陳 晨，劉思源，張欣瑩，左崗崗，紀傳通

（西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

?

面向水資源配置的主題及管理服務模式研究

陳 晨，劉思源，張欣瑩，左崗崗，紀傳通

（西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

摘 要：針對傳統(tǒng)水資源配置模式存在規(guī)范化、業(yè)務化程度不高，可操作性差，無法適應發(fā)展變化等問題，提出面向水資源配置的主題及管理服務新模式。該模式以綜合集成平臺為支撐，通過配置業(yè)務主題抽取，并進行業(yè)務化，將水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡圖和配置流程予以展示，基于云計算進行主題服務、組件管理，通過主題知識圖、組件可靈活快速地搭建水資源配置系統(tǒng)。在陜西省水資源配置中開展實例應用，構建水資源配置管理系統(tǒng)，按行政區(qū)域、流域及重點區(qū)域 3 種應用主題分別實現(xiàn)新模式的應用，使水資源配置工作智能化、可視化，將業(yè)務過程流程化、動態(tài)化，工作方式更為實用。研究結(jié)果表明：面向水資源配置的主題及管理服務模式具有可操作性、動態(tài)性，能適應水資源配置及管理的發(fā)展變化。

關鍵詞：水資源配置；知識圖；組件；水利業(yè)務化；主題服務

0 引言

21 世紀以來，洪水、干旱、水污染、水資源短缺等水問題日益突出，特別是近幾年我國極端水災害事件的頻繁發(fā)生，導致水資源的供需矛盾日益加劇。水資源配置是緩解這一矛盾的主要途徑和有效措施，是實現(xiàn)水資源在不同區(qū)域和用水戶之間的有效公平分配，從而達到水資源可持續(xù)利用的重要手段。

20 世紀 50 年代，我國學者開始了水資源配置及綜合管理研究，從單一的用水調(diào)配問題如水庫調(diào)度、灌區(qū)用水計劃等，不斷向綜合性區(qū)域（流域）及跨流域水資源調(diào)配[1]的復雜問題深入；從單一水源調(diào)配發(fā)展到地表水、地下水及非常規(guī)水源聯(lián)合調(diào)配[2]研究，以期實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等多維目標下的水資源合理配置[3]。研究方法也從常規(guī)規(guī)劃法發(fā)展到模擬[4]、優(yōu)化算法、二者相結(jié)合[5]等多元化方法。

近年來，水資源配置模式隨著研究的不斷深入取得一定成績，同時也暴露一些問題，主要包括以下幾點：

1）規(guī)范化、業(yè)務化程度不高。傳統(tǒng)的水資源配置管理模式下配置流程、業(yè)務化過程不明確，導致配置工作效率低，如需對成果進行修改，將有大量的重復工作產(chǎn)生。

2）無法適應發(fā)展變化。在傳統(tǒng)的水資源配置模式中，水資源配置供、需預測是根據(jù)現(xiàn)狀水平年水資源供需形勢對中長期規(guī)劃年進行預測的，時間跨度大，然而需水量和可供水量都是動態(tài)變化的。

3）可操作性差。傳統(tǒng)的水資源配置模式研究中往往只注重配置模型的開發(fā)，忽略了配置系統(tǒng)構建模式的思考，大多采用面向?qū)ο蠓椒?，在功能上缺乏擴展性，在業(yè)務上缺乏擴充性，系統(tǒng)一旦建成，新的模型或方法很難加入到系統(tǒng)中，難以滿足業(yè)務需要；操作上缺乏交互性，決策支持能力欠缺；靈活性差，低水平重復開發(fā)多。

