艾 萍 ，陳雅莉 ，程海云 ，史芳斌

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010；3.湖北省水利廳，湖北 武漢 430071）

0 引言

全球氣候變化和人類活動，導(dǎo)致水文傳統(tǒng)模擬分析途徑與生產(chǎn)應(yīng)用中“水文過程的環(huán)境背景條件是穩(wěn)定的和各種不確定性因素的干擾相對較小”2 項隱含的假設(shè)不再成立，水文分析、預(yù)報和設(shè)計等方面的不確定性大大增加，風(fēng)險隨之劇增。因此盡可能考慮多個途徑組合而成的水文循環(huán)過程及更多影響因素，以減少對其認(rèn)知的不確定性。另一方面，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求水文行業(yè)拓展服務(wù)領(lǐng)域的需求十分迫切。無論是水文學(xué)科的發(fā)展，還是拓展水文服務(wù)領(lǐng)域，都需要更加豐富的水文信息，更需要科學(xué)的水文信息組織。而對各類異構(gòu)、多源和不同時空尺度的水文信息進(jìn)行科學(xué)組織，必須依靠信息組織理論與系統(tǒng)的支撐。

為此，河海大學(xué)與長江委水文局等單位合作，以“水文信息資源統(tǒng)一組織平臺技術(shù)研究與應(yīng)用”為題，開展了多學(xué)科交叉的研究與實踐，并取得豐碩成果。所開發(fā)的水文信息資源統(tǒng)一組織平臺（以下簡稱平臺）軟件系統(tǒng)，已經(jīng)在多個部門得到應(yīng)用。僅在長江委水文局國家水文數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)重構(gòu)的定制性服務(wù)中，通過描述與規(guī)則的嚴(yán)格驗證，平臺系統(tǒng) 1 次就完成了 67 種源和 107 種目標(biāo)數(shù)據(jù)表、9 736 282 條數(shù)據(jù)記錄的抽取、按字段值的復(fù)雜轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，既保證了數(shù)據(jù)的一致性，又極大地提高了工作效率。

1 水文信息組織的需求

水文信息是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展中一切水事活動決策的依據(jù)，也是水文行業(yè)服務(wù)于社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)和國防等領(lǐng)域的主體信息產(chǎn)品。水文信息的數(shù)字形式主要是人工或自動設(shè)備觀測獲得的各類水文數(shù)據(jù)。隨著 3S 技術(shù)在水文信息采集中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化水文信息的種類不斷增加，時空尺度更加復(fù)雜，特別是遙感信息的加入，數(shù)據(jù)量成倍增加。

全球氣候變化、人類活動（如三峽工程、南水北調(diào)工程）等對水文循環(huán)的影響日益顯著。理論上，水文循環(huán)的物理和化學(xué)過程相當(dāng)簡單：水文循環(huán)的過程是水量、能量和動量平衡的過程，這是水文科學(xué)的關(guān)鍵核心理念。在這個過程中，水循環(huán)通過蒸散發(fā)與能量循環(huán)相聯(lián)系；水的運(yùn)動帶動物質(zhì)運(yùn)動，參與碳循環(huán)等等。但現(xiàn)實中的水文循環(huán)過程卻非常復(fù)雜。這是因為現(xiàn)實中的水循環(huán)都是由多個簡單路徑組合而成的復(fù)雜路徑，水文過程受到多種不同的地球物理因素的控制和影響，導(dǎo)致對水循環(huán)的認(rèn)知不確定性的累積與放大。此外，由于水文過程時空尺度跨越幅度相當(dāng)大，也使水文研究與應(yīng)用必須面對時空尺度不同導(dǎo)致的不確定性問題。故在學(xué)科研究方面，盡可能考慮多個途徑組合而成的水文循環(huán)過程及多因素的影響；在水文生產(chǎn)應(yīng)用方面，盡可能多地收集和處理相關(guān)信息以減少對水循環(huán)過程認(rèn)知的不確定性的影響，已經(jīng)成為水文學(xué)科發(fā)展和水文生產(chǎn)應(yīng)用的共識[1]。

