设备装备与科研手段的信息化水平。基本实现从数据采集、数据传输与处理、数值计算分析到成果可视化的科学实验全过程信息化。提升模型实验测控的信息化程度，增大科学计算与数值分析在科研中的比重，推进空间信息技术的专业化应用，拓展长科院在水利信息化技术市场中的发展空间。

(3) 开展智慧流域的研究探索工作。在本规划期内，长科院要在已有研究工作的基础上，进一步加强多专业联合攻关，开展智慧流域关键技术研究。选择一示范流域，攻克智慧流域系统建设中的关键技术，构建智慧流域雏形，并将成果及时应用到治水治江工作中去。

2.5 云计算在《规划》中的地位与作用

云计算(cloud computing)是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源[2]。云计算是当今炙手可热的技术。业界普遍认为，信息化发展的新阶段是云化。云计算是新一代信息化的核心技术，不仅提供了全新的开发运行环境，而且也直接支持了物联网、大数据、移动商务等应用。长科院在《规划》中确认云计算的基础地位和对3项建设任务的直接推动作用，就能够比较合理地解决原有设备集成、软件集成问题，同时也能为高效运行综合管理信息系统，革新构建科研工作流程，不失时机地开展智慧流域应用研究创造崭新的条件。

3 云计算平台建设

3.1 云平台的框架结构

云计算框架结构的典型描述是NIST(美国国家标准技术局)发布的“543云框架”，它提出了云的5种基本特征、4种部署模型和3种服务模型，如图1所示[3]。

图1 543云框架

云计算5种基本特征说明的云服务的方式、环境、信息资源的组织、运行性能及管理机制，表述了与电子系统供电、水场供水类似的网络信息服务模式；云的4种部署模型以公有云、私有云为基础，发展派生出了社区云与混合云，可供用户择用；云的3种服务模型软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)、基础设施即服务(IaaS)是云服务的3个层次。云计算技术与应用都在迅速发展，但应该看到，所有发展都是对“543云框架”中内容的充实丰富，准确把握“543云框架”，就能很好地理解云计算，也才能在实际应用中真正做到准确定位、服务到位。

3.2 云平台的基础架构

云计算运行要有平台，这个平台就是基础架构。传统网络有若干台彼此独立的服务器及存储设备，各自完成指定的任务，忙闲不均负载失调设备利用率低下。云计算本质不是新建，而是对现有资源的整合。长科院在《规划》中提出要建设基于云计算平台的综合数据中心，首先就要实现基础设施的云化。

核心设备的虚拟化是基础。通过选用Wmware或国产Cloudview等软件，可以将现有的、以后新配的服务器虚拟成统一的服务器群，将分散的存储设备虚拟成统一的存储能力，这样，用户面对的是一个功能足够丰富、性能优良、存储容量巨大的云端；资源池化不等于虚拟化，它是从计算机CPU资源池概念引申放大而来的。在云环境下，设备购置转化成计算资源配备，用户不再面对或使用单一设备，而是使用强大的云[4]。设备购置转化成计算资源配备。

3.3 云平台之上的数据中心

数据记录历史，反映当今，也影响未来。在信息时代，要重视数据在水利科研中的基础地位。随着信息化程度的提高，无论是从数据集中管理，还是从挖掘利用来看，都应该也有条件建设有长科院特色的综合数据中心。按《规划》的安排，数据中心管理科研数据、管理数据、企业经营数据及网站信息(含数字档案馆、中外文网络期刊)等4类。在规划期内，首先要做数据中心的总体设计，开展数据标准化工作，整编历史重要数据入库，为现有或新产生数据入库提供工作流程与存储空间。

从对《规划》的理解来看，数据中心建设、云计算平台建设可以说是一项任务的2个方面。数据中心建设是目标，云平台建设是其实现的技术方式。既然综合数据中心技术起点是云计算平台，从基础架构、数据流程、应用方式、安全策略等各方面都要有全新的理念与设计，同时，还要考虑这块私有云后续与水利社区云乃至公有云的安全互通。

4 云计算与管理信息化

在上一个信息化5 a规划实施完毕后，长科院综合管理信息系统全面投入运行，网络化流程化的信息化管理模型基本形成。应该说，将综合管理信息系统整体迁移到云平台上去的条件是成熟的。在本规划期内，要基于云平台做如下工作。

4.1 移动办公

手机、平板电脑等智能终端设备上网并用于移动办公已经是大势所趋。为拓展综合管理信息系统的应用范围，长科院已经组织开发完成了移动办公软件并推广使用。移动办公软件选用了技术成熟、兼容性好、有发展前途的主流的开发运行平台，针对主要业务审批需求订制流程。软件重视用户体验，兼容IOS、Android、Windows等主流手机操作系统。界面简洁明快，自适应多种手机屏幕尺寸。同时重视手机无线(含WIFI)入网准入控制。

