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“数字黄河”工程规划概要
水利部黄河水利委员会
摘 要
“数字黄河”工程是一项复杂的、巨大的、长期的系统工程。“数字黄河”工程规划的主要内容包括建设必要性、需求分析、规划目标、业务应用系统、基础设施、应用服务平台等。业务应用系统主要包括防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持、工程建设与管理、电子政务等，基础设施主要包括数据采集、数据传输、数据存储与管理等系统，应用服务平台包括应用服务和资源管理。
关键词 “数字黄河”工程 应用系统 基础设施 应用服务平台
“数字黄河”是“原型黄河”的虚拟对照体通俗地讲，就是把黄河装进计算机。主要是借助现代化手段及传统手段采集基础数据，对全流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境，以功能强大的系统软件和数学模型对黄河治理开发与管理的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。
为更好地结合黄河治理开发与管理的实际，并使规划达到先进、实用的要求，水利部黄河水利委员会在“数字黄河”工程规划的编制工作中，遵循“需求牵引，应用至上”的原则，以需求为导向，突出应用，同时采用了开放的工作方式，集思广益，邀请国内著名大学和公司参与规划。规划提出了“数字黄河”工程总体框架，明确了建设目标和任务，并制定了具体实施办法。
一、建设目标和任务
“数字黄河”工程建设，是根据治黄工作的实际需求，应用IT、3S等现代数据采集、传输、存储和服务技术，构建黄委统一的基础平台，实现信息整合和资源共享；以科学计算和数学模拟技术为核心，建设防洪减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源保护、工程建设管理和电子政务等六大应用系统，提高治黄业务的反应能力和决策的科学性；以人工智能技术和会商环境为支持，构建综合会商和宏观决策平台，实现黄河流域自然资源与经济、社会的协调发展。
近期目标：在国家空间基础设施的基础上建设“数字黄河”空间基础设施，形成覆盖全河的信息高速公路；数据采集从现有的工作方式平稳过渡到基于宽带网络为主的工作方式；调整测验站网布局与结构，进一步完善黄河测验体系，满足信息采集需要。构建应用服务平台，重点建设应用系统，实现信息基础设施和应用系统的资源整合。基本建成具有数字化虚拟会商环境的黄河防汛指挥中心、水文预报中心和水量调度中心，通过各种水利专业模型，初步形成一个面向具体应用的虚拟仿真系统，对有关水利信息进行综合处理，为决策者提供可视化的决策会商环境，增强决策的快速反应能力，提高决策的科学性和准确性。
远期目标：到2010年，建立完善的“数字黄河”工程基础设施和应用服务平台，进一步升级、完善应用系统，使各类重大治黄决策方案能够在数字集成平台和虚拟仿真环境下模拟、分析和研究，“数字黄河”工程在治黄事业中发挥更大的作用。
建设任务主要包括应用系统建设、应用服务平台建设以及基础设施建设。应用系统重点建设基于应用服务平台的防洪减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源保护、工程建设管理和电子政务等应用系统。应用服务平台建设主要包括建立应用服务平台的资源管理机制，搭建应用系统开发集成平台，构建面向各项治黄业务应用的数据仓库、知识库、模型库、数据存取接口和应用服务中间件。基础设施建设包括数据采集系统建设，遥感中心和黄河流域基础地理信息系统建设，通信及计算机网络建设，数据中心及基础数据库建设，以及信息安全保障体系的建设。
二、“数字黄河”工程总体框架
“数字黄河”工程总体框架主要包括基础设施、应用服务平台、应用系统以及技术支持和工程保障体系等（见图1）。
基础设施主要是完成各类信息从采集到数据的处理和存储全过程的软硬件设备的有机组合，是“数字黄河”工程建设的基础。根据现代治黄工作流程和业务需求分析，通过完善“原型黄河”的测验体系，广泛地采集“数字黄河”工程所需空间信息资源；通过覆盖全河的宽带计算机网络，快捷、实时地将采集的数据传输到数据存储与处理系统。