不同水文數(shù)據(jù)的采集、處理與存貯和應(yīng)用的模式與技術(shù)條件存在較大差異，在水文行業(yè)和各級水文部門內(nèi)部，存在著數(shù)據(jù)分散，不易進(jìn)行統(tǒng)一的建庫、管理與維護(hù)，難以形成流域（區(qū)域）完整的水文信息資源等問題。不僅如此，為了滿足增加信息以減少水文不確定性的研究與生產(chǎn)應(yīng)用，還需要考慮共享非水文部門（如氣象、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通等）的相關(guān)信息的需求。面對多源、異構(gòu)和自治管理的數(shù)據(jù)源，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成方式，難以實現(xiàn)水文信息資源的集成與應(yīng)用。因此，必須引入新的理念與技術(shù)。

采用“虛擬化”技術(shù)，“組織”信息而不是“集成”信息，構(gòu)造水文信息資源組織模型，將水文信息組織成為虛擬化的水文信息資源，并據(jù)此開發(fā)計算機(jī)信息系統(tǒng)平臺，來支撐多源、異構(gòu)和自治管理的水文數(shù)據(jù)源的虛擬化組織與應(yīng)用，是解決問題的有效途徑[2]。

平臺系統(tǒng)就是支撐多源、異構(gòu)和自治管理的水文數(shù)據(jù)源的虛擬化組織與應(yīng)用的專業(yè)計算機(jī)信息系統(tǒng)，其主要需求可歸納為：

1）保持各數(shù)據(jù)來源的高度自治。由于考慮水文數(shù)據(jù)的采集、管理與維護(hù)等可能分屬于不同的行業(yè)與部門，因此，必須保持其原有數(shù)據(jù)源的獨(dú)立性。

2）支持動態(tài)配置機(jī)制。由于數(shù)據(jù)源具有高度的獨(dú)立性，因此，必須考慮其加入和退出服務(wù)的隨機(jī)性。

3）支持動態(tài)需求。由于統(tǒng)一的水文信息資源組織，主要面對主題化的決策支持需求，而決策支持具有“就一事論一事”的特點(diǎn)，具有明顯的不確定性。

4）簡單實用。不應(yīng)使用復(fù)雜的水文信息資源組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致處理的復(fù)雜化。

2 平臺主要功能及結(jié)構(gòu)

根據(jù)需求分析，水文信息資源統(tǒng)一組織平臺必須支持資源的動態(tài)配置，從而實現(xiàn)水文資源的虛擬化組織，并可支持個性化應(yīng)用需求。因此，平臺的結(jié)構(gòu)需要充分考慮實現(xiàn)基于反射機(jī)制的資源動態(tài)配置與演化需求。為了達(dá)到這個目的，根據(jù)自治多源異構(gòu)水文信息資源組織架構(gòu)[2]，將平臺的功能劃分為以下 4 個主要部分（結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示）：

圖1 水文信息資源統(tǒng)一組織平臺功能結(jié)構(gòu)示意圖

1）資源組織。完成資源（包括數(shù)據(jù)和軟件功能構(gòu)件）的注冊和撤消，支持建立數(shù)據(jù)源間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)資源的組織。

2）資源安全。實現(xiàn)通過“用戶→用戶組→角色→權(quán)限”的方式控制 1 個注冊用戶可以在系統(tǒng)中操作哪些功能；通過“用戶→用戶組→共享等級→權(quán)資源”的路線控制 1 個注冊用戶可以在系統(tǒng)中使用哪些資源，從而實現(xiàn)資源的安全管理。

3）資源應(yīng)用。提供組合資源（包括數(shù)據(jù)和處理）功能，用以支持用戶的應(yīng)用需求定制。

4）系統(tǒng)維護(hù)。配置管理支撐系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的全局參數(shù)，定義系統(tǒng)運(yùn)行時動態(tài)狀態(tài)，維護(hù)系統(tǒng)資源等。

平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，很好地體現(xiàn)了支持水文信息資源虛擬化組織與動態(tài)演化式應(yīng)用的特征：

1）通過資源的注冊與撤消機(jī)制，支持各類自治的異構(gòu)多源水文數(shù)據(jù)源的動態(tài)加入與退出；支持?jǐn)?shù)據(jù)處理功能構(gòu)件的動態(tài)加入與退出。

