面向水资源配置的主题及管理服务模式研究

陈 晨，刘思源，张欣莹，左岗岗，纪传通

（西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）



面向水资源配置的主题及管理服务模式研究

陈 晨，刘思源，张欣莹，左岗岗，纪传通

（西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

摘 要：针对传统水资源配置模式存在规范化、业务化程度不高，可操作性差，无法适应发展变化等问题，提出面向水资源配置的主题及管理服务新模式。该模式以综合集成平台为支撑，通过配置业务主题抽取，并进行业务化，将水资源系统网络图和配置流程予以展示，基于云计算进行主题服务、组件管理，通过主题知识图、组件可灵活快速地搭建水资源配置系统。在陕西省水资源配置中开展实例应用，构建水资源配置管理系统，按行政区域、流域及重点区域 3 种应用主题分别实现新模式的应用，使水资源配置工作智能化、可视化，将业务过程流程化、动态化，工作方式更为实用。研究结果表明：面向水资源配置的主题及管理服务模式具有可操作性、动态性，能适应水资源配置及管理的发展变化。

关键词：水资源配置；知识图；组件；水利业务化；主题服务

0 引言

21 世纪以来，洪水、干旱、水污染、水资源短缺等水问题日益突出，特别是近几年我国极端水灾害事件的频繁发生，导致水资源的供需矛盾日益加剧。水资源配置是缓解这一矛盾的主要途径和有效措施，是实现水资源在不同区域和用水户之间的有效公平分配，从而达到水资源可持续利用的重要手段。

20 世纪 50 年代，我国学者开始了水资源配置及综合管理研究，从单一的用水调配问题如水库调度、灌区用水计划等，不断向综合性区域（流域）及跨流域水资源调配[1]的复杂问题深入；从单一水源调配发展到地表水、地下水及非常规水源联合调配[2]研究，以期实现社会、经济、生态环境等多维目标下的水资源合理配置[3]。研究方法也从常规规划法发展到模拟[4]、优化算法、二者相结合[5]等多元化方法。

近年来，水资源配置模式随着研究的不断深入取得一定成绩，同时也暴露一些问题，主要包括以下几点：

1）规范化、业务化程度不高。传统的水资源配置管理模式下配置流程、业务化过程不明确，导致配置工作效率低，如需对成果进行修改，将有大量的重复工作产生。

2）无法适应发展变化。在传统的水资源配置模式中，水资源配置供、需预测是根据现状水平年水资源供需形势对中长期规划年进行预测的，时间跨度大，然而需水量和可供水量都是动态变化的。

3）可操作性差。传统的水资源配置模式研究中往往只注重配置模型的开发，忽略了配置系统构建模式的思考，大多采用面向对象方法，在功能上缺乏扩展性，在业务上缺乏扩充性，系统一旦建成，新的模型或方法很难加入到系统中，难以满足业务需要；操作上缺乏交互性，决策支持能力欠缺；灵活性差，低水平重复开发多。

4）方案建立过程缺乏业务与决策者的经验、思维过程的结合，没有实现真正意义上的人机结合。

鉴于此，突破传统机械、静态的面对和解决问题的思维方式，提出面向水资源配置的主题及管理服务模式，该模式通过主题驱动的方式，进行配置业务抽取，即业务化，实现水资源配置流程管理；基于云计算进行主题、组件服务管理，可有效利用原有成果，实现有效的水资源配置；专家学者参与到配置系统的构建与配置方案的建立、修改的过程中，实现真正意义上的人机交互。

1 水资源配置主题业务化

水资源配置主题业务化是指以水资源配置业务流程为主线的管理服务模式，强调的管理对象是业务流程，强调以管理服务为目标，通过业务流程指导组织业务知识，构建水资源配置系统。通过流程

2）以水资源配置业务相关管理部门为主题的业务化。该业务化方式依据水资源配置业务相关管理部门的需求，以各个相关部门业务管理为主线，进行水资源配置相关业务组织。图 2 是以年度水量分配方案管理为例进行业务化的管理流程图。