4）方案建立過程缺乏業(yè)務與決策者的經(jīng)驗、思維過程的結(jié)合，沒有實現(xiàn)真正意義上的人機結(jié)合。

鑒于此，突破傳統(tǒng)機械、靜態(tài)的面對和解決問題的思維方式，提出面向水資源配置的主題及管理服務模式，該模式通過主題驅(qū)動的方式，進行配置業(yè)務抽取，即業(yè)務化，實現(xiàn)水資源配置流程管理；基于云計算進行主題、組件服務管理，可有效利用原有成果，實現(xiàn)有效的水資源配置；專家學者參與到配置系統(tǒng)的構建與配置方案的建立、修改的過程中，實現(xiàn)真正意義上的人機交互。

1 水資源配置主題業(yè)務化

水資源配置主題業(yè)務化是指以水資源配置業(yè)務流程為主線的管理服務模式，強調(diào)的管理對象是業(yè)務流程，強調(diào)以管理服務為目標，通過業(yè)務流程指導組織業(yè)務知識，構建水資源配置系統(tǒng)。通過流程

2）以水資源配置業(yè)務相關管理部門為主題的業(yè)務化。該業(yè)務化方式依據(jù)水資源配置業(yè)務相關管理部門的需求，以各個相關部門業(yè)務管理為主線，進行水資源配置相關業(yè)務組織。圖 2 是以年度水量分配方案管理為例進行業(yè)務化的管理流程圖。

3）水資源配置方法的業(yè)務化。以計算流程為主題進行業(yè)務應用組織，配置方法流程描述一般包括計算過程和邏輯描述 2 類，通過對配置方法過程和邏輯的描述可將水資源配置方法流程化、白箱化。圖 3 為陜西省西安市金盆水庫可供水量計算業(yè)務流程，通過該流程圖可清楚了解各個節(jié)點可供水量的計算結(jié)果。

2 水資源配置業(yè)務化處理模式

2.1 關鍵技術支撐

面向水資源配置的主題及管理服務模式的實現(xiàn)化反映業(yè)務化，業(yè)務化體現(xiàn)流程化。

水資源配置主題業(yè)務化主要方式如下：

1）水資源配置的業(yè)務層級劃分。將各類水資源配置業(yè)務逐級、分類劃分為不同配置業(yè)務主題，各個大主題由小主題構成，可對一級主題進一步劃分多個主題。業(yè)務劃分應有利于展示區(qū)域水資源要求在空間上的分布，有利于資料的收集、整理、統(tǒng)計、分析，有利于計算成果的校核、驗證等。本研究抽取了 3 類水資源配置主題，包括流域、行政區(qū)、重點區(qū)域水資源配置，各類主題下包括多個子主題，如圖 1 所示。基礎是應用支撐平臺，實現(xiàn)手段是知識圖、組件、云計算等技術。

圖 1 水資源配置業(yè)務主題圖

1）應用支撐平臺[6-7]。該平臺體系框架是基于面向服務的體系架構設計的，所有的水資源配置業(yè)務應用都以知識圖、組件的方式被實現(xiàn)，通過云架構下的 Web 服務的方式對外提供服務，運用服務組合的方式搭建具體的業(yè)務應用系統(tǒng)，這使得在水資源配置系統(tǒng)搭建上具有靈活性、適應性。

2）知識圖技術[8]。將知識圖技術運用于水資源配置中，可將水資源配置業(yè)務化成果清晰明了地予以展示，例如水資源系統(tǒng)中各水源、用水戶、水利工程之間的相互關系，供、用、耗、排水關系，水資源配置業(yè)務計算流程、邏輯等。

3）組件技術。組件技術具有可重用度高，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，可擴充性良好，即插即用的特點[9]，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。

4）云計算技術[10]。通過云計算技術，用戶只要按需購買存儲能力、計算能力、軟件功能、數(shù)據(jù)服務等各種服務，通過應用支撐平臺就可以實現(xiàn)對業(yè)務的加工、處理等多項操作。

