楊建宏

(陜西省水資源管理辦公室，陜西 西安 710004)

水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊建宏

(陜西省水資源管理辦公室，陜西 西安 710004)

強化水資源配置系統(tǒng)的實用性，采用知識圖可視化表示水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，運用組件技術(shù)將配置模型方法組件化，通過知識圖、組件構(gòu)建水資源動態(tài)配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過知識圖、組件的靈活搭建，來適應(yīng)水資源系統(tǒng)的動態(tài)變化。實例運用表明，水資源動態(tài)配置系統(tǒng)將配置計算過程智能化，實現(xiàn)了配置時間尺度上的動態(tài)，減少了系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)。水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)因具有動態(tài)性，使得工作方式更為實用。

水資源;動態(tài)配置;組件;知識圖

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是一種基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源。然而，水多、水少、水臟、水渾等水問題制約著我國的社會經(jīng)濟發(fā)展，特別是隨著人口不斷增長、經(jīng)濟快速發(fā)展、城市化進程加快、人民生活水平逐步提高，以及極端天氣發(fā)生的頻率增加和強度增強，我國水問題更加突出和日趨復(fù)雜，因此，解決好水資源問題是關(guān)系中華民族生存和發(fā)展的長遠大計，只有對我國有限的水資源進行合理分配，提高水資源利用效率，才能為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會添磚加瓦。

目前，關(guān)于水資源合理配置問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已進行了大量研究。Jorge B和Rosa D［1］將灌溉和水電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益為配置目標(biāo)，考慮環(huán)境、機構(gòu)、法律的水權(quán)優(yōu)先性，研究了合作博弈模型和非合作博弈模型下的水資源配置方案。Bar等［2］建立基于農(nóng)戶之間協(xié)調(diào)分配的ABSS模型，考察了不同水資源分配原則的影響，如按比例分配、按照作物澆灌面積分配、基于充分信息的比例分配規(guī)則。賀北方等［3］采用了大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)，建立了水資源配置二級遞階優(yōu)化模型，該模型以社會、經(jīng)濟、環(huán)境綜合效益最大為配置目標(biāo)，通過兩次運用多目標(biāo)遺傳算法對模型進行了求解。張萬順等［4］建立了漢江中下游水量水質(zhì)耦合模型，定量地研究了水資源系統(tǒng)中水量和水質(zhì)的變化，擬定和優(yōu)化了水資源供給配置方案。王勁峰［5］提出了三維優(yōu)化分配理論模型，該模型針對跨區(qū)域調(diào)水問題，研究了水資源在時間、部門、空間上如何分配。馬軼［6］運用大系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃理論，建立了壩系聯(lián)合優(yōu)化配置模型，該模型綜合考慮了經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，提高了水資源的利用效率，為流域合理分配水資源提供了依據(jù)。

縱觀水資源配置的研究進程，水資源配置在理論、方法上都取得了一定的進展，成果諸多，但由于傳統(tǒng)水資源配置是一種靜態(tài)的配置模式，離實用還有一定差距，主要表現(xiàn)在:(1)配置結(jié)果往往是編制成一份紙質(zhì)報告，配置計算過程缺乏智能化，難以與前端的采集監(jiān)測系統(tǒng)對接。(2)配置時間尺度大，難以實用。傳統(tǒng)的水資源配置時間尺度為5年、10年，但是由于來水預(yù)測、需水預(yù)測受水文氣象條件影響較大，使得中長期規(guī)劃年配置難以實用。(3)系統(tǒng)功能固定、修改不易。傳統(tǒng)的水資源配置在配置時水源和用戶是確定的，當(dāng)水源、用戶發(fā)生增減時，配置模型難以運用，無法適應(yīng)水資源系統(tǒng)的變化，如若對其修改，將有大量的重復(fù)工作產(chǎn)生，配置工作缺乏效率。因此，本文針對以上問題，建立水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用知識圖技術(shù)可視化的概化、表示水資源系統(tǒng)，運用組件技術(shù)、SOA體系結(jié)構(gòu)、Web Service技術(shù)將配置計算方法封裝成計算組件，通過知識圖、組件的靈活搭建，來適應(yīng)配置條件的變化，充分利用前端的采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，增加配置系統(tǒng)的實用性。

