大數(shù)據(jù)下水資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要：針對(duì)現(xiàn)有水資源管理方式存在的數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)質(zhì)量低、利用率不高等問(wèn)題和互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代要求，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)水資源管理系統(tǒng)。通過(guò)從異構(gòu)的數(shù)據(jù)源采集各類水資源數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換、整合、分析和統(tǒng)計(jì)，然后利用柱狀圖、折線圖等多種圖形從不同的維度對(duì)水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并通過(guò)五大系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源的精細(xì)化管理，有助于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，具有良好的推廣價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；水資源；可視化

1引言

我國(guó)一直是水利工程建設(shè)大國(guó)，在近年的高速發(fā)展過(guò)程中我國(guó)的水資源用水量一直處于高位，截至2020年，我國(guó)的總用水量總體維持在6,100億立方米左右。隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的水資源管理模式已嚴(yán)重滯后，不利于我國(guó)水資源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)今社會(huì)互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)技術(shù)正影響著各行各業(yè)的管理與建設(shè)[1-2]，水資源領(lǐng)域急需使用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)，提高我國(guó)水資源管理的能力，借助便利的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)，提高水資源的利用率和各項(xiàng)管理業(yè)務(wù)操作的效率。

2水資源管理中存在的問(wèn)題

在水資源管理領(lǐng)域，水資源相關(guān)的數(shù)據(jù)非常繁雜，數(shù)據(jù)管理長(zhǎng)時(shí)間滯后，往往不能及時(shí)、直觀地反映當(dāng)前水資源的實(shí)際情況[3]，具體表現(xiàn)在：(1)水資源數(shù)據(jù)地理位置的差異性。水資源監(jiān)測(cè)站點(diǎn)往往設(shè)置在不同位置，取樣位置的不同使得數(shù)據(jù)也會(huì)有較大差異性，用傳統(tǒng)人工方式處理較為繁重，難以整合[4]。(2)水資源數(shù)據(jù)的時(shí)效性。使用傳統(tǒng)的人工方式一般需要若干個(gè)星期才能完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，往往錯(cuò)過(guò)利用數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的最佳時(shí)間[5]。(3)水資源數(shù)據(jù)煩瑣且不直觀。水資源數(shù)據(jù)量龐大且數(shù)據(jù)格式比較靈活多樣[6]，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格統(tǒng)計(jì)方式難以直觀地反映水資源的使用情況，不利于管理者在處理突發(fā)事件時(shí)的決策與判斷。

3水資源管理解決方案

基于以上問(wèn)題，針對(duì)水資源數(shù)據(jù)煩瑣且不直觀的問(wèn)題，本文使用水資源大數(shù)據(jù)可視化方案，將各個(gè)水資源監(jiān)控設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，即基于大數(shù)據(jù)分析，將諸如歷史用水量、計(jì)劃用水量、設(shè)備狀態(tài)等各項(xiàng)信息加以整合，利用地圖、餅狀圖、折線圖等多種圖表在應(yīng)用層設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的界面，實(shí)現(xiàn)了水資源數(shù)據(jù)的可視化展示，通過(guò)合理的精度顯示以實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源管理系統(tǒng)復(fù)雜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示。該方法的優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在：(1)直觀展現(xiàn)水資源監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間與時(shí)間分布。能夠在地圖中直觀實(shí)時(shí)地展現(xiàn)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置，并且及時(shí)反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前的監(jiān)控狀態(tài)。(2)展現(xiàn)變化趨勢(shì)。利用折線圖展現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，能夠直觀反映數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，利于管理者對(duì)當(dāng)前用水形勢(shì)做出及時(shí)的判斷。(3)高效管理數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)分析，將各個(gè)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理高效的增刪改查，方便從業(yè)者管理存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)。(4)界面簡(jiǎn)潔，用戶使用體驗(yàn)良好。簡(jiǎn)潔的UI設(shè)計(jì)與便捷的操作能夠大幅提升用戶的使用體驗(yàn)感，提升操作對(duì)應(yīng)功能的流暢性。

4水資源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

水資源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為四個(gè)方面：用于存放和管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層、進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的后端架構(gòu)、用戶進(jìn)行操作的前端架構(gòu)、進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理的管理軟件。其中，前端架構(gòu)是用戶操作與顯示的核心，后端架構(gòu)是數(shù)據(jù)處理與大數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵。為便于模塊化開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)使用SpringBoot+Vue的前后端分離開(kāi)發(fā)模式。

