水资源动态配置支持系统研究与应用

杨建宏

(陕西省水资源管理办公室，陕西 西安 710004)

水资源动态配置支持系统研究与应用

杨建宏

(陕西省水资源管理办公室，陕西 西安 710004)

强化水资源配置系统的实用性，采用知识图可视化表示水资源配置系统网络图，运用组件技术将配置模型方法组件化，通过知识图、组件构建水资源动态配置系统。该系统通过知识图、组件的灵活搭建，来适应水资源系统的动态变化。实例运用表明，水资源动态配置系统将配置计算过程智能化，实现了配置时间尺度上的动态，减少了系统的重复开发。水资源动态配置支持系统因具有动态性，使得工作方式更为实用。

水资源;动态配置;组件;知识图

水是生命之源、生产之要、生态之基，是一种基础性的自然资源和战略性的经济资源。然而，水多、水少、水脏、水浑等水问题制约着我国的社会经济发展，特别是随着人口不断增长、经济快速发展、城市化进程加快、人民生活水平逐步提高，以及极端天气发生的频率增加和强度增强，我国水问题更加突出和日趋复杂，因此，解决好水资源问题是关系中华民族生存和发展的长远大计，只有对我国有限的水资源进行合理分配，提高水资源利用效率，才能为我国经济社会可持续发展和全面建设小康社会添砖加瓦。

目前，关于水资源合理配置问题，国内外相关学者已进行了大量研究。Jorge B和Rosa D［1］将灌溉和水电系统的经济效益为配置目标，考虑环境、机构、法律的水权优先性，研究了合作博弈模型和非合作博弈模型下的水资源配置方案。Bar等［2］建立基于农户之间协调分配的ABSS模型，考察了不同水资源分配原则的影响，如按比例分配、按照作物浇灌面积分配、基于充分信息的比例分配规则。贺北方等［3］采用了大系统分解协调技术，建立了水资源配置二级递阶优化模型，该模型以社会、经济、环境综合效益最大为配置目标，通过两次运用多目标遗传算法对模型进行了求解。张万顺等［4］建立了汉江中下游水量水质耦合模型，定量地研究了水资源系统中水量和水质的变化，拟定和优化了水资源供给配置方案。王劲峰［5］提出了三维优化分配理论模型，该模型针对跨区域调水问题，研究了水资源在时间、部门、空间上如何分配。马轶［6］运用大系统多目标规划理论，建立了坝系联合优化配置模型，该模型综合考虑了经济、生态和社会效益，提高了水资源的利用效率，为流域合理分配水资源提供了依据。

纵观水资源配置的研究进程，水资源配置在理论、方法上都取得了一定的进展，成果诸多，但由于传统水资源配置是一种静态的配置模式，离实用还有一定差距，主要表现在:(1)配置结果往往是编制成一份纸质报告，配置计算过程缺乏智能化，难以与前端的采集监测系统对接。(2)配置时间尺度大，难以实用。传统的水资源配置时间尺度为5年、10年，但是由于来水预测、需水预测受水文气象条件影响较大，使得中长期规划年配置难以实用。(3)系统功能固定、修改不易。传统的水资源配置在配置时水源和用户是确定的，当水源、用户发生增减时，配置模型难以运用，无法适应水资源系统的变化，如若对其修改，将有大量的重复工作产生，配置工作缺乏效率。因此，本文针对以上问题，建立水资源动态配置支持系统，该系统采用知识图技术可视化的概化、表示水资源系统，运用组件技术、SOA体系结构、Web Service技术将配置计算方法封装成计算组件，通过知识图、组件的灵活搭建，来适应配置条件的变化，充分利用前端的采集监测数据，增加配置系统的实用性。

1 水资源动态配置系统设计

1.1 系统功能需求分析

系统功能需求分析是根据水资源动态配置系统要实现的目标，对该系统实现的方向进行分析，是系统开发工作中最基础和最重要的环节之一。本文主要从用户在实际应用中的业务需求出发，考虑系统的实用性，最终确定该系统应满足以下3个方面的系统功能，分别是数据管理、业务计算、报表分析、图形绘制。