圖 2 年度水量分配方案業(yè)務管理流程圖

圖 3 陜西省西安市金盆水庫可供水量計算業(yè)務流程圖

2.2 主題業(yè)務化

主題業(yè)務化是以主題驅(qū)動，以知識圖的形式實現(xiàn)的，因此，確定主題業(yè)務化處理模式主要包括主題提取和知識化 2 部分。

2.2.1 主題提取

提取主題時，應有利于展示區(qū)域水資源要求在空間上的分布，有利于資料的收集、整理、統(tǒng)計、分析，有利于計算成果的校核、驗證等。因此主題可提取為按行政區(qū)劃分區(qū)的水資源配置，此主題有利于資料的搜集和統(tǒng)計；按自然地理單元分區(qū)的水資源配置，如按流域、水系結(jié)構劃分，有利于算清水帳；按社會單元劃分的水資源配置，如按特定經(jīng)濟圈、開發(fā)區(qū)劃分等，有利于突出分析的重點。

隨著配置需求的不斷變化，配置工作的不斷開展，主題不斷更新和累積，形成主題全面、豐富的水資源配置主題庫，以適應配置需求的動態(tài)性，增加系統(tǒng)的實用性。

2.2.2 主題知識化

面向水資源配置的主題業(yè)務化是以知識圖的形式實現(xiàn)的。知識圖是對水資源系統(tǒng)及配置方法的概化反應，可以嵌套，運用柱狀結(jié)構體現(xiàn)各大小主題的層級關系，大主題知識圖套小主題知識圖；同時，知識圖還能有效地描述水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡圖及水資源配置方法。

根據(jù)水資源配置流程劃分，搭建知識圖總體框架。首先，繪制水資源配置總圖，以嵌套的方式在圖中各相應節(jié)點下添加各配置主題知識圖總圖，然后在主題總圖下添加區(qū)配置業(yè)務子知識圖，具體劃分、嵌套主結(jié)構如圖 4 所示。

圖 4 知識圖嵌套結(jié)構示意圖

知識圖能有效地描述水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡構架、概化的水量傳輸關系，明確各水源、用水戶和水利工程的相互關系，將水源、用水戶概化成節(jié)點，將供水、退水、排水系統(tǒng)和河流概化為線，通過點、線的鏈接繪制水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡圖，建立系統(tǒng)供、需、耗、排水關系。同時，通過知識圖描述水資源配置方法，可將計算過程以流程圖的形式體現(xiàn)。將一個個的配置計算方法按照計算步驟、邏輯繪制計算流程知識圖。

知識圖構建是一個動態(tài)的過程，不斷地用產(chǎn)生的新知識更新知識圖，這樣既可以清晰地描述實際水資源配置系統(tǒng)中供、需、耗、排水的關系，還可根據(jù)配置環(huán)境的變化適時地修改知識圖，以適應水資源配置環(huán)境的動態(tài)性，增加系統(tǒng)的實時性。

2.3 業(yè)務組件化

配置業(yè)務組件是配置主題功能的具體實現(xiàn)。通過組件劃分與開發(fā)，形成包括數(shù)據(jù)處理復雜的數(shù)學模型及算法配置方法的組件庫，以服務的形式供用戶使用。

2.3.1 組件的劃分

組件可大可小，一般可按計算過程和邏輯進行組件的劃分。本研究按水資源配置計算邏輯和過程，將水資源配置方法劃分為需水預測類組件，以及可供水量、平衡、優(yōu)化等計算類組件，劃分示意如圖 5 所示。

圖 5 組件的劃分示意圖

2.3.2 組件的開發(fā)

將劃分好的各水資源配置業(yè)務功能開發(fā)成規(guī)范化的數(shù)據(jù)加工處理組件，各類組件以服務的形式提供，具有特定的業(yè)務功能。每個組件都應符合 IPO模型，并采用 XML 標準描述；采用 Web Service 實現(xiàn)；按照業(yè)務特征，合理分類；業(yè)務組件訪問協(xié)議也應符合 Web Service 標準要求；以 XML及 XML Schema 文檔標準描述業(yè)務組件的輸入、輸出信息流；輸入、輸出信息流能被服務執(zhí)行功能解析；訪問描述提供符合 UDDI 訪問協(xié)議的訪問接口。