1 水資源動態(tài)配置系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

系統(tǒng)功能需求分析是根據(jù)水資源動態(tài)配置系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)，對該系統(tǒng)實現(xiàn)的方向進行分析，是系統(tǒng)開發(fā)工作中最基礎(chǔ)和最重要的環(huán)節(jié)之一。本文主要從用戶在實際應(yīng)用中的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，考慮系統(tǒng)的實用性，最終確定該系統(tǒng)應(yīng)滿足以下3個方面的系統(tǒng)功能，分別是數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)計算、報表分析、圖形繪制。

1.1.1 數(shù)據(jù)管理

主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)類、關(guān)系數(shù)據(jù)類、水資源配置成果數(shù)據(jù)類4大類信息的管理(如表1所示)，應(yīng)具有信息的查詢、增加、刪除、編輯、導(dǎo)入、導(dǎo)出、打印等功能。

表1 水資源動態(tài)配置系統(tǒng)數(shù)據(jù)分類

1.1.2 業(yè)務(wù)計算

根據(jù)水資源配置的業(yè)務(wù)需求分析，該系統(tǒng)應(yīng)該具有以下3大業(yè)務(wù)計算模塊:

(1)需水量預(yù)測模塊:提供了農(nóng)村生活需水量、城鎮(zhèn)生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)林牧漁業(yè)需水量、生態(tài)需水量等用戶的需水量預(yù)測功能。

(2)可供水量預(yù)測模塊:提供了各類水源的可供水量預(yù)測功能，根據(jù)蓄水工程、引提水工程、地下水、雨水與中水、跨流域調(diào)水等各類水源工程的可供水量計算方法，進行可供水量計算，然后通過各個水源間的關(guān)系，水源與用戶關(guān)系進行可供水量匯總。

(3)供需平衡分析模塊:提供了不同時間尺度下的供需平衡分析，以及各用戶的供用耗排水量的計算功能。

1.1.3 報表分析、圖形繪制

主要包括各個業(yè)務(wù)計算模塊中的計算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，生成相應(yīng)的報表，自動繪制成相應(yīng)的柱狀圖，并能進行報表導(dǎo)出、打印等功能。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對水資源配置特點和需求，結(jié)合 C/S結(jié)構(gòu)和 B/S結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點，采用富客戶端模式構(gòu)建水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體架構(gòu)分為4層，分別是支撐層、資源層、信息綜合集成層、用戶層。

支撐層的主要支撐技術(shù)包括Gnutella網(wǎng)和P2P技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)，通過這些技術(shù)能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，知識圖的共享，從而很很方便的實現(xiàn)知識的傳遞、共享與創(chuàng)新。資源層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源、模型庫、專家?guī)?、知識庫等，可分為數(shù)據(jù)資源和成果資源兩大類，數(shù)據(jù)資源主要包括用于構(gòu)建各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)資源，如用水戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水資源分區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等;成果資源包括系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用過程中產(chǎn)生的各種成果資源，如各種模型求解算法產(chǎn)生的各種方案、繪制的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用知識圖等。信息綜合集成層主要是將個類知識信息變成組件、知識圖，搭建成業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)信息的綜合集成。用戶層主要通過系統(tǒng)提供人機交互接口，繪制業(yè)務(wù)應(yīng)用知識圖、組織關(guān)聯(lián)組件，實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理與決策會商。水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 知識圖技術(shù)

知識圖是將非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化信息的知識管理方法，通過節(jié)點、鏈接和相關(guān)文字標(biāo)注描述異構(gòu)信息源概念、聯(lián)系之間的層次邏輯關(guān)系，從而構(gòu)建的一種知識與知識之間的關(guān)系網(wǎng)［7］。將其運用于水資源配置中，可將水資源系統(tǒng)中各水源、用水戶、水利工程的相互關(guān)系和邏輯關(guān)系，以點、線、相關(guān)文字標(biāo)注的方式來可視化的表示水資源系統(tǒng)的供、用、耗、排關(guān)系，它是水資源配置系統(tǒng)的簡化和抽象。

2.2.1 概化圖元

將水資源系統(tǒng)中各知識要素進行分類概化，用相應(yīng)的圖元予以表示，這是將知識要素進行了可視化描述。具體操作方式是:分析水資源系統(tǒng)中各知識要素的屬性，以及知識間關(guān)系，確定知識的本體，并用相應(yīng)的圖元進行標(biāo)示，表2展示了部分主要圖元概化情況。