2）通過對注冊數(shù)據(jù)資源和處理功能的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源與處理的動態(tài)配置，形成統(tǒng)一的水文信息資源組織（虛擬化信息資源）與應(yīng)用體系。

3）支持解耦信息服務(wù)過程中數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、重構(gòu)、再生及展示等主要過程，用戶可以按自己的需要對這些關(guān)鍵過程進(jìn)行動態(tài)定義。

4）考慮到水文信息資源統(tǒng)一組織平臺系統(tǒng)的用戶屬同一專業(yè)領(lǐng)域，各類水文數(shù)據(jù)的語義比較明確。為了不使系統(tǒng)過于復(fù)雜，系統(tǒng)不重點(diǎn)考慮語義異構(gòu)問題，但預(yù)留支持本體處理的結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)上述功能，并達(dá)到支持水文信息資源虛擬化組織與動態(tài)演化式應(yīng)用的目標(biāo)，系統(tǒng)采用了如圖 2 所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

平臺從層次結(jié)構(gòu)上劃分為 3 個部分：Web 應(yīng)用支撐層、元數(shù)據(jù)管理層和資源層。其中，元數(shù)據(jù)管理層是平臺的核心，管理平臺中的各種資源描述及基于平臺服務(wù)的服務(wù)規(guī)則；Web 應(yīng)用支撐層是平臺的運(yùn)行支撐，通過元數(shù)據(jù)和服務(wù)規(guī)則對各種資源進(jìn)行動態(tài)調(diào)用和處理，即基于平臺的各種服務(wù)由 Web 應(yīng)用支撐層完成最終的運(yùn)行；資源層是平臺的基礎(chǔ)，存放平臺內(nèi)的各種資源。

根據(jù)平臺的需求，為了支持其數(shù)據(jù)、處理、服務(wù)的用戶自主定義與運(yùn)用，必須引入相應(yīng)的計算機(jī)軟件新技術(shù)，并進(jìn)行綜合性的集成創(chuàng)新。應(yīng)用的技術(shù)主要包括：動態(tài)演化[3]、專業(yè)業(yè)務(wù)構(gòu)件抽取[4-5]、輕量級框架及其運(yùn)行時體系結(jié)構(gòu)標(biāo)記語言和反射機(jī)制[6]等。

平臺的主要功能是組織各類水文信息資源，形成虛擬化的水文信息資源集合，并提供相應(yīng)的方法和手段，讓用戶根據(jù)需要組織數(shù)據(jù)并配置處理生成個性化的信息服務(wù)。

根據(jù)平臺的功能，在平臺上進(jìn)行信息組織與應(yīng)用的一般過程是：

登錄進(jìn)入系統(tǒng)，通過選擇系統(tǒng)功能，注冊數(shù)據(jù)資源和構(gòu)件（處理功能）資源，或選擇已經(jīng)注冊的資源，按處理需要，配置所需要的數(shù)據(jù)和處理規(guī)則，生成個性化的用戶服務(wù)。用戶服務(wù)保存后，可供授權(quán)用戶重復(fù)使用，直到服務(wù)被撤消。

平臺系統(tǒng)中預(yù)先定義了基本系統(tǒng)服務(wù)，也就是已經(jīng)在平臺中預(yù)先定義好的操作，支持用戶直接實現(xiàn)基本功能，并供用戶進(jìn)一步配置后形成個性化服務(wù)：數(shù)據(jù)源注冊/注銷；構(gòu)件（組件、處理功能模塊）注冊/注銷；映射方案（資源提取轉(zhuǎn)換規(guī)則）管理；資源安全管理；資源應(yīng)用支撐（資源配置及個性化應(yīng)用定制）；數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、重構(gòu)等等。

圖3是在平臺上定制的，不同數(shù)據(jù)源抽取重構(gòu)服務(wù)執(zhí)行結(jié)果的例子，這個例子充分展示了平臺的技術(shù)特色。實際上，在開放和可演化技術(shù)的支持下，平臺可以支持實現(xiàn)水文信息各個層次、不同類型的水文信息組織與應(yīng)用需求。