4.2 无纸化办公

瘦客户端泛指无须安装应用程序的终端设备。可以是PC、上网本、智能手机、平板电脑。用瘦客户端形成桌面虚拟化可以推进无纸化办公进程。

无纸化办公既是绿色环保、低碳生活的要求，更是管理效率与水平的体现。云平台为无纸化办公提供了方便的条件。提倡使用电子文件，送审材料应以电子文件形式上会，使用平板电脑等便携式终端在线交流修改审批结果。除了长科院正式外送或颁发的文件保留必要的纸质之外，长科院内不再采用纸质方式送审与互传过程性文件。提倡用电子邮件、电子文件互传。提倡使用电子会标及电子座位牌。逐步减少传真机、打印机等设备的配置，降低油墨消耗。为无纸化办公建章立制，将更多的电子文件使用场合纳入合规行为范畴。

4.3 视频会议(会商)

云视频也是热门的云计算应用。长科院的视频会议系统主要用于视频会议、远程办公(远程培训、远程招聘、远程学术交流)、桌面会商等场合，现在已经在“1+4”框架(院本部与九万方、沌口、宜昌、重庆等4个科研基地)实现了基于VPN的视频会商系统。视频会商支持“一对多”、“多对多”运行方式，支持分布式PC桌面型会商，支持双流(视频流、数据流)模式，支持电子白板，支持手机等移动终端的会议接入。还要考虑构建移动式的实验视频系统，并安全地与长江委和兄弟单位视频会商接口。

4.4 系统功能拓展与性能优化

综合管理信息系统的应用是一个逐渐发展的过程。本规划期内，在做好系统运行维护工作的同时，要实现功能拓展与性能优化。为8个子系统增加必要的功能模块；优化系统结构，防止功能不断增加的同时，在子系统之间、有关模块之间出现新的条块分割；目前系统功能主要集中在管理层，后续功能拓展要向专业所(室)与院领导两头延伸；增加企业管理子系统，在本规划期内实现院属企业管理信息化；做好综合支撑平台升级，实现用友软件(财务与资产)、电子签章软件、文件加密软件等外引软件与本系统的有效连接；实现长科院与长江委的电子公文交换，完成“长江水利科技网”、“长江科学院办公网”等网站升级改版工作，继续积极推进数字图书(档案)馆建设，引进并用好国内外知名文献数据库，做好“长江科学院院报”的数字化期刊出版发行。

5 云计算与科研信息化

科研是长科院的主业。科研信息化是《规划》的重点，也是实施难点。如何实现云计算与科研流程的深度融合，使信息技术(IT，Information Technology)进化成核心的业务技术(BT，Business Technology)[3],这是需要认真研究的。

5.1 科研信息化的阶段性要求

科研工作流程一般可划分为4个部分，即数据采集、数据传输与处理、数值计算与仿真模拟、成果可视化。

(1) 数据采集自动化。数据采集是科学实验的首要环节，要淘汰落后的模拟量的量测仪器与一次仪表，尽量选配数字化智能化数据采集装置。

(2) 数据传输与处理信息化。在模型试验与原形观测中，引进物联网技术，运用科研局域网完成测量仪器与控制室之间的数据传输，利用VPN实现宜昌、重庆、沌口与九万方等科研基地之间的远程数据传输；要根据专业需求，引进或开发数据处理软件，淘汰人工过滤演算方式，实现数据处理软件化，为后续计算提供规范的数据。

(3) 数值计算与仿真模拟。在本规划内，在深化有限元分析软件工程应用的同时，要加强DDA、数值流形法等非连续变形分析软件的工程应用；在流体数值模拟方面，要深入开展二维、三维水沙模拟研究，并配备相应的服务器、图形工作站，提高数值计算的经济性与时效性，丰富成果的可视化显示能力。

(4) 成果可视化。要综合运用虚拟现实、数值仿真及流媒体技术，准确生动地展示科学试验的过程与结果。用GIS等图形技术，分布、分层表达观测、试验数据。基于ArcGIS平台，实现基于云计算的网络空间信息服务集成。要重视对长科院使用多年的自主开发软件操作界面的可视化包装，提高人机互动性。

5.2 科研信息化的云结构描述

长科院各专业创建时代不同，工作内容有别，实验手段各异。要比较整齐地推进科研信息化，实现上述4个部分的要求，在现阶段运用云环境应该是一个比较科学有效的途径。设想的云计算环境中的科研信息化工作流程如图2所示。

图2 云计算环境中的科研信息化工作流程示意图

科研信息化的基础设施是经过虚拟化的网络设施、经过池化的服务器及存储资源。各专业在统一的长科院私有云架构环境中开展科研工作，以后可将以前上项目就各自添设备的粗放式做法优化成统一由院在云架构中集约化配置计算能力。云存储按《规划》确定的数据标准建设原始数据库、整编数据库、计算过程与成果数据库、仿真与动画成果库类，并设置各专业独立的数据管理使用机制，供科研人员使用，也能更好地保障数据的标准化、完整性及安全性。迁移或新建适合云平台运行与共享的应用软件群，是科研信息化能够成功与否的关键。以后引进或新建的应用软件要求必须能够云共享(在权限范围内)。但是客观地说，需要迁移应用软件才是实行云共享的主体，应该在进程中细化分析并逐项落实。