2.4 云服務建立

面向水資源配置的管理服務模式是通過云計算技術實現(xiàn)的，概念模型圖如圖 6 所示，初步表達了設備采集和人為加工的數(shù)據(jù)被傳送到數(shù)據(jù)中心，再由云計算中心對數(shù)據(jù)進行管理、處理、計算、發(fā)布等業(yè)務操作，同時進行主題、業(yè)務組件管理?？蛻粼偻ㄟ^應用支撐平臺以 Web Service 的方式，訪問各種數(shù)據(jù)、主題、組件等資源。用戶只需根據(jù)水資源配置業(yè)務需求，需要什么組件從“云端”獲取即可。

圖 6 面向水資源配置服務管理概念模型圖

3 基于云計算的配置管理服務實現(xiàn)

應用支持平臺以“一切皆服務”、“按需服務”的理念為用戶提供服務，通過主題、組件檢索定制，組織水資源配置業(yè)務，實現(xiàn)配置業(yè)務管理。

3.1 主題檢索

明確主題后，應充分利用云計算平臺已有的相關主題庫資料成果，以利于解決同類復雜決策問題時作為參考使用。用戶可在應用支撐平臺上知識空間中查找相關主題知識包，進行相關主題瀏覽、下載，并進行編輯修改，形成新的主題服務，并發(fā)布完善主題庫。主題管理界面如圖 7 所示。如若主題庫沒有相關資料，可創(chuàng)建新的主題。

圖 7 主題檢索界面

3.2 組件檢索

組件檢索是從已有組件庫中根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務知識圖的需求，選擇具有相應功能的組件，進行 Web服務組件定制，界面如圖 8 所示。組件檢索界面顯示發(fā)布的所有組件服務庫，決策者可以根據(jù)需要選擇進入相應的組件服務庫，定制相應的組件服務，可運用不同計算組件實現(xiàn)不同計算方法下的水資源配置。

3.3 配置業(yè)務組織流程

基于云計算的水資源配置業(yè)務組織是基于應用支撐平臺，確定水資源配置主題的。專家學者利用云計算平臺進行主題搜索，可充分利用原有主題或?qū)⑿轮黝}業(yè)務流程化，通過組件搜索與業(yè)務流程化后的知識圖關聯(lián)，將已有知識圖的概念節(jié)點同 Web服務關聯(lián)，搭建成為業(yè)務化應用，專家學者通過“溝通→反饋→協(xié)調(diào)”的循環(huán)校正研究水資源的合理配置。專家學者通過這種方式參與到水資源配置系統(tǒng)的搭建過程中來，通過業(yè)務化展示配置業(yè)務流程和概化后的水資源系統(tǒng)，選用不同計算組件實現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務功能，專家學者利用累積的業(yè)務經(jīng)驗完成方案比選，組件服務則成為鏈接數(shù)據(jù)、業(yè)務流程知識圖的橋梁。

圖 8 組件檢索界面

4 主題及管理服務模式特點

面向水資源配置的主題及管理模式與傳統(tǒng)的水資源配置模式相比，展現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）新模式能提高配置效率，實現(xiàn)按需服務。新模式下，用戶只需根據(jù)水資源配置需求，檢索相關主題服務，運用組件服務，進行適當修改即可配置，提高了水資源配置效率。

2）新模式能應對水資源系統(tǒng)的動態(tài)性。新模式下的配置系統(tǒng)采用主題知識圖為可視化工具，能適時地修改、搭建配置應用，例如：當水源、用戶等發(fā)生變化時，只需在知識圖增加和刪減相應的節(jié)點和組件，便可實現(xiàn)配置業(yè)務。因此，該系統(tǒng)能適應動態(tài)變化下的水資源系統(tǒng)，滿足水資源配置的業(yè)務需求。