4.1數(shù)據(jù)層

水資源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源具有異構(gòu)多樣性，系統(tǒng)能夠利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程獲取水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備收集到的信息，也可以采用手工導(dǎo)入方式，如手動(dòng)輸入相應(yīng)水資源信息，利用Excel表格導(dǎo)入表格信息等，還能夠利用其他設(shè)備諸如手機(jī)APP、小程序等提供信息，通過(guò)溫度檢測(cè)、水平面變化檢測(cè)等方式，收集對(duì)應(yīng)地區(qū)的用水量、用水設(shè)備的溫度、該區(qū)域的水平面、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。獲取的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)后端的清洗、整理、計(jì)算、分析歸納，利用開(kāi)源的Mybatisplus，通過(guò)數(shù)據(jù)持久層的操作，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系將所需數(shù)據(jù)整理保存到傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(如MySQL、WindowsServer等)中。若要處理的數(shù)據(jù)量大于單個(gè)系統(tǒng)的處理極限時(shí)，可通過(guò)開(kāi)源工具Sqoop，將傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容提取、轉(zhuǎn)換、加載，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)格式的封裝，轉(zhuǎn)儲(chǔ)至MongoDB等對(duì)應(yīng)的NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際使用的需要進(jìn)行分布式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以減輕主服務(wù)器的負(fù)擔(dān)[7]。數(shù)據(jù)層與后端架構(gòu)的關(guān)系如圖1所示。Fig.1Therelationshipbetweenthedatalayerandtheback-endarchitecture由于水資源系統(tǒng)用戶多種多樣，需有效快捷地利用用戶登錄狀態(tài)獲取符合其角色的數(shù)據(jù)，因此需要運(yùn)用比傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)查詢速度更快地獲取用戶登錄鑰匙token的工具。利用NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)Redis對(duì)用戶登錄token進(jìn)行key與value的鍵值比對(duì)查詢可實(shí)現(xiàn)高效的跨域校驗(yàn)，利用基于Redis的矢量時(shí)空查詢算法，相比傳統(tǒng)的Oracle，查詢效率提高近4.5倍，使用戶在獲取數(shù)據(jù)時(shí)獲得良好的交互體驗(yàn)[8]。

4.2后端架構(gòu)

后端架構(gòu)基于Spring框架，如圖2所示，根據(jù)功能設(shè)計(jì)分為實(shí)體層、服務(wù)層、映射層、控制層、攔截層與針對(duì)前端的HTTP接口。各層的作用與關(guān)系如下：(1)實(shí)體層通過(guò)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的水資源設(shè)備主體，如機(jī)井、計(jì)量設(shè)備、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)備等模塊，將其作為容器用于保存對(duì)應(yīng)實(shí)體的相關(guān)信息，并在實(shí)體層保留訪問(wèn)接口，用于訪問(wèn)實(shí)體內(nèi)部對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。具體實(shí)現(xiàn)可以借助Spring框架與Mybatisplus，在Spring中定義相對(duì)應(yīng)的水資源設(shè)備實(shí)體，然后利用Mybatisplus對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)持久層中，再通過(guò)定義好的主體進(jìn)行Bean注入，即可完成實(shí)體的構(gòu)建。當(dāng)需要獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用實(shí)體層對(duì)應(yīng)接口即可。通過(guò)實(shí)體層既能夠保證數(shù)據(jù)的安全性，又能夠在后續(xù)的開(kāi)發(fā)中保證容器之間的獨(dú)立性，互不干擾。(2)服務(wù)層利用實(shí)體層已有的實(shí)體信息，調(diào)用實(shí)體層已有的接口，對(duì)實(shí)體進(jìn)行操作后將修改反映到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能服務(wù)。具體實(shí)現(xiàn)為利用Mybatisplus將需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改的對(duì)應(yīng)SQL語(yǔ)句封裝在Mapper對(duì)象中，以執(zhí)行對(duì)象中SQL語(yǔ)句的方式完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的CRUD和事務(wù)提交，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不外泄和安全保障。(3)映射層將對(duì)應(yīng)實(shí)體的業(yè)務(wù)操作進(jìn)行一一映射。根據(jù)業(yè)務(wù)需要調(diào)用服務(wù)層接口提供的相應(yīng)功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)操作，保證業(yè)務(wù)的直接關(guān)聯(lián)性。(4)控制層將每個(gè)功能模塊所需的業(yè)務(wù)操作集成到一起，根據(jù)需要調(diào)用對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)操作，并作為定時(shí)任務(wù)關(guān)聯(lián)相應(yīng)模塊，在設(shè)定的時(shí)刻調(diào)用水資源業(yè)務(wù)需要的功能。(5)水資源數(shù)據(jù)十分重要且需要保證其訪問(wèn)安全，因訪問(wèn)用戶眾多也需滿足用戶查詢時(shí)的便利性，因此攔截層需要實(shí)現(xiàn)跨域校檢、登錄態(tài)校檢與權(quán)限校檢三大模塊。用戶在登錄后要獲取數(shù)據(jù)，需服務(wù)端分配登錄態(tài)憑證返回給客戶端。本文的實(shí)現(xiàn)方式為生成token返回給客戶端，并將生成的token存儲(chǔ)至內(nèi)存中的Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶后續(xù)需要訪問(wèn)服務(wù)端時(shí)，僅僅需要將每次請(qǐng)求頭中附帶上此token，即可通過(guò)登錄態(tài)校檢。權(quán)限校檢模塊根據(jù)用戶名與密碼獲取對(duì)應(yīng)用戶的訪問(wèn)權(quán)限，并且將其能夠訪問(wèn)的菜單頁(yè)面路由返回給客戶端，按照用戶的權(quán)限顯示對(duì)應(yīng)的功能模塊。(6)與前端交互前必須設(shè)置針對(duì)前端的HTTP接口，保留開(kāi)發(fā)接口接收前端頁(yè)面的請(qǐng)求，完成請(qǐng)求的功能業(yè)務(wù)?？墒褂肧pring框架中的控制層進(jìn)行接口實(shí)現(xiàn)，將后端運(yùn)行環(huán)境構(gòu)建成統(tǒng)一的自動(dòng)化協(xié)調(diào)的運(yùn)行環(huán)境，以服務(wù)的形式提供給用戶，簡(jiǎn)化應(yīng)用的部署和運(yùn)行等。