应用服务平台是“数字黄河”工程资源的管理者，也是服务的提供者。应用服务平台由应用服务器中间件、数据仓库、知识库、模型库等部分组成。应用服务平台是一个开放的资源共享、应用集成以及可视化的公用服务平台，是业务应用的重要支撑。其开放性表现为自身随业务应用的建立而不断拓展与完善。
“数字黄河”工程建设的最终目的是为有效治理黄河提供决策支持信息。工程建设以应用为牵引，在可视化应用服务平台的基础上开发应用系统，为治黄业务提供专业决策支持和信息服务。基于虚拟仿真技术的决策会商在应用系统专业决策支持基础上，为治理黄河提供综合决策支持功能。
政策法规、组织领导、标准体系与技术支持等是实现“数字黄河”的保障和支撑。在保障项目建设所需经费投入的同时，还应对工程建设的管理从制度上和组织上给予落实，建立严密的工程建设组织管理体系、工程运行维护管理体系和人才培训与引进机制。这些是“数字黄河”工程能否顺利实施的关键所在。
三、应用系统建设
黄委是水利部直属的流域机构，应用系统建设也是水利部信息化建设的重要组成部分，与全国水利信息化十大应用系统相对应。各应用系统将按水利部的要求，通过水利信息骨干网，实现与上、下级对口部门的互通互连。
1. 汛减灾
防汛减灾系统包括暴雨洪水预警预报、洪水调度、防汛组织指挥、洪水演进、抢险减灾等系统。整个系统以防汛组织指挥为核心进行开发。
由于黄河防洪工作是在降雨预报、洪水预报、洪水实时测报、实时洪水调度、险情监测、抢险减灾、调水调沙方案编制中交替进行的，因此它们之间的关系为滚动实时修正的耦合关系。
有关防汛减灾的数学模型主要有气象预报模型、水文预报模型、防洪水沙调度模型、凌情预报模型、防凌调度模型、灾情预测模型、灾情监测模型、灾害评估模型、迁安救护方案制定模型、防汛物资调度模型等。
2. 水资源管理调度
水资源管理调度系统包括水资源预测预报、水资源监测管理、水量调度方案管理、水量调度业务处理与综合监视、危机调度管理、取水许可管理等系统。
水资源管理调度系统通过调用模型，对已有数据进行处理，得到预测结果和调度方案。水资源管理调度系统涉及的数学模型主要有径流预报模型、枯水径流演进预报模型、骨干水库联合调度模型、水量实时调度模型、需水计算模型、水资源优化配置模型等。
3. 水资源保护
水资源保护系统主要包括纳污能力分析、监测管理、分析评价、监督管理、稽查管理、信息发布等系统。
建立黄河干流污染物迁移转化规律及水质模型，通过调查、污染物示踪监测试验、室内模拟实验，系统地掌握黄河干流各河段污染物的污染机理，迁移转化规律，并在此基础上建立适合各河段污染特征的水质数学模型。
4. 水土保持生态环境监测
水土保持生态环境监测系统包括水土保持采集信息处理、水土流失分析预测、水土流失防治管理、水土保持评价和水土保持信息服务等系统。
根据水土保持应用分类，模型分为水土流失分析预测模型、水土保持评价模型、水土保持规划设计模型、遥感影像处理模型等几类。
5. 水利工程建设管理
水利工程建设管理系统包括工程建设管理、工程运行管理、工程安全监测、工程安全评估、工程维护管理等系统。
主要建设工程安全评估模型和工程维护模型。根据防洪工程监测数据，通过回归分析等手段，建立工程安全评估模型。对需要维护的工程，可利用工程基本信息、相关维护标准，建立工程维护标准化模型，达到维护方案自动生成和优化的目的。
6. 电子政务
电子政务系统主要包括黄河网、办公自动化系统、规划计划管理系统、水政管理信息系统、财务资产管理系统、国际合作与科技管理信息系统、人力资源管理信息系统、档案图书期刊音像管理信息系统和其他子系统。
7. 综合决策会商
决策支持是“数字黄河”服务功能的最高层次的应用。在各业务应用系统的基础上，通过建立决策会商机制，协调不同应用系统及不同层次的决策，通过虚拟仿真系统规划黄河和模拟黄河，使黄河重大问题的决策、规划能够在“数字黄河”上预演，为黄委决策层提供一个综合性的具有三维可视化功能的决策会商环境，使领导能在较短的时间内，全面了解和掌握治黄问题的实质和情况，为领导制定科学正确的决策提供支持。
