劉 梅，閆健卓，于涌川

（1.北京市水務(wù)信息管理中心，北京 100038 ；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

北京“智慧水務(wù)”框架下的數(shù)據(jù)資源體系研究

劉 梅1，閆健卓2，于涌川2

（1.北京市水務(wù)信息管理中心，北京 100038 ；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

分析北京市水務(wù)局“數(shù)字水務(wù)”的建設(shè)現(xiàn)狀和“智慧水務(wù)”的發(fā)展目標(biāo)，提出水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)方法，即在現(xiàn)有綜合數(shù)據(jù)庫和水務(wù)普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套整合、開放、高效的水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系。通過研究發(fā)現(xiàn)，在水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系的建設(shè)過程中，引入面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方法，將數(shù)據(jù)對象的屬性值與數(shù)據(jù)對象間關(guān)系統(tǒng)一于數(shù)據(jù)對象的抽象概念內(nèi)，可以使水務(wù)基礎(chǔ)、空間、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及各種數(shù)據(jù)間的多維度復(fù)雜關(guān)系整合為直觀有序的有機(jī)整體，以便于數(shù)據(jù)的管理、共享與業(yè)務(wù)支持。

智慧北京；智慧水務(wù)；框架；水務(wù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)資源；體系

0 引言

從“十五”到“十二五”，北京市水務(wù)信息化工作按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施；平臺公用、資源共享；應(yīng)用先導(dǎo)、務(wù)求實效”的原則，建設(shè)完成 1 個基礎(chǔ)設(shè)施平臺、1 個中心綜合數(shù)據(jù)庫、6 個業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、3 個保障環(huán)境，在“信息水務(wù)、數(shù)字水務(wù)和智慧水務(wù)”的 3 個階段發(fā)展規(guī)劃中，目前已經(jīng)基本完成“信息水務(wù)”階段的發(fā)展任務(wù)，形成了“數(shù)字水務(wù)”的基本成果，已經(jīng)初步具備向“智慧水務(wù)”發(fā)展的條件。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水務(wù)信息資源體系建設(shè)的逐步展開，北京水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)從最初的零散、獨立模式發(fā)展到現(xiàn)今標(biāo)準(zhǔn)化的集中與分散相結(jié)合的模式，發(fā)布了數(shù)據(jù)庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求，建設(shè)了中心綜合數(shù)據(jù)庫，水務(wù)數(shù)據(jù)資源管理得到有效推進(jìn)，為水務(wù)信息資源的開發(fā)利用奠定了良好基礎(chǔ)，支撐了北京水務(wù)的可持續(xù)發(fā)展，水務(wù)信息化建設(shè)進(jìn)入“整合共享、深化應(yīng)用”的發(fā)展階段。為此，有必要明確北京市水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)的關(guān)鍵點，選擇合適的技術(shù)方案，構(gòu)建整合、高效的水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系。

1 北京智慧水務(wù)對數(shù)據(jù)資源體系的需求

隨著水務(wù)改革發(fā)展的不斷深化，各項水務(wù)業(yè)務(wù)對信息化提出了新的需求，作為“智慧北京”建設(shè)的重要組成部分，北京市水務(wù)局提出了“智慧水務(wù)”的發(fā)展目標(biāo)：運用智慧方法，借助新一代信息技術(shù)，改進(jìn)水務(wù)部門與其它各級政府部門、企業(yè)和公眾交互的方式，提高服務(wù)的效率、靈活性和響應(yīng)速度，在電子政務(wù)、水務(wù)業(yè)務(wù)管理、信息監(jiān)測、水安全等各個領(lǐng)域提供智能化的服務(wù)與支撐。

對照北京智慧水務(wù)的發(fā)展目標(biāo)，北京水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)還存在以下一些迫切的問題需要解決：

1）需要進(jìn)一步統(tǒng)籌集約和充分利用現(xiàn)有資源?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)資源和基礎(chǔ)空間信息資源分別管理，集約化程度不高，相互之間關(guān)系不明晰，綜合利用效益不高，需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源的集成。

2）需要進(jìn)一步提升輔助決策和公共服務(wù)能力。在政務(wù)公開、水務(wù)便民服務(wù)、政民互動、科學(xué)用水指導(dǎo)、汛情發(fā)布、提高用水效益保障等各項業(yè)務(wù)中，需要數(shù)據(jù)資源的進(jìn)一步整合、共享，提升對領(lǐng)導(dǎo)決策的輔助支持能力，強(qiáng)化公共服務(wù)能力。