2.1.2 繪制知識圖

水資源配置的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖是將經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、水資源系統(tǒng)概化成相應(yīng)的節(jié)點、計算單元水傳輸系統(tǒng)、區(qū)域單元水傳輸系統(tǒng)三大類元素。在圖上，節(jié)點由點元素表示，計算單元水傳輸系統(tǒng)由線元素表示，通過將點元素和線元素根據(jù)水量平衡原理、各個元素的邏輯關(guān)系作為制圖依據(jù)，將點元素和線元素相互連接，組成面元素，即:流域單元水傳輸系統(tǒng)，由多個面元素共同構(gòu)成的網(wǎng)狀的水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

(1)節(jié)點。節(jié)點主要概化了水源節(jié)點、需(用)水節(jié)點、輸水節(jié)點三大類。概化的水源節(jié)點主要有:水庫、引水樞紐、污水處理節(jié)點等。需(用)水節(jié)點主要有:農(nóng)村生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生態(tài)、城鎮(zhèn)生態(tài)、湖泊、濕地等。輸水節(jié)點包括:河流、隧洞、行政區(qū)間斷面、水資源分區(qū)間斷面、水匯等。

(2)計算單元水傳輸系統(tǒng)。計算單元水傳輸系統(tǒng)主要由地表水供水系統(tǒng)、地下水供水系統(tǒng)、外調(diào)水供水系統(tǒng)、污水處理回用系統(tǒng)、提水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、河流系統(tǒng)組成。

(3)流域單元水傳輸系統(tǒng)。通過配置區(qū)域內(nèi)的一個或多個計算單元可以構(gòu)成一個流域單元。流域單元水傳輸系統(tǒng)主要反映了各個計算單元之間水量的出、入情況，蓄水變量變化等。

通過以上分析，將三大系統(tǒng)簡化和抽象為節(jié)點、計算單元水傳輸系統(tǒng)、流域單元水傳輸系統(tǒng)三類元素，遵循水量平衡原理，從流域上游到下游水傳輸系統(tǒng)不能間斷，終點為水匯，建立起反映三大系統(tǒng)間內(nèi)在的邏輯關(guān)系和水資源供、用、耗、排關(guān)系的水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

2.2 組件技術(shù)

組件技術(shù)因具有可重用度高、互操作性好、實現(xiàn)細節(jié)透明、接口可靠性高且穩(wěn)定性強、良好的可擴充性、即插即用的特點［8］，所以易于實現(xiàn)系統(tǒng)組件的替換與集成，提高了系統(tǒng)的可 維護性，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

表2 主要圖元概化表

2.2.1 組件劃分

組件劃分是根據(jù)水資源配置業(yè)務(wù)流程進行分割，劃分成一個個獨立的計算單元，把每一個計算單元編制成一個個獨立的計算組件。組件在編制時應(yīng)該將其標(biāo)準化，使每一個組件都只有一個輸入和一個輸出接口，各個組件通過數(shù)據(jù)流的形式進行連接，完成配置業(yè)務(wù)計算。

本文根據(jù)水資源配置業(yè)務(wù)計算流程，將水資源配置組件劃分為五大類，分別是時間、保證率選擇組件、需水預(yù)測組件、可供水量預(yù)測組件、平衡分析計算組件、制表、繪圖組件，組件計算流程如圖2所示。

圖2 組件計算流程

2.2.2 組件開發(fā)

組件的開發(fā)是根據(jù)組件的劃分結(jié)果，在Eclipse應(yīng)用軟件中通過Java語言編寫的。其中供水預(yù)測組件包括:地表水、地下水、區(qū)外引水、其他預(yù)測組件;需水預(yù)測組件包括:工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市生活、農(nóng)村生活、農(nóng)林牧漁、生態(tài)需水預(yù)測組件;平衡計算組件包括:節(jié)水計算、一次供需平衡、二次供需平衡、三次供需平衡組件等。組件的開發(fā)是在Eclipse中創(chuàng)建工程后，在“scr”編寫組件相關(guān)程序，具體操作步驟如下:

(1)編輯JELLY文件，該文件主要用于控制用戶定制組件時彈出的定制界面。

(2)在 JELLY中指定需要的 LOVEesponse，去實現(xiàn)getLOV()與 getLOVSchema()。

(3)在 ActionResponse中指定 ActionCode。

(4)將(1)中JELLY的內(nèi)容返回到 ActionResponse的 actionHelper()中。

(5)編寫 SCHEMA，在 ActionResponse的 actionInputSchema()中返回。

(6)用XML返回execute()中編寫的核心計算代碼。

(7)將計算的結(jié)果在用SCHEMA輸出。

(8)在 ActionResponse中的 actionName()編寫所開發(fā)組件的名字。

2.2.3 組件封裝、發(fā)布

組件劃分完成后，在eclipse環(huán)境中采用 java語言進行組件核心計算程序代碼及相關(guān)組件開發(fā)程序的編寫，運用E-clipse平臺下的Axis2 Service Archiver插件將代碼進行打包成后綴名為.aar的文件，即組件的封裝，封裝組件是將組件進行標(biāo)準化處理，遵循一個組件僅有兩個接口(數(shù)據(jù)輸入接口和結(jié)果輸出接口)的原則。將水資源動態(tài)配置各組件代碼封裝成組件后，在AXIS的管理頁面上傳打包好的服務(wù)文件，注冊到UDDI中心形成用于水資源動態(tài)配置的 Web服務(wù)，建立水資源動態(tài)配置組件庫。組件庫的主要任務(wù)是對外提供組件，需要什么組件用戶只要從組件庫“取”即可。

2.3 其他集成應(yīng)用技術(shù)

2.3.1 SOA 架構(gòu)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來［9］。采用 SOA將業(yè)務(wù)組件按相關(guān)規(guī)則進行軟件組件化，這使用戶避開繁瑣的代碼，僅需制定相關(guān)業(yè)務(wù)組件便可組織業(yè)務(wù)應(yīng)用，有效提高組件的重復(fù)利用率及靈活性。

2.3.2 Web Service技術(shù)

Web Service是一種組件技術(shù)，其采用 XML格式封裝數(shù)據(jù)，對自身功能進行描述時采用 WSDL，用 UDDI將各種服務(wù)進行注冊，通過SOAP協(xié)議進行組件之間的數(shù)據(jù)傳輸。Web Service具有與開發(fā)平臺、開發(fā)語言無關(guān)的特點，無論基于什么語言和平臺，只要制定其位置和接口，用戶就能在應(yīng)用端通過SOAP實現(xiàn)查找和定制相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件——軟件對話方式的相互調(diào)用，打破了軟件應(yīng)用、網(wǎng)站和各設(shè)備間格格不入的狀態(tài)，實現(xiàn)了基于Web無縫集成的目標(biāo)［10］。

3 水資源動態(tài)配置系統(tǒng)構(gòu)建

水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)搭建是運用知識圖技術(shù)、組件技術(shù)和一些集成應(yīng)用技術(shù)共同實現(xiàn)的。首先，根據(jù)水資源系統(tǒng)中各水源、用水戶、水利工程的相互邏輯關(guān)系，采用知識圖技術(shù)概化、繪制水資源配置網(wǎng)絡(luò)知識圖，根據(jù)知識圖，然后，采用組件技術(shù)開發(fā)相關(guān)計算組件，在知識圖相關(guān)圖元下鏈接相關(guān)計算組件，通過單向數(shù)據(jù)流的方式完成供水預(yù)測、需水量預(yù)測及供需平衡等分析計算，這樣便完成了水資源動態(tài)配置系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)集成應(yīng)用模式下水資源動態(tài)配置的可視化應(yīng)用，構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)搭建構(gòu)建

4 實例研究

以陜西省商洛市柞水縣為例，進行水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)應(yīng)用研究。柞水縣境內(nèi)山青水長，有溪流大小7 320條，水域面積占2.8萬畝，河流總長5 693.4 km。平水年計算，全縣地表水總流量6.54億 m3。人均占水量 4 100 m3，為全地區(qū)人均3.2倍，是陜西河網(wǎng)密度大，水資源豐沛縣之一。主要有乾佑河，金井河，金錢河，社川河，洛河，流域山高谷深，比降大。