3）水资源配置方法的业务化。以计算流程为主题进行业务应用组织，配置方法流程描述一般包括计算过程和逻辑描述 2 类，通过对配置方法过程和逻辑的描述可将水资源配置方法流程化、白箱化。图 3 为陕西省西安市金盆水库可供水量计算业务流程，通过该流程图可清楚了解各个节点可供水量的计算结果。

2 水资源配置业务化处理模式

2.1 关键技术支撑

面向水资源配置的主题及管理服务模式的实现化反映业务化，业务化体现流程化。

水资源配置主题业务化主要方式如下：

1）水资源配置的业务层级划分。将各类水资源配置业务逐级、分类划分为不同配置业务主题，各个大主题由小主题构成，可对一级主题进一步划分多个主题。业务划分应有利于展示区域水资源要求在空间上的分布，有利于资料的收集、整理、统计、分析，有利于计算成果的校核、验证等。本研究抽取了 3 类水资源配置主题，包括流域、行政区、重点区域水资源配置，各类主题下包括多个子主题，如图 1 所示。基础是应用支撑平台，实现手段是知识图、组件、云计算等技术。

图 1 水资源配置业务主题图

1）应用支撑平台[6-7]。该平台体系框架是基于面向服务的体系架构设计的，所有的水资源配置业务应用都以知识图、组件的方式被实现，通过云架构下的 Web 服务的方式对外提供服务，运用服务组合的方式搭建具体的业务应用系统，这使得在水资源配置系统搭建上具有灵活性、适应性。

2）知识图技术[8]。将知识图技术运用于水资源配置中，可将水资源配置业务化成果清晰明了地予以展示，例如水资源系统中各水源、用水户、水利工程之间的相互关系，供、用、耗、排水关系，水资源配置业务计算流程、逻辑等。

3）组件技术。组件技术具有可重用度高，互操作性好，实现细节透明，接口可靠性高且稳定性强，可扩充性良好，即插即用的特点[9]，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。

4）云计算技术[10]。通过云计算技术，用户只要按需购买存储能力、计算能力、软件功能、数据服务等各种服务，通过应用支撑平台就可以实现对业务的加工、处理等多项操作。

图 2 年度水量分配方案业务管理流程图

图 3 陕西省西安市金盆水库可供水量计算业务流程图

2.2 主题业务化

主题业务化是以主题驱动，以知识图的形式实现的，因此，确定主题业务化处理模式主要包括主题提取和知识化 2 部分。

2.2.1 主题提取

提取主题时，应有利于展示区域水资源要求在空间上的分布，有利于资料的收集、整理、统计、分析，有利于计算成果的校核、验证等。因此主题可提取为按行政区划分区的水资源配置，此主题有利于资料的搜集和统计；按自然地理单元分区的水资源配置，如按流域、水系结构划分，有利于算清水帐；按社会单元划分的水资源配置，如按特定经济圈、开发区划分等，有利于突出分析的重点。

随着配置需求的不断变化，配置工作的不断开展，主题不断更新和累积，形成主题全面、丰富的水资源配置主题库，以适应配置需求的动态性，增加系统的实用性。

2.2.2 主题知识化

面向水资源配置的主题业务化是以知识图的形式实现的。知识图是对水资源系统及配置方法的概化反应，可以嵌套，运用柱状结构体现各大小主题的层级关系，大主题知识图套小主题知识图；同时，知识图还能有效地描述水资源配置系统网络图及水资源配置方法。

根据水资源配置流程划分，搭建知识图总体框架。首先，绘制水资源配置总图，以嵌套的方式在图中各相应节点下添加各配置主题知识图总图，然后在主题总图下添加区配置业务子知识图，具体划分、嵌套主结构如图 4 所示。