3）新模式實現(xiàn)了人機互動。在新模式下的動態(tài)配置系統(tǒng)中，專家、決策者等人員能夠參與水資源配置的決策過程，在應用組織過程中體現(xiàn)了配置業(yè)務和人的經(jīng)驗與思維過程的耦合，實現(xiàn)真正意義上的人機互動。

5 主題及管理服務模式應用

目前已將水資源配置的主題及管理服務模式應用于陜西省水資源配置中，構建的陜西省水資源配置管理系統(tǒng)，按行政區(qū)域、流域及重點區(qū)域 3 種應用主題分別對陜西省進行新模式的應用。

圖 9 是綜合基礎平臺的知識圖繪制及應用構建界面，可進行知識圖的編輯、繪制，并在相應的節(jié)點上關聯(lián)相應的組件；圖 10 是業(yè)務應用界面，在此狀態(tài)下可實現(xiàn)配置計算及結(jié)果、信息數(shù)據(jù)的查看等相應水資源配置業(yè)務功能。

陜西省流域水資源配置管理系統(tǒng)界面如圖 11 所示；陜西省行政區(qū)水資源配置管理系統(tǒng)界面與圖 11中流域水資源配置管理界面相似，只是地圖為陜西省行政區(qū)各縣市地圖；圖 12 為西安市水資源配置管理界面，該界面為行政區(qū)水資源配置管理的下一級主題，以嵌套的方式添加在行政區(qū)界面中的西安市節(jié)點下，實現(xiàn)了“省-市-縣”三級嵌套模式下的水資源配置管理；圖 13 為重點用水戶水資源配置管理系統(tǒng)界面。

圖 9 知識圖繪制及應用構建界面

圖 10 應用狀態(tài)界面

在主題及管理服務模式下能夠?qū)崿F(xiàn)需水預測、可供水量計算、平衡分析及供需水量統(tǒng)計分析等功能。以西安市水資源配置管理系統(tǒng)截圖為例進行分析，界面如圖 14，15 所示。用戶可通過用戶、水源調(diào)整節(jié)點實現(xiàn)配置方案的可供水量和需水量調(diào)整。

在西安市水資源配置管理界面中，點擊黑河金盆水庫節(jié)點，在金盆水庫可供水量計算界面進行不同需水計算方法和灌溉制度下的可供水量計算。生態(tài)需水的計算方法（包括 Q90 法、多年平均的10%，以及近 10 年最小月法）及灌溉制度（包括節(jié)水及常規(guī)）組合選擇界面如圖 16 所示，通過選擇不同生態(tài)計算方法與灌溉制度可進行組合計算；金盆水庫的 3 種生態(tài)基流計算方法的結(jié)果及不同灌溉制度下的灌溉需水結(jié)果如圖 17 所示。

圖 11 流域水資源配置管理界面

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)水資源配置模式存在規(guī)范化、業(yè)務化程度不高，可操作性差，無法適應發(fā)展變化等問題，提出并實現(xiàn)面向水資源配置的主題及管理新模式。采用知識圖可視化描述水資源配置網(wǎng)絡及業(yè)務流程，通過組件技術及 Web Services 技術將水資源配置相關模型方法組件化，并封裝成輸入輸出標準的組件，基于云計算技術的應用支撐平臺，采用主題知識圖、組件快速搭建水資源配置系統(tǒng)，提高水資源配置的靈活性和可操作性；通過對知識圖、組件的靈活快速修改，從而提高水資源配置系統(tǒng)的適應性，使得系統(tǒng)具有較強的適應發(fā)展變化的能力，進而實現(xiàn)面向水資源配置的主題及管理。實例研究及應用結(jié)果表明，基于應用支撐平臺的面向水資源配置的主題及管理模式能夠很好地克服傳統(tǒng)水資源配置模式存在的問題；能實現(xiàn)多主題、模式下的水資源配置，更好地滿足配置需求的動態(tài)變化；能在可視化環(huán)境下通過人機交互對配置方案進行調(diào)整。