3 技術(shù)特點(diǎn)

平臺系統(tǒng)采用開放技術(shù)，以輕量級 J2EE 架構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用 MVC 設(shè)計模式及反射機(jī)制，以資源描述為核心，實現(xiàn)了水文信息資源集合的虛擬化統(tǒng)一管理和應(yīng)用。

圖3 多源數(shù)據(jù)抽取組織的結(jié)果

平臺系統(tǒng)，支持用戶自行按照主題構(gòu)造所需要的信息服務(wù)。平臺系統(tǒng)已構(gòu)造的基本水文數(shù)據(jù)的常規(guī)服務(wù)，特別是構(gòu)造的基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫從原非行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫向行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫的數(shù)據(jù)遷移服務(wù)的成功應(yīng)用，充分驗證了水文信息資源統(tǒng)一組織理論和采用的軟件系統(tǒng)平臺實現(xiàn)技術(shù)，能很好地滿足水文信息集成應(yīng)用的需求。

水文信息資源統(tǒng)一組織平臺系統(tǒng)與運(yùn)行平臺無關(guān)和具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)，并且充分考慮了減少對復(fù)雜水文循環(huán)的認(rèn)知不確定性，拓展水文服務(wù)領(lǐng)域，支持水文信息綜合開發(fā)與應(yīng)用的需要，支持用戶需求的動態(tài)定義，因此，具備了在全國水文系統(tǒng)、水文水資源研究機(jī)構(gòu)、防汛抗旱指揮、水資源管理等水利，能源，交通，環(huán)保行業(yè)推廣應(yīng)用的條件，也可向國內(nèi)國際水文水資源教學(xué)、管理及研究部門進(jìn)行技術(shù)推廣。特別是對于需要綜合和主題化水文信息服務(wù)的防汛及水資源等水事務(wù)高層決策，系統(tǒng)可為其提供更加有效的信息支撐。

4 結(jié)語

水文信息資源統(tǒng)一組織平臺系統(tǒng)以描述為核心，實現(xiàn)了對水文信息資源的虛擬化組織與應(yīng)用的支撐。系統(tǒng)不但理論依據(jù)充分，平臺無關(guān)，支持動態(tài)演化，技術(shù)先進(jìn)實用，運(yùn)行維護(hù)簡單，應(yīng)用方便，而且具有全部知識產(chǎn)權(quán)，便于推廣。

平臺的實現(xiàn)，涉及水文、水信息、計算機(jī)和管理等學(xué)科，是多學(xué)科融合的綜合性研究與開發(fā)，需要各方面專家密切配合進(jìn)行集成創(chuàng)新。平臺系統(tǒng)在生產(chǎn)實際中的成功應(yīng)用，表明了平臺系統(tǒng)為用水文信息科學(xué)組織來支撐開展復(fù)雜因素和多途徑組合水循環(huán)的研究及拓展水文服務(wù)領(lǐng)域，提供了確定和解決相應(yīng)問題的信息基礎(chǔ)架構(gòu)、設(shè)施與手段，在開拓水文學(xué)科研究思路、拓展水文服務(wù)領(lǐng)域等方面極具價值和應(yīng)用前景。

[1] Malcolm G Anderson and Jeffrey J McDonnell. Encyclopedia of Hydrological Sciences [M]. John Wiley & Sons Ltd, USA. 2005.

[2] 陳雅莉，馬勤，陳春華. 虛擬化自治多源異構(gòu)水文信息資源組織研究[J]. 水文，2010 (5): 12-15.

[3] 陳雅莉，艾萍，姚成霞. 動態(tài)配置機(jī)制及其在水利信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水利信息化，2010 (3): 13-27, 40.

[4] Ping Ai，Ya-Li Chen. Extracting software component from hydrological information service system[A], Hydroinformatics in Hydrology, Hydrogeology and Water Resources[C], 2009,IAHS Publication 331: 333-341.

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[6] Jian Yu, Ping Ai, WISE MVC++: A Web Application Framework for High-level Software Reuse[A], International Conference on Information Technology & Environmental Systems Sciences 2008, PROCEEDINGS[C]: 719-723.