4.3前端架構(gòu)

前端架構(gòu)使用項(xiàng)目化開(kāi)發(fā)，可以使用面向數(shù)據(jù)的前端開(kāi)發(fā)框架。本文采用Vue3.0作為前端框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用Vuex進(jìn)行全局狀態(tài)管理，采用Vue-Router進(jìn)行路由管理，進(jìn)而構(gòu)建整體的框架設(shè)計(jì)，具體如圖3所示。系統(tǒng)利用Vite的冷啟動(dòng)進(jìn)行快速的狀態(tài)開(kāi)發(fā)，并將其打包成項(xiàng)目部署文件部署到前端項(xiàng)目服務(wù)器中。水資源管理系統(tǒng)由用于管理水資源設(shè)備和水資源使用等的下層業(yè)務(wù)和管理用戶、地址、使用權(quán)限等的上層業(yè)務(wù)構(gòu)成，結(jié)合利用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算提高管理效率這一目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了五大模塊。(1)全局模塊。全局模塊包括用戶信息、控制信息、清洗控件等功能。由于系統(tǒng)用戶登錄人數(shù)眾多，用戶類別各不相同，系統(tǒng)需記錄當(dāng)前用戶的登錄狀態(tài)與用戶權(quán)限，因此需要開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的用戶模塊，將用戶登錄獲得的登錄狀態(tài)信息存放在全局模塊中，并且將其放入以后的請(qǐng)求頭中以獲取服務(wù)端的信息，并根據(jù)獲取的權(quán)限來(lái)展示用戶可操作的模塊。具體實(shí)現(xiàn)為利用Vuex的全局狀態(tài)管理，將用戶登錄獲得的token存入當(dāng)前用戶module的state中，并將其放入請(qǐng)求文件的header中用于獲取后端數(shù)據(jù)，然后將獲取的用戶權(quán)限與Vue-Router中的路由文件相匹配，若存在對(duì)應(yīng)模塊則顯示。(2)上層業(yè)務(wù)模塊。上層業(yè)務(wù)模塊包括用戶管理、權(quán)限管理、菜單管理、地址管理、接口管理、數(shù)據(jù)清洗等功能。將登錄系統(tǒng)的用戶信息、權(quán)限管理、系統(tǒng)顯示的菜單、水資源檢測(cè)設(shè)備的地址、與服務(wù)端對(duì)接的接口等會(huì)影響到下層用戶使用的功能整合為上層業(yè)務(wù)模塊，一般由管理員或開(kāi)發(fā)人員管理該模塊。地址模塊用于定義全局的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)地址，用于下層業(yè)務(wù)模塊的地址選擇；接口模塊用于開(kāi)發(fā)人員了解新增接口的樣式、相關(guān)細(xì)節(jié)，便于后續(xù)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)工作；用戶模塊用于管理對(duì)應(yīng)用戶的賬號(hào)權(quán)限，并能根據(jù)客戶需求改變菜單顯示優(yōu)先級(jí)，以保證最佳的用戶體驗(yàn)。(3)下層業(yè)務(wù)模塊。下層業(yè)務(wù)模塊包括水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的基本信息與詳細(xì)內(nèi)容、用戶用水配額的設(shè)置、用戶用水統(tǒng)計(jì)、所有業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表和水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的報(bào)警情況等功能，用于實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的直接管理，并且根據(jù)用戶的用水情況分配用水配額，將所有業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行總結(jié)顯示，方便使用者有效快速地管理業(yè)務(wù)。其中水資源報(bào)警能夠通過(guò)深度學(xué)習(xí)，通過(guò)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)數(shù)值自動(dòng)判斷該設(shè)備是否處于報(bào)警狀態(tài)，并將報(bào)警情況反映到可視化模塊中。