面向水資源配置的主題及管理模式需要綜合運用水資源配置及現(xiàn)代信息技術，是對傳統(tǒng)配置模式的革新，雖然已做了一些有益的探索和研究，但還不完善，后續(xù)還需進一步開展大量研究以完善面向水資源配置的主題及管理模式，使其更具靈活性和實用性。

圖 12 西安市水資源配置界面

圖 13 重點用水戶水資源配置管理界面

圖 14 西安市水資源配置管理需水預測界面

圖 15 西安市水資源配置管理供需平衡分析統(tǒng)計界面

圖 16 生態(tài)需水計算方法及灌溉制度組合界面

圖 17 陜西省西安市金盆水庫生態(tài)基與灌溉需水量計算結(jié)果

參考文獻：

[1] 劉健民，張世法，劉恒. 京津唐地區(qū)水資源大系統(tǒng)供水規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化的遞階模型[J]. 水科學進展，1993，4 (2): 98-105.

[2] 翁文斌，姚汝祥，廖松，等. 大石河流域地面和地下水聯(lián)合運用的模擬計算[J]. 水文，1984 (5): 19-27.

[3] 尹明萬，謝新民，王浩，等. 基于生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水的水資源配置模型[J]. 水科學進展，2003，24 (2): 5-8.

[4] 何力，劉丹，黃薇. 基于系統(tǒng)動力學的水資源供需系統(tǒng)模擬分析[J]. 人民長江，2010，41( 3): 38-41.

[5] 李維乾，解建倉，李建勛，等. 基于系統(tǒng)動力學的閉環(huán)反饋水資源優(yōu)化配置研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2013，41 (11): 209-216.

[6] 羅軍剛. 水利業(yè)務信息化及綜合集成應用模式研究[D].西安：西安理工大學，2009.

[7] 解建倉，羅軍剛. 水利信息化綜合集成服務平臺及應用模式[J]. 水利信息化，2010 (4): 18-22.

[8] 劉小冬，李學良，張蕾. 知識圖綜述[J]. 工程數(shù)學學報，2000，17（增刊 1）: 33-40.

[9] 邱巖. 組件技術及其分析比較[J]. 計算機工程與設計，2003，24 (7): 13-17.

[10] 張耀祥. 云計算和虛擬化技術[J]. 計算機安全，2011 (5): 80-82.

Study of Theme and Management Service Pattern of Water Resources Allocation

CHEN Chen, LIU Siyuan, ZHANG Xinying, ZUO Ganggang, JI Chuantong
(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

Abstract:In order to solve the problems such as the level of standard and business not high, poor operability and unable to adapt to the development and change in traditional water allocation model, this paper puts forward a new dynamic configuration model oriented water resources allocation. Based on the meta-synthesis platform, by configuring business subject extraction and operational application, this model shows the water resources system network diagram and allocation process, based on cloud computing to manage subject and component services. It can construct water resources allocation system flexibly and fast through subject knowledge map and components. Application in the water resources allocation of Shanxi province shows that the theme and management service of water resources allocation in telligentized and visualized water resources allocation business, process and dynamic the business procedure to make the management mode more practical. The theme and management service of water resources allocation, in view of its maneuverable and dynamic features, is able to adapt to dynamic development of water resources allocation and management.

Key words:water resources allocation; knowledge map; component; water resources operational; integrated service platform

中圖分類號：TV21

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9405(2016)02-0029-11

收稿日期：2015-11-15

基金項目：國家自然科學基金項目（51209170）；陜西省科技攻關項目（2012-16）

作者簡介：陳 晨（1988-），女，云南蒙自人，博士研究生，研究方向為水資源管理及水利信息化。