圖4 柞水縣需水預(yù)測界面

圖4是柞水縣需水預(yù)測界面，可通過時間組件選擇預(yù)測時間進行需水預(yù)測，在該界面可進行不同時間尺度(年、季、月)下的各用戶的需水量預(yù)測和相應(yīng)的需水總量統(tǒng)計工作。該界面的主要功能是可計算得到各個用水戶的農(nóng)村生活需水量、城鎮(zhèn)生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)林牧漁業(yè)需水量、生態(tài)需水量，而且還能進行工業(yè)需水總量統(tǒng)計，農(nóng)村生活需水總量統(tǒng)計、城鎮(zhèn)生活需水總量統(tǒng)計、工業(yè)需水總量統(tǒng)計、農(nóng)林牧漁業(yè)需水總量統(tǒng)計、生態(tài)需水總量統(tǒng)計、柞水縣總需水量統(tǒng)計。

圖5是柞水縣可供水量預(yù)測界面，供水預(yù)測界面能夠通過計算得到各個供水水源的可供水量，預(yù)測結(jié)果通過表格等形式展現(xiàn)，便于決策者進行對比分析。該界面功能主要包括:水庫水源可供水量、水井水源可供水量、引水工程可供水量預(yù)測等，還可以統(tǒng)計得到地表水可供水量總量統(tǒng)計、地下水可供水總量統(tǒng)計、水庫水源可供水量總量統(tǒng)計、水井水源可供水量總量統(tǒng)計、引水工程可供水量總量統(tǒng)計、柞水縣可供水量總量統(tǒng)計。

圖5 柞水縣可供水量預(yù)測

如圖6所示，是柞水縣水資源供需平衡分析界面，該界面主要實現(xiàn)兩方面功能:平衡計算和供、用、耗、排量計算。在此界面下單擊供需平衡分析圖元，可以進行平衡分析計算，計算結(jié)果顯示在右側(cè)結(jié)果表中，當(dāng)然也能通過柱狀圖進行顯示。在此界面下單擊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的相關(guān)用戶節(jié)點，還能查看供需平衡分析后的各用戶的供、需、耗、排的具體信息，可由圖、表的形式展示。同時還可將用戶的用水總量控制紅線予以標(biāo)示，可以和以后的嚴格管理進行對接。圖6右下角便展示了商洛市柞水縣兩河鄉(xiāng)供、需、耗、排的情況。

圖6 柞水縣供需平衡分析界面

5 結(jié)語

本文著眼于水資源配置系統(tǒng)的實用性，采用知識圖可視化的表示水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，運用組件技術(shù)將配置模型方法組件化，通過知識圖、組件構(gòu)建水資源動態(tài)配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過知識圖、組件的靈活搭建，來適應(yīng)水資源系統(tǒng)的動態(tài)變化。實例運用表明，水資源動態(tài)配置系統(tǒng)將配置計算過程智能化，實現(xiàn)了配置時間尺度上的動態(tài)，減少了系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)。由此看出，水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)因具有動態(tài)性，使得工作方式更為實用。

由于水資源配置業(yè)務(wù)繁雜、龐大，本文雖然在系統(tǒng)構(gòu)建方式上進行了革新，但還不完善，后續(xù)還需進一步開展大量研究以完善水資源動態(tài)配置支持系統(tǒng)，使其更具靈活性和實用性。

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Study and Application of Water Resources Dynamic Allocation System

YANG Jian－h(huán)ong
(Shaanxi Water Resources Management Office，Xi’an，Shaanxi 710004，China)

To improve practical applicability of water resources allocation system，the paper puts forward a new method which not only visualizes network maps but also componentizes the configuration model with component technology to form a new water resources dynamic allocation system. Combining components and knowledge maps，the new system adapts to dynamic changes of water resources timely. Applications show that the system，which intelligentizes the calculation process，can reduce redevelopments and improve practical applicability significantly. Because of its dynamic nature，the new allocation of water resources system makes the work mor practical.

water resources;dynamic allocation;knowledge map;component

TV213

A

1004－1184(2013)04－0120－04

2013－04－10

陜西省水利科技計劃(2010－4);國家自然科學(xué)基金項目(51079120)

楊建宏(1978－)，男，陜西扶風(fēng)人，工程師，主要從事水資源管理方面的研究。