(4)可視化模塊?？梢暬K通過(guò)柱狀圖、折線圖等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，直觀顯示數(shù)據(jù)的真實(shí)變化情況。系統(tǒng)獲得服務(wù)端的數(shù)據(jù)，調(diào)用圖像接口，顯示水資源的用水量和水資源設(shè)備的情況等數(shù)據(jù)，直觀反映數(shù)據(jù)變化?？衫肰ue與element-plus相結(jié)合，將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入element接口中，定義顯示DOM的weight與height，采用Echarts將數(shù)據(jù)以柱狀圖和折線圖等形式顯示到對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)模塊,可從區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、路段和年、月、星期、日及單位實(shí)體等多種不同維度對(duì)水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。用戶用水情況的部分圖例如圖4所示。(5)頁(yè)面模塊。系統(tǒng)需要有顯示全局功能和系統(tǒng)圖標(biāo)等的頂欄模塊，顯示用戶能夠操作模塊功能的菜單模塊，還需要有顯示功能頁(yè)面的內(nèi)容模塊。頂欄模塊借助全局模塊提供的功能，能夠選擇登入、登出和用戶信息修改等全局變量改變的功能；菜單模塊根據(jù)用戶具有的權(quán)限，顯示對(duì)應(yīng)的上層業(yè)務(wù)模塊(若為管理員)與下層業(yè)務(wù)模塊；內(nèi)容模塊則調(diào)用選擇的業(yè)務(wù)模塊頁(yè)面，將其按照給定的頁(yè)面比例進(jìn)行顯示。水資源數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)后端處理后，針對(duì)水資源管理系統(tǒng)五個(gè)模塊進(jìn)行水資源大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘，完成大數(shù)據(jù)的可視化。由于所開(kāi)發(fā)的水資源系統(tǒng)部署在云端，所有用戶都能基于互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)方便快捷地使用此系統(tǒng)，大幅提高了管理效率。

5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)前端部分采用Vite構(gòu)建工具搭建，配合Yarn對(duì)使用的軟件包進(jìn)行管理。后端部分采用Maven管理工具包，采用MVC結(jié)構(gòu)。其中，后端系統(tǒng)在每天晚上對(duì)各類水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，存入每日數(shù)據(jù)表；在每個(gè)月底再自動(dòng)更新一次月度用水統(tǒng)計(jì)情況，其自動(dòng)執(zhí)行部分代碼如下：

6結(jié)論

利用信息化、大數(shù)據(jù)的手段，對(duì)水資源進(jìn)行精細(xì)化管理是促進(jìn)我國(guó)水利事業(yè)發(fā)展的重要手段。本文針對(duì)當(dāng)前水資源管理中存在的問(wèn)題，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，充分整合各類信息資源，初步搭建了自動(dòng)、智能、綜合、高效的水資源大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)。系統(tǒng)以國(guó)家水資源智慧監(jiān)控的需求為牽引，開(kāi)發(fā)了基于水資源大數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用，能夠有效節(jié)約水資源，助力構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，具有較好的推廣價(jià)值和意義。

作者:彭浩宇 周軍海 張峻宇 張舜宇 徐靜茹 單位:湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院