1.1.1 数据管理

主要包括基础数据类、实时监测数据类、关系数据类、水资源配置成果数据类4大类信息的管理(如表1所示)，应具有信息的查询、增加、删除、编辑、导入、导出、打印等功能。

表1 水资源动态配置系统数据分类

1.1.2 业务计算

根据水资源配置的业务需求分析，该系统应该具有以下3大业务计算模块:

(1)需水量预测模块:提供了农村生活需水量、城镇生活需水量、工业需水量、农林牧渔业需水量、生态需水量等用户的需水量预测功能。

(2)可供水量预测模块:提供了各类水源的可供水量预测功能，根据蓄水工程、引提水工程、地下水、雨水与中水、跨流域调水等各类水源工程的可供水量计算方法，进行可供水量计算，然后通过各个水源间的关系，水源与用户关系进行可供水量汇总。

(3)供需平衡分析模块:提供了不同时间尺度下的供需平衡分析，以及各用户的供用耗排水量的计算功能。

1.1.3 报表分析、图形绘制

主要包括各个业务计算模块中的计算结果的数据分析，生成相应的报表，自动绘制成相应的柱状图，并能进行报表导出、打印等功能。

1.2 系统总体设计

针对水资源配置特点和需求，结合 C/S结构和 B/S结构各自的优点，采用富客户端模式构建水资源动态配置支持系统。该系统总体架构分为4层，分别是支撑层、资源层、信息综合集成层、用户层。

支撑层的主要支撑技术包括Gnutella网和P2P技术和信息网络，通过这些技术能实现网络资源共享，知识图的共享，从而很很方便的实现知识的传递、共享与创新。资源层主要为系统提供数据资源、模型库、专家库、知识库等，可分为数据资源和成果资源两大类，数据资源主要包括用于构建各类业务应用系统的各种数据资源，如用水户基础数据、水源基础数据、水资源分区基础数据等;成果资源包括系统的构建及应用过程中产生的各种成果资源，如各种模型求解算法产生的各种方案、绘制的各种业务应用知识图等。信息综合集成层主要是将个类知识信息变成组件、知识图，搭建成业务应用，实现信息的综合集成。用户层主要通过系统提供人机交互接口，绘制业务应用知识图、组织关联组件，实现业务管理与决策会商。水资源动态配置支持系统总体架构设计图如图1所示。

图1 水资源动态配置支持系统总体架构设计图

2 系统开发关键技术

2.1 知识图技术

知识图是将非结构化和半结构化信息转化为结构化信息的知识管理方法，通过节点、链接和相关文字标注描述异构信息源概念、联系之间的层次逻辑关系，从而构建的一种知识与知识之间的关系网［7］。将其运用于水资源配置中，可将水资源系统中各水源、用水户、水利工程的相互关系和逻辑关系，以点、线、相关文字标注的方式来可视化的表示水资源系统的供、用、耗、排关系，它是水资源配置系统的简化和抽象。

2.2.1 概化图元

将水资源系统中各知识要素进行分类概化，用相应的图元予以表示，这是将知识要素进行了可视化描述。具体操作方式是:分析水资源系统中各知识要素的属性，以及知识间关系，确定知识的本体，并用相应的图元进行标示，表2展示了部分主要图元概化情况。

2.1.2 绘制知识图

水资源配置的系统网络图是将经济、生态环境、水资源系统概化成相应的节点、计算单元水传输系统、区域单元水传输系统三大类元素。在图上，节点由点元素表示，计算单元水传输系统由线元素表示，通过将点元素和线元素根据水量平衡原理、各个元素的逻辑关系作为制图依据，将点元素和线元素相互连接，组成面元素，即:流域单元水传输系统，由多个面元素共同构成的网状的水资源系统网络图。

(1)节点。节点主要概化了水源节点、需(用)水节点、输水节点三大类。概化的水源节点主要有:水库、引水枢纽、污水处理节点等。需(用)水节点主要有:农村生活、工业、城镇生活、农业、农村生态、城镇生态、湖泊、湿地等。输水节点包括:河流、隧洞、行政区间断面、水资源分区间断面、水汇等。

