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本文作者：龍胤慧廖梓龍單位：河北工程大學水電學院水利部牧區水利科學研究所中國水利水電科學研究院研究生部

牧區主要位于我國西北邊陲，是我國主要的綠色生態屏障，也是少數民族的主要居住地，還是我國主要的畜牧業生產基地，在國民經濟和社會發展中占有重要的戰略地位。最近十幾年，隨著牧區經濟的發展和國家投入的增加，牧區水利建設取得了明顯的成效，但同時也面臨著很多困難，如政策和措施還不完善、牧區技術力量薄弱、項目建設和運行管理存在疏漏、基層服務體系還不健全等［1-2］。擁有者強大計算和處理能力的云計算，將有助于解決目前我國牧區水利建設中所面臨的困難。

1云計算基本理論

1.1云計算的發展

20世紀60年代，JohnMcCarthy曾經提到“計算遲早有一天會變成一種公用基礎設施”，這就意味著計算能力可以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便、費用低廉，這便是早期云計算的思想。隨著計算機技術和信息技術的不斷發展，科學、工程和商業領域需要超強計算能力的系統來處理大規模、海量的數據。云計算(CloudComputing)是一種新近提出的計算模式，是分布式計算(DistributedComputing)、并行計算(ParallelComputing)和網格計算(GridComputing)的進一步繼承和發展。目前關于云計算仍沒有統一的定義，通俗而言，云計算是指把信息數據、應用程序和硬件在托管服務器上作為服務運行。目前，云計算的研究在全世界已經廣泛展開，在歐美，亞馬遜、微軟、谷歌、IBM、英特爾等公司紛紛提出了“云計劃”，如“藍云”計劃［3］；在中國，谷歌同華盛頓大學、清華大學合作，啟動了云計算學術合作計劃［4］。云計算已廣泛應用于各個領域，如科研（如信息監控、信息計算處理）、醫學（如DNA信息分析、病例存儲、醫療影像處理）、網絡服務（如安全監控、檢索服務）等［5］。

1.2云計算服務及功能

從簡單的拓撲方面來說，云計算解決方案由客戶、數據中心和分布式服務器組成。人們通常把網格計算和云計算相混淆，二者的主要區別在于資源調度模式。云計算采用集群來存儲和管理數據資源，運行的任務以數據為中心；而網格計算，則以計算為中心。計算資源和存儲資源分布在因特網的各個角落，不強調任務所需的計算和存儲資源同處一地。云計算中的“服務”是指能夠跨供應商的網絡使用可重用的、細粒度控制的組件，也成為“即服務”。即服務可分為軟件即服務、平臺即服務和硬件即服務。

軟件即服務(SoftwareasaService,SaaS)是將應用程序作為服務進行托管的模型，以便客戶通過Internet訪問它；平臺即服務(Platformasaservice,PaaS)是另一種應用程序交付模型；硬件即服務(Hardwareasaservice,HaaS)與前兩者提供應用程序給客戶不同，只提供硬件，使得組織可以在上面放置想要的任何東西［6］。云計算系統具有支持虛擬化、提供服務質量保證、高可靠性及自治性等特征。其體系結構分為基礎設施層、平臺層和應用層［7］。目前，云計算的基本功能有云儲存（數據儲存、應用軟件及設備的安置等）、云計算（包括數據接口問題、大規模分布式計算等）云資源動態配置、云計算安全性和可靠性（離線運行、失效運行、異構負載等）。

云計算的3個主要環節為用戶、供應商和運營機構，在牧區水利信息系統中，用戶可以是科研部門、生產單位、市縣等基層水務行政管理單位。對于技術及設備相對缺乏的用戶，可以通過云計算中的服務模式彌補自己技術和設備上的不足，降低資金投入；對于技術及信息充足的用戶，可以在云環境中實現日常的生產性工作，提高生產效率，還可以享用基層單位用戶所提供的基本數據。供應商負責建立基礎的存儲系統、計算資源及網絡連接等，世界上云計算主要的供應商有Google，Microsoft，IBM，Amazon，Sun等［8］。運營商需要有大型的數據中心，因此運營商主要是通信公司、大型互聯網公司等，他們可以將計算資源打包成云計算虛擬機。