3）需要進(jìn)一步加強(qiáng)對業(yè)務(wù)協(xié)同和資源共享的支持能力。在防汛、水資源、水環(huán)境管理的工作中，更有效地支撐水務(wù)局與氣象、交通、市政、環(huán)保等部門的業(yè)務(wù)協(xié)同和資源共享。

2 北京水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系設(shè)計

針對北京智慧水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)的需求，北京市水務(wù)局在現(xiàn)有綜合數(shù)據(jù)庫和水務(wù)普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擬構(gòu)建一套整合、開放、高效的水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系。

2.1 水務(wù)數(shù)據(jù)資源的邏輯劃分

按數(shù)據(jù)類型劃分，水務(wù)數(shù)據(jù)資源可分為屬性和空間 2 種數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的不同，屬性數(shù)據(jù)又分為結(jié)構(gòu)和多媒體 2 類數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是整個智慧水務(wù)數(shù)據(jù)資源的主體，按照更新頻率的不同又可分為監(jiān)測、基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，具體如圖1 所示。

2.2 水務(wù)數(shù)據(jù)庫的總體框架

根據(jù)數(shù)據(jù)資源邏輯劃分成果，在保護(hù)現(xiàn)有建設(shè)成果（綜合庫）的基礎(chǔ)上，突出水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系業(yè)務(wù)支撐關(guān)系，構(gòu)建層次合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有效應(yīng)對上層需求變化的數(shù)據(jù)庫總體框架，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫框架如圖2 所示。

圖2 水務(wù)數(shù)據(jù)庫框架圖

在總體框架下，根據(jù)水務(wù)業(yè)務(wù)形成不同的主題數(shù)據(jù)庫，各主題數(shù)據(jù)庫必須建立互通互聯(lián)的邏輯關(guān)系，才能發(fā)揮支撐決策分析的功能，建立的主題數(shù)據(jù)組織圖如圖3 所示。

圖3 主題數(shù)據(jù)組織圖

新構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既要充分繼承和利用過去十余年水務(wù)信息化建設(shè)的已有成果，又要有機(jī)地集成水務(wù)普查產(chǎn)生的新成果，即能補充和完善信息資源，可擴(kuò)展和豐富共享服務(wù)，充分運用動態(tài)水務(wù)數(shù)據(jù)資源，向水務(wù)局局機(jī)關(guān)、局屬單位、區(qū)縣水務(wù)局及外部單位提供一套簡明，便捷，多樣的數(shù)據(jù)服務(wù)模式，以多種方式讓用戶獲得數(shù)據(jù)，形成水務(wù)數(shù)據(jù)資源的長效應(yīng)用服務(wù)。

2.3 水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系的構(gòu)建方法

設(shè)計科學(xué)的水務(wù)數(shù)據(jù)資源架構(gòu)，既保證數(shù)據(jù)管理的有序、安全，又保證資源利用過程的便捷、高效，將基礎(chǔ)信息、空間數(shù)據(jù)、實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效地整合，使水務(wù)數(shù)據(jù)與水務(wù)業(yè)務(wù)關(guān)系信息、水務(wù)數(shù)據(jù)與空間關(guān)系信息有機(jī)結(jié)合，成為體系建設(shè)過程中的關(guān)鍵。

面向?qū)ο蠓椒▽⒕唧w事物視為不同的客觀實體，將事物的屬性和對事物的處理方法統(tǒng)一研究，是人們認(rèn)識和表示客觀事物的習(xí)慣性的方法，符合人們實際進(jìn)行的認(rèn)識機(jī)理和實踐過程。采用此種方法，可以通過可構(gòu)造的手段將客觀對象分層次地表示出來，用有限的構(gòu)造手段與有限步驟建立起一個客觀模型[1]。

在水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系的建設(shè)過程中，引入面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方法，將數(shù)據(jù)對象的屬性值與數(shù)據(jù)對象間關(guān)系統(tǒng)一于數(shù)據(jù)對象的抽象概念內(nèi)，使水務(wù)基礎(chǔ)、空間、業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)及各種數(shù)據(jù)間的多維度復(fù)雜關(guān)系整合為直觀有序的有機(jī)整體，以便于數(shù)據(jù)的管理、共享與業(yè)務(wù)支持。

