蔡 陽 ，汪 妮 ，張永進 ，李建勛

（1.水利部水利信息中心, 北京 100053；2.西安理工大學 水利水電學院, 陜西 西安 710048）

0 引言

洪水預報的現(xiàn)代化進展緊密伴隨著新技術，如信息、網(wǎng)絡、空間科學等技術；伴隨著新理論，如系統(tǒng)論、信息論、控制論等的應用，這些新技術、新理論的發(fā)展和應用已大大改變了水文情報預報的技術面貌；同時，信息、網(wǎng)絡、軟件等技術的不斷進步，也推動著洪水預報工作向自動化、智能化和集成化方向發(fā)展。由此，多學科交叉滲透所形成的現(xiàn)代化洪水預報技術是洪水預報發(fā)展的總趨勢，也是洪水預報系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著國內(nèi)外洪水預報模型和方法的研究，我國的洪水預報技術也取得了長足的發(fā)展。但是洪水預報在實際應用上仍然存在著許多問題，主要表現(xiàn)如下：常用的預報模型、方法及軟件標準不統(tǒng)一；系統(tǒng)低水平重復開發(fā)嚴重；制定預報方案過程復雜，沒有方便、強大、通用的模型率定系統(tǒng)，預報方法單一；預報系統(tǒng)的輸入、輸出不獨立，文件格式和標準不統(tǒng)一，圖形功能不強；預報模型應用程度不高，系統(tǒng)功能不全，系統(tǒng)開發(fā)因人而異，大量現(xiàn)有預報方案沒有計算作業(yè)等。因而導致全國各地不同程度地低水平重復開發(fā)、研制，新技術應用起點低，預報方案、系統(tǒng)功能不全，應用不便，擴充性不強[1]。造成目前這種狀況的主要原因是缺少統(tǒng)一規(guī)劃、集中開發(fā)、推廣應用的管理機制。因此，研究和探索洪水預報的綜合集成應用模式是解決上述問題的有效途徑。

1 洪水預報的集成應用模式

水文預報就是據(jù)已知的信息對未來一定時期內(nèi)的水文狀態(tài)做出定性或定量的預測[2]。隨著信息技術的發(fā)展，水文預報幾經(jīng)發(fā)展到基于洪水預報系統(tǒng)的階段。洪水預報系統(tǒng)是各項洪水預報技術的集成，是 1 項重要的防護減災的非工程措施[3]。雖然經(jīng)過多年的努力，洪水預報系統(tǒng)的設計、開發(fā)及應用水平在一定程度上有了進步和提高，但還存在許多問題。這些問題使得現(xiàn)有的預報方法、模型和軟件系統(tǒng)推廣使用難，相互交流難，預報成果對比分析難，正確評估難，進而阻礙了洪水預報的進一步發(fā)展與提高。

針對洪水預報中存在的問題，本文提出了面向服務，基于平臺、組件、主題、可視化的洪水預報集成應用模式，即平臺支持下的洪水預報：由組件、主題、知識圖快速組織應用，豐富的多元信息可視化表現(xiàn)直觀應用。洪水預報集成應用模式以事件為驅(qū)動，通過事件形成應用主題，在主題牽引下，通過組件實現(xiàn)預報模型，通過 Web 服務發(fā)布預報模型，通過知識圖和洪水預報模型組件組織應用，通過平臺搭建洪水預報系統(tǒng)。

洪水預報集成模式具有以下特點：1）面向服務，是指洪水預報平臺是基于面向服務的體系架構(gòu)（SOA），預報模型基于 Web 服務。2）基于主題，是指洪水預報集成應用采用主題驅(qū)動，圍繞主題來組織信息和資源，根據(jù)主題快速搭建預報應用。3）基于知識圖，是指洪水預報集成應用模式采用知識圖來組織應用，描述事件、主題、業(yè)務過程、應用流程、邏輯關系及相關知識。通過知識圖將洪水預報與相關的信息關聯(lián)起來，實現(xiàn)面向主題的洪水預報。通過知識圖組織洪水預報可實現(xiàn)洪水預報的應用集成。4）基于組件，是指洪水預報集成應用模式通過將洪水預報模型及參數(shù)估計方法組件化、標準化，形成洪水預報模型和參數(shù)估計方法標準組件，通過 Web 服務的方式對外發(fā)布這些組件，采用組件搭建的方式構(gòu)建洪水預報業(yè)務應用。通過組件可實現(xiàn)洪水預報模型標準化和應用集成。5）基于平臺，是指洪水預報集成應用模式采用知識圖、組件組織和搭建應用，基于平臺構(gòu)建洪水預報系統(tǒng)。