(2)计算单元水传输系统。计算单元水传输系统主要由地表水供水系统、地下水供水系统、外调水供水系统、污水处理回用系统、提水系统、排水系统、河流系统组成。

(3)流域单元水传输系统。通过配置区域内的一个或多个计算单元可以构成一个流域单元。流域单元水传输系统主要反映了各个计算单元之间水量的出、入情况，蓄水变量变化等。

通过以上分析，将三大系统简化和抽象为节点、计算单元水传输系统、流域单元水传输系统三类元素，遵循水量平衡原理，从流域上游到下游水传输系统不能间断，终点为水汇，建立起反映三大系统间内在的逻辑关系和水资源供、用、耗、排关系的水资源配置系统网络图。

2.2 组件技术

组件技术因具有可重用度高、互操作性好、实现细节透明、接口可靠性高且稳定性强、良好的可扩充性、即插即用的特点［8］，所以易于实现系统组件的替换与集成，提高了系统的可 维护性，缩短了系统的开发周期，提高了系统的开发效率。

表2 主要图元概化表

2.2.1 组件划分

组件划分是根据水资源配置业务流程进行分割，划分成一个个独立的计算单元，把每一个计算单元编制成一个个独立的计算组件。组件在编制时应该将其标准化，使每一个组件都只有一个输入和一个输出接口，各个组件通过数据流的形式进行连接，完成配置业务计算。

本文根据水资源配置业务计算流程，将水资源配置组件划分为五大类，分别是时间、保证率选择组件、需水预测组件、可供水量预测组件、平衡分析计算组件、制表、绘图组件，组件计算流程如图2所示。

图2 组件计算流程

2.2.2 组件开发

组件的开发是根据组件的划分结果，在Eclipse应用软件中通过Java语言编写的。其中供水预测组件包括:地表水、地下水、区外引水、其他预测组件;需水预测组件包括:工业、农业灌溉、城市生活、农村生活、农林牧渔、生态需水预测组件;平衡计算组件包括:节水计算、一次供需平衡、二次供需平衡、三次供需平衡组件等。组件的开发是在Eclipse中创建工程后，在“scr”编写组件相关程序，具体操作步骤如下:

(1)编辑JELLY文件，该文件主要用于控制用户定制组件时弹出的定制界面。

(2)在 JELLY中指定需要的 LOVEesponse，去实现getLOV()与 getLOVSchema()。

(3)在 ActionResponse中指定 ActionCode。

(4)将(1)中JELLY的内容返回到 ActionResponse的 actionHelper()中。

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

(6)用XML返回execute()中编写的核心计算代码。

(7)将计算的结果在用SCHEMA输出。

(8)在 ActionResponse中的 actionName()编写所开发组件的名字。

2.2.3 组件封装、发布

组件划分完成后，在eclipse环境中采用 java语言进行组件核心计算程序代码及相关组件开发程序的编写，运用E-clipse平台下的Axis2 Service Archiver插件将代码进行打包成后缀名为.aar的文件，即组件的封装，封装组件是将组件进行标准化处理，遵循一个组件仅有两个接口(数据输入接口和结果输出接口)的原则。将水资源动态配置各组件代码封装成组件后，在AXIS的管理页面上传打包好的服务文件，注册到UDDI中心形成用于水资源动态配置的 Web服务，建立水资源动态配置组件库。组件库的主要任务是对外提供组件，需要什么组件用户只要从组件库“取”即可。

2.3 其他集成应用技术

2.3.1 SOA 架构

面向服务的体系结构(SOA)是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来［9］。采用 SOA将业务组件按相关规则进行软件组件化，这使用户避开繁琐的代码，仅需制定相关业务组件便可组织业务应用，有效提高组件的重复利用率及灵活性。

2.3.2 Web Service技术

Web Service是一种组件技术，其采用 XML格式封装数据，对自身功能进行描述时采用 WSDL，用 UDDI将各种服务进行注册，通过SOAP协议进行组件之间的数据传输。Web Service具有与开发平台、开发语言无关的特点，无论基于什么语言和平台，只要制定其位置和接口，用户就能在应用端通过SOAP实现查找和定制相关业务服务，实现不同系统间的软件——软件对话方式的相互调用，打破了软件应用、网站和各设备间格格不入的状态，实现了基于Web无缝集成的目标［10］。