在云环境中实现科研信息化，既是继承整合，更是一场革新。如果能够成功实现预定目标，可以预见，长科院科研能力与科研人员的素质都会得到极大的提升。

6 云计算与智慧流域前期研究

《规划》安排的智慧流域前期研究，既是治江水利事业的需要，也是长科院着眼长远，组织的一项集云计算、物联网、大数据等最新技术于一体的综合性前沿应用研究。

6.1 智慧流域研究主要内容

智慧流域是在智慧地球概念下局部的、专业化的智慧系统，是水利信息化的高端、集成和深度应用。在本规划期内，长科院要在已有研究基础上，进一步加强多专业联合攻关，可以选择一流域为示范区域，攻克智慧流域系统建设中的关键技术，构建智慧流域雏形。

(1) 基本理论与框架体系研究。明确智慧流域基本概念和内涵，制定智慧流域标准体系与信息共享机制，构建智慧流域专业模型，探索流域水资源信息的数字化自动采集，存储和智能处理，知识提取和转化的一体化运作流程。

(2) “自然-社会”二元水循环物联网应用研究。以保障防洪安全、供水安全、生态安全、工程安全、航运安全等需求为引导，研究二元水循环物联网的定义、内涵和构成要素；以国家水利战略为指导，研究建设策略；开展技术体系总体设计，形成二元水循环物联网的系统总体技术框架。

(3) 流域立体监测网应用研究。充分利用对地观测网系统多平台动态耦合、多传感器信息互补、多资源联合观测的优势，建设基于卫星、航空观测平台、地面观测单元的流域立体监测网，开展流域立体监测网优化布局、新型传感器技术和监测手段的应用等应用研究。并采用水、陆、空一体化的立体综合监测技术。

6.2 智慧流域研究主要支撑技术

6.2.1 物联网技术

物联网是一种通过感应设备，对特定物体对象实现信息及时准确标记、采集，并通过有线或无线通信网络传输到信息处理中心，在此基础上构建管理、控制和运营的一体化应用服务体系[5]。智慧流域根据实际需求，在物联网的感知层采用以传感器网络、RFID、视频监控等新技术，按流域立体监测网要求布设传感装置，通过互联网信道传输数据到数据中心。在研究工作中重点要对传感装置、信息发布通道及数据汇聚处理分析等环节做方案比选、设备选型，同时要做好服务软件的开发工作。

6.2.2 大数据技术

大数据指的是所涉及的资料量规模巨大到无法通过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。大数据具有4V特点：Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多样)、Value(价值)[3]。大数据的这4个特点在智慧流域研究中面对众多前端传感装置、大量的数据采集、快速的系统响应要求等都会得到充分的反映。在智慧流域研究中，为了支持海量数据处理、数据分析及数据挖掘，还需要用到数据仓库与云存储技术，这些也对长科院综合数据中心及云计算平台建设从数据管理层面提出了新要求。

7 结 语

科研是规划设计的技术支撑，科研的本质是创新与探索。因此，科研的属性就要求其理念是新的并且具备一定的前瞻性，其技术手段必须是先进实用的。长科院作为国家公益类非营利性科研单位，在转型发展过程中，应该自觉消化吸收先进技术，《规划》体现了这种要求，在3项建设任务中有机融入了以云计算为核心的新技术，相信这些举措会对科研发展起到有效的助推作用。

本文是对《规划》学习理解后的学术讨论，其中一些论述及科研流程信息化云架构等，是笔者个人的研究结果，不一定很准确很全面，仅供学术参考。

参考文献：

[1] 长江科学院信息化规划(2013—2017年)[R].武汉：长江科学院，2013.(The Informatization Planning of Yangtze River Scientific Research Institute (2013—2017)[R].Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute, 2013.(in Chinese))

[2] 云计算定义——百度辞条[EB/OL].(2014-04-07)[2014-04-17].(Definition of Cloud Computing[EB/OL].(2014-04-07)[2014-04-17].(in Chinese)) http://baike.baidu.com/view/1316082.htm?fr=wordsearch

[3] 杨青峰.信息化2.0+ —— 云计算时代的信息化体系[M].北京：电子工业出版社，2013.(YANG Qing-feng.Informatization 2.0+: Informatization System in the Era of Cloud Computing[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013.(in Chinese))

[4] 史爱武.赢在云时代——企业云计算战略、方法和路线图[M].北京：清华大学出版社，2013.(SHI Ai-wu.To Win in the Cloud Era: Strategy, Method and Roadmap of Enterprise’s Cloud Computing[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2013.(in Chinese))

[5] 物联网定义——百度辞条[EB/OL].(2014-04-03)[2014-04-17].(Definition of Things of Internet[EB/OL].(in Chinese)) http://baike.baidu.com/view/1136308.htm?fr=wordsearch.