2 洪水預報綜合集成服務平臺框架

隨著水利信息化發(fā)展，水利正在從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代。信息資源的快速增加、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換、異構(gòu)庫的數(shù)據(jù)訪問、資源的高效利用、系統(tǒng)間的協(xié)同工作、軟件的復用等技術越來越受到水利界的關注。采用“物理分散，邏輯集中，按需獲取，分布處理，統(tǒng)一調(diào)度”的網(wǎng)格技術平臺方案，是解決水利業(yè)務應用的關鍵技術，它以 SOA 為基礎[4]，以服務能力描述、注冊與發(fā)現(xiàn)、動態(tài)綁定、組合功能實現(xiàn)機制為核心，以安全通信、單點登錄、多方協(xié)作的信任傳遞機制為保障，在虛擬的組織結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)信息共享資源、可配置的動態(tài)信息服務、協(xié)同分布式支撐應用、知識化的集成決策服務。

在水利信息化綜合服務體系指導下，采用中間件[5-6]、網(wǎng)格[7-9]、綜合集成研討廳[10]等技術構(gòu)建洪水預報綜合集成服務平臺，平臺的總體框架如圖 1 所示。

洪水預報綜合集成服務平臺具體組成如下：

1）采集傳輸層，負責各類水利數(shù)據(jù)的采集與傳輸，通過建立數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)可實現(xiàn)信息的高效采集和傳輸。

2）通信網(wǎng)絡層，包括各層級用戶所在地的局域網(wǎng)和將各層次局域網(wǎng)互連的廣域網(wǎng)。

3）數(shù)據(jù)資源層，是信息匯集的目的地，是數(shù)據(jù)存儲與管理的基礎，包括多個基礎、專用、主題、元信息庫等。

4）平臺層，包括面向資源整合的網(wǎng)格平臺、基于中間件的應用支撐平臺和洪水預報綜合集成服務平臺。這 3 個平臺共同構(gòu)成洪水預報應用支撐平臺，分別提供資源整合、應用支撐和集成服務功能。面向資源整合的網(wǎng)格平臺主要通過數(shù)據(jù)、信息及計算等網(wǎng)格實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源整合，同時，提供數(shù)據(jù)、信息和計算服務。基于中間件的應用支撐平臺可有效隔離下層數(shù)據(jù)與上層應用之間的直接聯(lián)系，方便系統(tǒng)靈活擴展、建立與業(yè)務系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享通道和業(yè)務協(xié)同關系。洪水預報綜合集成服務平臺的主要功能是通過應用知識圖庫、預報模型及參數(shù)估計組件庫和主題服務標準庫，快速搭建洪水預報系統(tǒng)。

從圖 1 可以看出，洪水預報綜合集成服務平臺框架與傳統(tǒng)的平臺框架有很大不同，傳統(tǒng)的平臺框架一般還包含業(yè)務應用層。洪水預報綜合集成服務平臺是基于面向服務的體系架構(gòu)，所有的業(yè)務應用都是以組件的方式被實現(xiàn)，通過 Web 服務的方式對外提供服務，并且可通過服務組合的方式搭建具體的業(yè)務應用系統(tǒng)，所以，洪水預報綜合集成服務平臺框架下就不再有業(yè)務應用層了。也就是說，在支持服務的洪水預報綜合集成服務平臺體系下，已經(jīng)不用再去設計和開發(fā)具體的洪水預報系統(tǒng)，而是在綜合集成服務平臺上，通過搭建的方式快捷構(gòu)建洪水系統(tǒng)。