3 水资源动态配置系统构建

水资源动态配置支持系统搭建是运用知识图技术、组件技术和一些集成应用技术共同实现的。首先，根据水资源系统中各水源、用水户、水利工程的相互逻辑关系，采用知识图技术概化、绘制水资源配置网络知识图，根据知识图，然后，采用组件技术开发相关计算组件，在知识图相关图元下链接相关计算组件，通过单向数据流的方式完成供水预测、需水量预测及供需平衡等分析计算，这样便完成了水资源动态配置系统的构建，实现集成应用模式下水资源动态配置的可视化应用，构建流程如图3所示。

图3 水资源动态配置支持系统搭建构建

4 实例研究

以陕西省商洛市柞水县为例，进行水资源动态配置支持系统应用研究。柞水县境内山青水长，有溪流大小7 320条，水域面积占2.8万亩，河流总长5 693.4 km。平水年计算，全县地表水总流量6.54亿 m3。人均占水量 4 100 m3，为全地区人均3.2倍，是陕西河网密度大，水资源丰沛县之一。主要有乾佑河，金井河，金钱河，社川河，洛河，流域山高谷深，比降大。

图4 柞水县需水预测界面

图4是柞水县需水预测界面，可通过时间组件选择预测时间进行需水预测，在该界面可进行不同时间尺度(年、季、月)下的各用户的需水量预测和相应的需水总量统计工作。该界面的主要功能是可计算得到各个用水户的农村生活需水量、城镇生活需水量、工业需水量、农林牧渔业需水量、生态需水量，而且还能进行工业需水总量统计，农村生活需水总量统计、城镇生活需水总量统计、工业需水总量统计、农林牧渔业需水总量统计、生态需水总量统计、柞水县总需水量统计。

图5是柞水县可供水量预测界面，供水预测界面能够通过计算得到各个供水水源的可供水量，预测结果通过表格等形式展现，便于决策者进行对比分析。该界面功能主要包括:水库水源可供水量、水井水源可供水量、引水工程可供水量预测等，还可以统计得到地表水可供水量总量统计、地下水可供水总量统计、水库水源可供水量总量统计、水井水源可供水量总量统计、引水工程可供水量总量统计、柞水县可供水量总量统计。

图5 柞水县可供水量预测

如图6所示，是柞水县水资源供需平衡分析界面，该界面主要实现两方面功能:平衡计算和供、用、耗、排量计算。在此界面下单击供需平衡分析图元，可以进行平衡分析计算，计算结果显示在右侧结果表中，当然也能通过柱状图进行显示。在此界面下单击系统网络图中的相关用户节点，还能查看供需平衡分析后的各用户的供、需、耗、排的具体信息，可由图、表的形式展示。同时还可将用户的用水总量控制红线予以标示，可以和以后的严格管理进行对接。图6右下角便展示了商洛市柞水县两河乡供、需、耗、排的情况。

图6 柞水县供需平衡分析界面

5 结语

本文着眼于水资源配置系统的实用性，采用知识图可视化的表示水资源配置系统网络图，运用组件技术将配置模型方法组件化，通过知识图、组件构建水资源动态配置系统。该系统通过知识图、组件的灵活搭建，来适应水资源系统的动态变化。实例运用表明，水资源动态配置系统将配置计算过程智能化，实现了配置时间尺度上的动态，减少了系统的重复开发。由此看出，水资源动态配置支持系统因具有动态性，使得工作方式更为实用。

由于水资源配置业务繁杂、庞大，本文虽然在系统构建方式上进行了革新，但还不完善，后续还需进一步开展大量研究以完善水资源动态配置支持系统，使其更具灵活性和实用性。

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Study and Application of Water Resources Dynamic Allocation System

YANG Jian－hong
(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

陕西省水利科技计划(2010－4);国家自然科学基金项目(51079120)

杨建宏(1978－)，男，陕西扶风人，工程师，主要从事水资源管理方面的研究。