“数字黄河”工程的综合决策主要是面对流域的战略与宏观问题、专业系统冲突问题、涉及多业务领域的重大事件决策和重大突发事件的协调和决策。
四、应用服务平台建设
建设应用服务平台的主要目的是实现资源最优化配置，实现数据、应用处理、模型及知识等多层次资源的高度共享，为应用系统的开发和集成提供基础，为系统整合提供标准和技术手段。其主要功能是应用服务和资源管理，逻辑上由应用服务器中间件及数据库、知识库和模型库等构成。
1. 应用服务器中间件
应用服务器中间件包括数据访问层和应用逻辑层，其中应用逻辑层又包括空间信息处理逻辑、业务应用逻辑等。
(1)
数据共享服务和数据统一管理是“数字黄河”工程的基本要求。通过对数据存储接口标准化，实现对异构、异地系统中多源信息的整合与管理，满足各种应用的直接和间接访问。
(2)
水利信息的最大特征是具有地理空间的概念，结合空间技术(GIS)与网络中间件技术，开发空间信息处理逻辑，使地理信息分析处理标准化、规范化。空间信息处理逻辑分为基础地理信息处理逻辑、基础遥感图像处理逻辑、三维仿真处理逻辑等。
(3)
业务应用逻辑是按业务处理逻辑的结构及分类，在软件复用技术和分布式对象技术的支持下，由各类基本处理模块构成服务软件，业务应用逻辑的组合形成实现业务处理的应用服务。业务应用逻辑包括业务处理逻辑、模型服务、已有系统集成支持服务等。
2. 数据库及知识库
在数据中心、网络平台和应用系统建设的基础上建设数据库，通过应用数据挖掘等技术，满足有明确应用主题的分析型应用，如防洪调度、水文分析计算、河床演变分析、水资源评价等，以支撑各种主题的在线分析处理业务。知识库是数据库概念在知识处理领域的拓广和延伸。当知识集合中元素较多的时候就需要有效的管理，即建立知识库管理系统。一般的知识库管理系统涉及的关键技术主要有知识获取、知识表示以及知识库组织、维护及调用等几个方面。
3. 模型库
数学模型是实现业务应用数字化处理的技术核心。模型库包含流域系统模拟、管理及决策支持所需要的各种基础模型和组合模型构件，是一个庞大的业务处理集，它直接为各业务服务。模型库包括模型库管理系统、模型库、模型字典以及模型驱动系统。模型大致分为空间信息基础模型、专业模型以及公用模型等。
五、基础设施建设
“数字黄河”工程基础设施主要包括数据采集系统、数据传输系统和数据存储及管理系统，主要承担信息资源的采集、传输、存储及管理等。通过建立和完善数据采集、传输体系，建设集数据设计、存储、管理及服务为一体的数据中心与分中心，为“数字黄河”工程中各个应用系统的运行提供可靠保障。
1. 数据采集系统
数据采集系统的实施主要分为基础空间数据采集和专业数据采集。基础空间数据采集系统是利用3S技术以及野外数字测图技术等组成的多平台、多尺度、多源的信息采集监测处理系统，建设遥感中心和黄河流域基础地理信息系统，以满足对地理空间数据、遥感数据、DEM数据的生产与更新和业务应用的需求。专业数据采集系统主要由水文气象、工情险情、引退水、旱情、水质、水土保持、水利工程等采集或监测系统组成，以满足对水利专题信息的采集和处理需求。数据采集系统承担着基础数据库、专业数据库的数据入库、更新等任务，同时还必须为突发性重大工程与灾害问题的解决，提供实时准确的数据支持。
2. 通信及计算机网络系统
“数字黄河”工程计算机网络系统依托光缆、数字微波、通信卫星、公共电信网等通信资源，在通信组网上采用“公专结合，优势互补”的模式，根据数据采集量测算网络需要的带宽及有关参数，对具有不同行政隶属关系和地域特点的黄河上中游、小北干流、三花间、花园口以下等4个地区，合理地选择通信方式，在现有黄河广域计算机网络的基础上，建设覆盖黄委县级以上单位的四级宽带网络和相应的网络安全设施，建设重要水文站、涵闸等单位的无线接入系统，实现与沿河各省区水利行业主管部门的互联互通。
3. 数据存储及处理系统
通过对黄河信息资源进行整合，在统一的数据标准基础上，采用面向对象数据建模技术，建立黄河数据逻辑模型，建设包括基础数据库、专业数据库、政务数据库系统，完善数据存储内容，实现黄河信息资源的完整性、一致性和共享性。