3 綜合集成應用模式實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 洪水預報模型組件化

3.1.1 模型組件化

圖1 洪水預報綜合集成服務平臺總體框架

洪水預報模型之間有很多共同之處，為了提高模型的利用效率，利用組件技術把這些洪水預報模型拆分成各個獨立的組件，實現(xiàn)更小粒度的軟件重用。例如，三水源新安江模型主要由三層蒸發(fā)、蓄滿產(chǎn)流、三水源劃分、流域匯流 4 個計算過程組成，具體劃分如圖 2 所示。因此可以將 4 個計算過程開發(fā)成具有固定訪問接口的獨立組件，由這 4 個組件可以構(gòu)建出三水源新安江模型的主要計算過程?；?Web Service 技術將模型組件發(fā)布成服務，形成洪水預報模型庫。通過不斷積累和完善，最終可形成 1 個通用的洪水預報模型庫，通過服務的方式調(diào)用模型庫中的模型來構(gòu)建洪水預報系統(tǒng)，避免重復開發(fā)。

3.1.2 參數(shù)率定方法組件化

模型參數(shù)率定是洪水預報中的 1 項重要內(nèi)容。參數(shù)的好壞直接決定著洪水預報的精度，因此，關于洪水預報模型參數(shù)率定問題一直是洪水預報研究的 1 個重點和熱點。參數(shù)率定方法大體上可分為人工試錯法和自動優(yōu)選法 2 種。人工試錯法是根據(jù)人的分析和判斷使目標函數(shù)達到最??；自動優(yōu)選法是借助一定的數(shù)學方法實現(xiàn)模型參數(shù)的自動優(yōu)選，如最小二乘法、單純形法，以及近年來出現(xiàn)的遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等?；赪eb Service 技術將各種參數(shù)估計方法組件化，形成模型參數(shù)估計方法庫，實際應用中可根據(jù)需要選用 1 種或多種率定方法進行模型參數(shù)的估計。

3.2 洪水預報服務中心

為了讓更多的組件使用者及開發(fā)者有機會發(fā)現(xiàn)并使用組件庫中的組件服務，需要使用 UDDI 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成技術將每個 Web 服務注冊到 UDDI 中心，供用戶使用。洪水預報模型組件庫的建設目標是建立 1 個基于 Web 服務的組件庫系統(tǒng)。洪水預報模型組件庫是面向洪水的專用組件庫，組件庫中存放的是提供洪水預報服務的組件，與在 UDDI 中注冊的 Web 服務不同，洪水預報模型組件庫中的 Web 服務是受控組件，其注冊、使用都是在有限的范圍內(nèi)使用。因此，需要構(gòu)建 1 個面向洪水預報的專用 Web 服務注冊中心。

圖2 新安江模型組件劃分

基于 JUDDI 的洪水預報 Web 服務專業(yè)注冊中心可面向整個水利行業(yè)，提供各種洪水預報 Web 服務的注冊和發(fā)布功能。不同地域、部門可通過該中心注冊和發(fā)布自己的洪水預報服務。對于不同地域、部門的洪水預報服務，洪水預報服務注冊中心可通過創(chuàng)建不同節(jié)點的方式，實現(xiàn)對分布的 Web 服務的注冊和管理。

洪水預報 Web 服務注冊中心有以下 2 種部署方式：1）部署在水利部門內(nèi)部，面向部門內(nèi)部提供Web 服務的注冊和發(fā)布功能。例如，可將洪水預報服務注冊中心部署在各省、流域的水利信息中心，為各省、流域水利部門及其下屬各部門提供洪水預報服務的注冊與發(fā)布服務。2）部署在水利部水利信息中心，面向全國所有水利單位提供洪水預報服務的注冊與發(fā)布服務。通過水利電子政務專網(wǎng)，全國各水利部門都可以通過洪水預報服務注冊中心實現(xiàn)洪水預報服務的注冊與發(fā)布。

3.3 洪水預報模型搭建

3.3.1 基于知識圖的知識可視化

知識圖是一種以圖表方式表達的知識管理方法。知識圖有不同種類，大抵包括概念圖、腦圖 2 種，也有稱為語義圖、組織圖，此外，專門針對推理的知識圖稱為推理圖。知識圖是描述洪水預報事件、主題、業(yè)務過程、應用流程、邏輯關系及相關知識的工具。通過知識圖將洪水預報與相關的信息關聯(lián)起來，可實現(xiàn)面向主題的預報應用；通過知識圖組織洪水預報模型，可實現(xiàn)多模型多方案的綜合集成預報。