在面向?qū)ο蟮姆椒ㄖ校愂菍哂泄餐瑢傩院头椒ǖ膶ο蟮某橄蠛透爬ǖ拿枋瞿Ｐ?，類給出了屬于該類全部對象屬性與行為的抽象定義[1]，現(xiàn)實中的各種實體對象是類定義的一個實例。

基于“類”的定義，對象可以實現(xiàn)封裝性、隱蔽性和穩(wěn)定性，較好地滿足水務(wù)數(shù)據(jù)資源架構(gòu)所應(yīng)滿足的有序、安全、便捷、高效的需求。

2.4 水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系的建設(shè)方法

為了有序地組織多維度的、包含復(fù)雜業(yè)務(wù)和空間關(guān)系的水務(wù)數(shù)據(jù)，在建設(shè)水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系的過程中，基于面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行水務(wù)數(shù)據(jù)的組織管理，使系統(tǒng)可以更好地對各種復(fù)雜業(yè)務(wù)和空間關(guān)系的查詢、統(tǒng)計操作提供支持。水務(wù)資源架構(gòu)的基礎(chǔ)是對各種水務(wù)對象統(tǒng)計、分類、抽象后形成的水務(wù)對象類描述。對象類的組成包含對象的屬性、關(guān)系及處理對象的方法。由系統(tǒng)復(fù)雜度和工作量限制，在資源體系建設(shè)的第 1 階段，水務(wù)對象類的組成只包括對象的屬性及關(guān)系。由于面向?qū)ο蠓椒ǖ目蓸?gòu)造性，處理對象方法的集成工作可以在后續(xù)工作中分布實施。

對象的屬性類似關(guān)系型數(shù)據(jù)模型的表與字段，可以和現(xiàn)有成熟的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及信息化建設(shè)積累下來的海量歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)良好的兼容。在水務(wù)對象分類的基礎(chǔ)上，具體的水務(wù)數(shù)據(jù)以水務(wù)對象類的實例形式，采用數(shù)據(jù)表的形式在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲，對象類與對象之間，利用對象類映射表，實現(xiàn)面向?qū)ο蠓椒ǖ臄?shù)據(jù)管理與組織。

水務(wù)管理和各種應(yīng)用過程中涉及到的各種數(shù)據(jù)間存在著相關(guān)性，這種相關(guān)性產(chǎn)生的水務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系在數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)中尤為重要。傳統(tǒng)的基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，側(cè)重對象的具體屬性值的存儲管理，在關(guān)系處理上，簡單依賴于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的檢索功能，導(dǎo)致在各種管理、統(tǒng)計應(yīng)用中，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支持效率低下。為了加強(qiáng)對業(yè)務(wù)的支撐，提高復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)之間的組織，對不同對象類之間的關(guān)系進(jìn)行抽象，形成對象關(guān)系類，對象關(guān)系類以繼承的形式包含在不同的對象類中，可以理解為一種特殊的關(guān)系屬性數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程中，根據(jù)實際需要，應(yīng)將工作重點放在數(shù)據(jù)之間的業(yè)務(wù)和空間關(guān)系上。業(yè)務(wù)關(guān)系是指對象類之間在不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)生的各種關(guān)系，如管理、工程、取水、供水、流入、流出等；空間關(guān)系是指水務(wù)對象實體之間存在的一些具有空間特性的關(guān)系，包括距離、方向、拓?fù)涞汝P(guān)系，空間關(guān)系是空間數(shù)據(jù)組織查詢分析推理的基礎(chǔ)[2]。目前，空間關(guān)系的定義方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常采用的空間關(guān)系包括相交、相接、重疊、包含、穿越等，不同的系統(tǒng)常根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求自行設(shè)定。

2.4.1 水務(wù)對象分類

在數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程中，參照水利部信息中心標(biāo)準(zhǔn)，對水務(wù)管理對象進(jìn)行抽象、分類。具體按門類、大類、中類、小類 4 個級別，將水務(wù)對象分為 54 個具體對象類[3]，部分分類如表1所示。