2基于云計算的牧區水利信息系統

2.1牧區水利信息系統建設的功能需求

牧區水利信息系統從其所服務的用戶而言，首先要滿足科研和生產單位本身的研究、生產需求；其次滿足上級行政管理部門的管理需求；另外還需要實現不同用戶、不同管理部門之間的信息共享。從信息和數據類型來說，首先具備文本信息的記錄、管理和共享，比如牧區草場類型、草場畜牧結構、草場水文地質資料等；其次是圖像信息，如牧區需水量-耗水量曲線、地下水位線等；更高級的則是動態視頻、音頻信息，如灌溉技術錄像、遠程技術援助等。不同地區、不同層次的用戶的需求不同，對于基層的牧民，著重需要遠程技術援助；對于科研生產部門，則著重研究基本信息的變化規律；而行政主管部門可以實時掌握牧區水利建設和運營現狀（見圖1）。

2.2網絡設計

數據傳輸網絡主要有3種：自行建網、虛擬專用網絡及公共互聯網。自行建網，即自己負責網絡的建設、運行和維護，其建設成本高昂，主要適用于安全性要求高、自主性強的機構，如金融、國防領域。虛擬專用網絡是通過一個公共網絡（通常是因特網）建立一個臨時、安全的連接，成本較低，數據傳輸完整、高效，數據保密性好；公共互聯網是日常生活中最常見的數據傳輸網絡，成本低廉，但安全性較差，且數據傳輸速度得不到保證，但具有分布廣、對軟硬件無特殊要求的優點。通過對數據安全和建網成本的綜合考量，基于云計算的牧區水利信息系統的數據傳輸網絡，主要采用基于公共互聯網的VPN網絡，在特殊情況時，也可直接使用公共互聯網。

2.3云計算中心

云計算中心，即核心平臺數據層，采用基于Web3.0信息聚合模式的服務平臺，實現信息的個性化定制和自動派送。云計算平臺作為牧區水利信息系統的“大腦”，接收來自不同部門、不同種類的海量數據，使用服務器端的應用軟件和硬件進行數據挖掘、模糊識別等人工智能技術數據處理，然后將符合不同層次用戶需要的、有價值的信息發送給相應的用戶終端。

2.4數據存儲與交換

數據存儲主要由云計算服務提供商提供，較為常用有亞馬遜、Google、微軟的云計算數據儲存方案，所有的數據都集中存儲在云計算服務提供商所提供的存儲云中，各個用戶無需再設置單獨的數據庫。離線狀態下所產生的新數據及數據的修改，將通過GoogleGear技術，與中心數據庫同步進行。在基于云計算的牧區水利信息系統中，由于存儲云的引入，大大簡化了數據存儲系統的設計。基于各單位、各部門間數據的復雜性和多樣性，整合已有的大量數據，并建立對應的數據交換系統是非常重要的。數據交換系統（見圖2）由以下幾個部分組成：

（1）核心平臺數據交換網關。為提供廣域網環境下的數據傳輸服務，支持斷點續傳。對外接口有核心平臺服務總線接口（以消息機制實現數據雙向交換）、水利部平臺數據交換接口、科研生產部門交換接口（以基于消息機制的XML/HL7格式上傳和下載數據）、基層單位交換接口。

（2）核心平臺服務總線。它是數據交換系統的核心，保證在異構環境中數據傳輸的可靠性和穩定性，并屏蔽掉用戶實際的硬件層、操作系統層等復雜、繁瑣的界面，提供一個統一、標準的信息通道。服務總線提供：XML消息隊列和轉換、HL7解析及標準消息隊列等。

（3）核心平臺數據層。實現靈活數據的操作與描述。

（4）核心平臺數據加工層。對于集中式部署的基層水利單位應用平臺，需要在集中部署的基層單位數據庫與核心平臺中心數據庫之間，建立數據交換的通道，與分布式部署邏輯不同，該數據交換是在網絡環境下（例如局域網）的數據庫之間的直接交換，不需經過服務總線進行，為此需要在核心平臺中部署數據加工層，實現數據的抽取、轉換和加載。