3.3.2 洪水預報模型可視化搭建

基于知識圖和洪水預報模型組件可以快速搭建洪水預報模型和應用，單模型搭建按模型的工作流程，將洪水預報模型的各個子組件通過知識圖組織和描述。同時，也可以通過知識圖組織多模型組合或集成的洪水預報應用。單模型洪水預報模型搭建及應用組織如圖 3 所示。

3.4 洪水預報的綜合集成服務平臺

基于 SOA 和 J2EE 平臺技術架構(gòu)，采用中間件、網(wǎng)格、Web Service、綜合集成研討廳等技術構(gòu)建洪水預報綜合集成服務平臺。按照主題提供信息服務，按照需要提供計算服務，按照個性化組織應用提供決策服務。通過平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識、模型、方法的綜合集成；采用知識圖來關聯(lián)信息，組織應用過程中的信息，描述事件和應用主題，并開展工作流程管理和服務組合；通過知識圖和洪水預報組件實現(xiàn)多模型集成預報；由豐富的多元信息可視化方式直觀表現(xiàn)應用；通過平臺的綜合集成，構(gòu)建洪水預報應用系統(tǒng)，實現(xiàn)水文預報的集成應用。

圖3 新安江模型組件搭建實例

4 洪水預報集成應用實例

流域斷面單模型預報有很大弊端，首先不能確定預報結(jié)果的可靠性，其次只有單預報單方案，沒有可選性，使領導很難做決策，不理性。應采用多個模型同時進行洪水預報，將各個模型預報的結(jié)果進行對比分析來確定預報方案。例如對陜西安康水庫可以同時采用新安江、陜北、薩克拉門托、水箱、多輸入單輸出等模型進行水庫水文預報，通過這 5 個預報模型，產(chǎn)生 5 種預報方案。

多模型洪水預報的實現(xiàn)實例如圖 4 所示。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)水文預報中存在的問題，在以往研究成果的基礎上，結(jié)合當前先進的信息、軟件開發(fā)技術，依據(jù)綜合集成思想，采用組件、Web Service 等技術將洪水預報模型和參數(shù)率定方法劃分為功能相互獨立的組件并發(fā)布為服務，形成通用的預報模型組件庫和參數(shù)率定方法庫。通過知識圖、業(yè)務組件組織應用，采用可視化技術、GIS 等多元信息展示模式表現(xiàn)應用?；?SOA 和 J2EE 平臺技術架構(gòu)，構(gòu)建面向服務洪水預報綜合集成服務平臺，在平臺下實現(xiàn)洪水預報的集成應用。在該集成應用模式下，根據(jù)業(yè)務的需求，可迅速搭建出洪水預報系統(tǒng)。這種面向服務的、可增長的，由平臺、組件、知識圖、可視化工具組成的新的洪水預報系統(tǒng)建設和多模型集成應用模式將具有很好的推廣價值和應用前景。

圖4 多模型洪水預報集成應用實例

[1]張海亮. 洪水智能預報方法與系統(tǒng)研究[D]. 陜西：西北農(nóng)林科技大學，2006: 12-15.

[2]包為民. 水文預報[M]. 北京：水利水電出版社，2009: 23-30.

[3]章四龍. 洪水預報系統(tǒng)關鍵技術研究與實踐[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006: 5-17.

[4]毛新生. SOAP 原理·方法·實踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007: 115-123.

[5]汪妮，解建倉，雷社平. 基于中間件技術的防汛指揮系統(tǒng)設計[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報，2004, 32(3): 92-96.

[6]蔡陽，汪妮，張永進，解建倉. 中間件技術在多模型洪水預報 WEB 中的應用[J]. 水利學報，2005, 36 (3): 350-354.

[7]朱建勇，樊孝忠. 基于網(wǎng)格技術的電子政務平臺研究與設計[J]. 計算機科學，2006, 33 (l): 127-136.

[8]童梅，吳志周，楊曉光. 基于網(wǎng)格技術的交通信息服務平臺的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與應用，2007, 43 (25): 188-191.

[9]龔小勇，朱慶生. 基于網(wǎng)格技術的企業(yè)應用集成框架的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用研究，2006 (12): 239-242.

[10]李耀東，崔霞，戴汝為. 綜合集成研討廳的理論框架、設計與實現(xiàn)[J]. 復雜系統(tǒng)與復雜性科學，2004, 1 (1): 27-32.