本着权威部门权威数据以及数据的更新维护应由直接拥有者负责的基本原则，根据数据隶属关系，按数据中心、数据分中心的层次组织管理。根据黄委各业务单位的业务特点和地域位置，为达到信息的高效使用和全网信息共享的目的，在保证数据完整性和一致性的基础上，采用分布和集中相结合的原则，建设黄河数据中心和水文局、河南河务局、山东河务局、水资源保护局、上中游管理局、设计院、水科院等7个数据分中心，以及灾难备份中心，形成完善的高效数据存储、维护、更新和管理体系。在黄河数据中心、灾备中心、主要的数据分中心采用SAN和NAS相结合的技术，以提高数据存储的可靠性、可用性、可扩展性，并提高数据共享和集成的能力。
六、保障措施
为保证“数字黄河”工程顺利有序实施，应遵循“统一领导、统一规划、统一组织、统一管理”的建设原则，在保障项目建设所需经费投入的同时，还应对工程建设管理从制度和组织上给予落实，建立严密的工程建设组织管理体系、工程运行维护管理体系和人才培训与引进机制，要按照基本建设管理的有关规定，贯彻项目法人责任制、招标投标制、建设监理制和合同管理制，建立工程质量管理体系，实施计划进度管理和过程控制，确保工程高质量高水平按计划完成。
要在国家和水利行业已颁布执行的标准的基础上，建立完善的工程标准体系，保证系统的开放性、通用性和可扩展性。在系统设计开发和运行维护等各个阶段，严格按照有关标准进行，保证工程建设和运行的规范化和标准化。要加强关键技术研究，重视信息技术在治黄业务中的应用。
七、实施计划
按照“统一规划，分步实施”的建设原则和“需求至上，应用牵引”的指导思想，“数字黄河”工程建设的实施应考虑治黄业务的具体需求和资金技术条件，急用先行，分阶段、分层次进行。近期突出防汛减灾、水量调度等重点工程建设；同时，结合治黄实际情况，开展水土保持、水资源保护、工程建设与管理等应用系统开发，完善电子政务的建设，并紧扣应用需求，考虑相应的基础设施建设，进一步完善原型黄河测验体系和空间基础设施，提高信息采集的范围、质量和时效，加强黄河下游等重点地区通信及计算机网络建设，构架黄委信息高速公路，基本建成数据存储和管理体系，结合重点项目建设，搭建应用服务平台，整合已有资源，实现信息资源的共享。
1. 应用系统
前3年基本完成以“小花间暴雨洪水预警预报系统”和“黄河水量调度管理系统”为重点的一期工程，满足黄河防汛减灾和水资源管理调度的紧迫需求；同时建设水土保持、水资源保护、工程建设与管理等应用系统。后两年继续完善防汛减灾、水量调度系统、水土保持、水资源保护、工程建设与管理等应用系统。
2. 应用服务平台
结合应用系统建设，前3年充分整合已有资源，建设服务于各专业应用系统的中间件，初步构成应用服务平台，建立标准和规范，基本实现信息资源的有效共享和应用系统的互联互通。后两年，扩充完善系统功能，形成较为完善的应用服务体系，为应用系统的开发运行提供支持。
3. 基础设施
根据各业务应用系统建设的要求，开展与之相适应的基础设施建设。前3年优先进行数据传输系统的建设，通过通信微波专网改造和下游重点地区四级宽带网络建设，基本建成数据采集和应用系统运转所需的高速数据通道；逐步建设数据采集所需的各种设施，建立遥感中心和黄河基础地理信息系统，加强基础数据的采集，尤其是包括多层次、多尺度、不同专题的基础空间信息的采集，建设和完善水文气象、工情险情、引退水、旱情、水质、水土保持、水利工程等采集或监测系统；初步建成数据存储和管理体系，为应用系统提供可靠性、可用性高的数据。后两年，基本建成比较完善的数据采集系统，完善通信网、计算机网络、数据存储和管理体系。
八、结束语
“数字黄河”工程建设是黄河治理工作的一项战略举措，是黄河治理现代化、信息化可持续发展的重要保障。工程的建设实施，将极大地提高黄河防洪减灾、水资源开发利用与保护、水土保持生态环境监测、水利工程建设与管理以及政务办公等方面的现代化水平。“数字黄河”工程的作用与效益主要体现在提高快速反应能力增强决策的科学性和准确性实现信息资源的高度共享提高水行政工作质量和效率以及社会的参与能力。
实现“三条黄河”的互联互动，解决黄河实际问题，是“数字黄河”工程建设的主要目的。通过大力推进“三条黄河”建设和黄河治理开发与管理的现代化进程，支持黄河流域及其相关地区经济社会的可持续发展，实现黄河的长治久安。
责任编辑 韦凤年 |