（5）核心平臺應用支撐層。為專業的應用服務提供基礎類功能。

2.5設計框架

綜合功能需求、網絡設計、數據存儲與數據交換，可以建立基于云計算的牧區水利信息系統構建的設計框架在基于云計算的牧區水利信息系統中，計算資源和存儲設施都交由云計算服務提供商負責。云計算服務提供商可以為牧區水利信息化系統提供性能強大、極具可擴展性的計算資源和存儲設施，所以在信息系統的開發過程中只需要應用云計算服務商所提供的接口即可完成系統的開發，無需考慮計算資源和存儲設施的細節情況。這樣既簡化了系統的架構設計和開發，又有利于系統的更新和升級。

2.6運營和維護

由于采用了云計算的信息化建設模式，系統的數據和應用程序都部署在云中，客戶端沒有數據和程序，只需一臺能上網的電腦即可，使用系統時，實時地從云中訪問應用軟件和獲取數據，信息系統運營和維護的重心已經轉移到核心平臺數據中心。用戶不需要花費資金和設備進行數據維護，節省了財力和物力，增加了科研生產部門的效率，提高了基層用戶的技術力量，完善了基層服務體系。對于核心平臺數據中心，可以聘請相關安全技術人員進行監測、維護和更新，亞馬遜、Google、微軟等云計算供應商經過近幾年的研究，已經逐漸強化了云計算中心（即核心平臺數據層）的安全維護［9］。

3基于云計算的牧區水利信息系統的優勢和不足

3.1優勢

基于云計算的牧區水利信息系統與傳統牧區水利信息系統相比有很多優點：

（1）成本低。由于應用程序在云中而不是在臺式機上運行，故基層單位用戶的臺式電腦并不需要傳統的桌面軟件所要求的處理能力和硬盤空間。對于科研生產部門而言，則不需單獨購買昂貴的應用軟件。

（2）性能高和計算能力強。在云計算中，用戶計算機的啟動和運行速度將會更快，因為他們只需將少量的程序和進程加載到內存中。云計算使用了數據副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的可靠性，使云計算比本地計算機更可靠。此外，在云計算中不只局限于一臺電腦單獨工作，可以利用成千上萬臺計算機和服務器的能力，執行超級計算類的任務。

（3）存儲容量大和數據高效安全。無論臺式機或筆記本電腦的存儲空間多大，與云中可以使用的容量相比，都微不足道。此外，云中的數據是自動復制的，不會輕易丟失，即使你的計算機崩潰了，數據仍在云里，仍然可以訪問。云計算在一定程度上保持了數據的安全性。

（4）兼容性和群組織間的協作較強。云計算不針對特定的應用，在云的支撐下可以構造出各種應用。云計算不限制單一的操作系統，可以將Windows計算機連接到云，和運行的其他操作系統(例如Unix、Linux等)共享文件。云計算增強了多用戶間的協作能力，使相關的人員全部參與，不受地理位置、空間因素的限制。

（5）擴展性強及用戶使用方便。云的規模可以根據實際情況進行伸縮，滿足用戶和應用增長的需求。同時也消除了用戶對特定設備的依賴，不用按照特定的設備購買特定版本的程序，或者按照設備特定的格式保存文檔。

3.2不足

基于云計算的牧區水利信息系統改善了當今牧區水利面臨的基層投入不配套、基層技術力量薄弱、基層服務體系不健全等問題，但云計算計算本身還有很多需要改進的問題，例如需要持久的網絡連接。利用云計算，必須鏈接到因特網上才能利用自己的應用和文檔，失效的網絡連接就意味著用戶在此期間內不能工作及訪問云中的內容。一些因特網連接很少或本身不穩定的地區，也是可能影響云計算使用的決定性因素。

4結語

云計算是一種新的信息化管理方式，它通過網絡獲取信息服務，軟件和硬件資源不是以“占有”方式部署在用戶計算機內部，而是都部署在云中。管理人員可能會產生這樣一種感覺，在付出了使用費之后，我們好像什么都沒“擁有”，因為數據和服務器資源都在云里。這就需要我們的管理人員擺脫傳統的思維模式，畢竟我們投資于信息化，不是為了擁有那些硬件設備和數據，而是希望得到這些資源為我們提供的服務。基于云計算的牧區水利信息系統有著超強的計算能力和數據處理能力，節省了軟件、硬件等方面的費用，加強了不同用戶間的協作，儲存能力強的，數據傳輸和交換高效安全，適應新時期牧區水利建設的要求，有利于促進和保障我國牧區水利健康發展。