表1 水務(wù)對象分類

2.4.2 數(shù)據(jù)之間的業(yè)務(wù)關(guān)系

在數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，根據(jù)具體的業(yè)務(wù)實際，歸納出具體的對象之間的關(guān)系類別，確定了37 種對象間關(guān)系，部分關(guān)系類別如圖4 所示。今后，還要根據(jù)業(yè)務(wù)需求不斷整理豐富。

對應(yīng)到具體的對象類，確定具體對象之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求不斷整理豐富，部分對象間的關(guān)系如表2 所示。

2.4.3 數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系

考慮到業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求、系統(tǒng)建模的復(fù)雜性等因素，首先將水務(wù)對象歸納為點、線、面 3 種空間要素類型，然后將不同類型的對象間關(guān)系區(qū)分為包含、銜接、跨越、壓蓋、不相交等 5 種關(guān)系。如流域與水文站、渠道與灌區(qū)間、大流域與子流域等，前者在空間屬性上包含后者，形成了包含關(guān)系；堤防工程在空間屬性上是線狀要素，這類水務(wù)對象的空間屬性是其表達(dá)的水務(wù)對象的一端與另一線類型對象的一端相互銜接，形成了銜接關(guān)系；河流與渠道、渠道與渠道之間發(fā)生的一個對象從另一個對象的上方或下方穿越，形成了穿越關(guān)系；空間屬性中點類型對象落在線對象上，點對象落在面對象的邊線上，線對象和面對象的邊線重合等情況，在水務(wù)對象中主要表現(xiàn)為水電站河湖取水口或排污口等落在水系岸線等情況，形成壓蓋關(guān)系；對象的空間屬性中相互之間沒有相交約束，如堤防工程與水系岸線間不存在相交約束，這類對象之間就形成不相交關(guān)系。

對應(yīng)到具體的對象類，部分對象空間關(guān)系如表3所示。

圖4 對象類別關(guān)系

表2 對象之間關(guān)系

表3 水務(wù)對象與空間對象關(guān)系

3 結(jié)語

針對北京市水務(wù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題，引入面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方法，使復(fù)雜的水務(wù)數(shù)據(jù)及其多維度關(guān)系整合為直觀、有序的有機(jī)整體。以一個水務(wù)對象為主體，從多維度對其進(jìn)行描述，形成多個相互關(guān)聯(lián)的信息。在數(shù)據(jù)使用時，每一個數(shù)據(jù)不再是獨立的個體，找到一個對象就可找出與其相關(guān)的全部要素；同樣找到一個要素，就可以找到其描述的對象及其他相關(guān)信息。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方法在水務(wù)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計、規(guī)劃、計算中，相對與傳統(tǒng)的基于關(guān)系的數(shù)據(jù)組織方法，更加全面、快速、有效，便于數(shù)據(jù)的管理、共享與業(yè)務(wù)支持。

這些工作已經(jīng)在北京市“智慧水務(wù)”數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)過程中進(jìn)行了實踐驗證。目前，水務(wù)數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)已完成了總體設(shè)計，并初步完成了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方法在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫環(huán)境的功能實現(xiàn)，證明了此方法的可行性與有效性，能夠有效支撐“智慧水務(wù)”的應(yīng)用體系建設(shè)。

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[3] 劉東旭.水文數(shù)據(jù)資源目錄體系建設(shè)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011 (11): 113-114.

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[5] 王茜，葛召華.山東省水利數(shù)據(jù)中心資源目錄體系建設(shè)[J].山東水利，2011 (9): 5-9.

Research on Data Resources System under Beijing "smart water" Framework

LIU Mei1, YAN Jianzhuo2, YU Yongchuan2

(1.Beijing Water Authority Information Center, Beijing 100038, China; 2.Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The article analyzes the current situation of "digital water" construction and the goal of "smart water" of Beijing water authority.A water data resources construction approach is proposed, namely, building an integrated, open and efficient water data resources system on the basis of the existing integrated water database and water census data.It is found that in the process of construction of water data resource system, with the aid of object-oriented data organization method, attribute values and relationships are united in the abstract concept of data objects.The method can make foundation water data, spatial data, professional water data and the complex relationships between multi dimensional data as an organic whole intuitively and orderly, and facilitate data management, data sharing and professional work support.

smart Beijing; smart water; framework; water data; data resources; system

TV213.4

A

1674-9405(2014)04-0005-06

2014-06-18

劉 梅（1963－），女，北京人，高級工程師，研究方向：水務(wù)信息化。