图 4 知识图嵌套结构示意图

知识图能有效地描述水资源配置系统网络构架、概化的水量传输关系，明确各水源、用水户和水利工程的相互关系，将水源、用水户概化成节点，将供水、退水、排水系统和河流概化为线，通过点、线的链接绘制水资源系统网络图，建立系统供、需、耗、排水关系。同时，通过知识图描述水资源配置方法，可将计算过程以流程图的形式体现。将一个个的配置计算方法按照计算步骤、逻辑绘制计算流程知识图。

知识图构建是一个动态的过程，不断地用产生的新知识更新知识图，这样既可以清晰地描述实际水资源配置系统中供、需、耗、排水的关系，还可根据配置环境的变化适时地修改知识图，以适应水资源配置环境的动态性，增加系统的实时性。

2.3 业务组件化

配置业务组件是配置主题功能的具体实现。通过组件划分与开发，形成包括数据处理复杂的数学模型及算法配置方法的组件库，以服务的形式供用户使用。

2.3.1 组件的划分

组件可大可小，一般可按计算过程和逻辑进行组件的划分。本研究按水资源配置计算逻辑和过程，将水资源配置方法划分为需水预测类组件，以及可供水量、平衡、优化等计算类组件，划分示意如图 5 所示。

图 5 组件的划分示意图

2.3.2 组件的开发

将划分好的各水资源配置业务功能开发成规范化的数据加工处理组件，各类组件以服务的形式提供，具有特定的业务功能。每个组件都应符合 IPO模型，并采用 XML 标准描述；采用 Web Service 实现；按照业务特征，合理分类；业务组件访问协议也应符合 Web Service 标准要求；以 XML及 XML Schema 文档标准描述业务组件的输入、输出信息流；输入、输出信息流能被服务执行功能解析；访问描述提供符合 UDDI 访问协议的访问接口。

2.4 云服务建立

面向水资源配置的管理服务模式是通过云计算技术实现的，概念模型图如图 6 所示，初步表达了设备采集和人为加工的数据被传送到数据中心，再由云计算中心对数据进行管理、处理、计算、发布等业务操作，同时进行主题、业务组件管理。客户再通过应用支撑平台以 Web Service 的方式，访问各种数据、主题、组件等资源。用户只需根据水资源配置业务需求，需要什么组件从“云端”获取即可。

图 6 面向水资源配置服务管理概念模型图

3 基于云计算的配置管理服务实现

应用支持平台以“一切皆服务”、“按需服务”的理念为用户提供服务，通过主题、组件检索定制，组织水资源配置业务，实现配置业务管理。

3.1 主题检索

明确主题后，应充分利用云计算平台已有的相关主题库资料成果，以利于解决同类复杂决策问题时作为参考使用。用户可在应用支撑平台上知识空间中查找相关主题知识包，进行相关主题浏览、下载，并进行编辑修改，形成新的主题服务，并发布完善主题库。主题管理界面如图 7 所示。如若主题库没有相关资料，可创建新的主题。

图 7 主题检索界面

3.2 组件检索

组件检索是从已有组件库中根据系统业务知识图的需求，选择具有相应功能的组件，进行 Web服务组件定制，界面如图 8 所示。组件检索界面显示发布的所有组件服务库，决策者可以根据需要选择进入相应的组件服务库，定制相应的组件服务，可运用不同计算组件实现不同计算方法下的水资源配置。

3.3 配置业务组织流程

基于云计算的水资源配置业务组织是基于应用支撑平台，确定水资源配置主题的。专家学者利用云计算平台进行主题搜索，可充分利用原有主题或将新主题业务流程化，通过组件搜索与业务流程化后的知识图关联，将已有知识图的概念节点同 Web服务关联，搭建成为业务化应用，专家学者通过“沟通→反馈→协调”的循环校正研究水资源的合理配置。专家学者通过这种方式参与到水资源配置系统的搭建过程中来，通过业务化展示配置业务流程和概化后的水资源系统，选用不同计算组件实现统一业务功能，专家学者利用累积的业务经验完成方案比选，组件服务则成为链接数据、业务流程知识图的桥梁。

图 8 组件检索界面

4 主题及管理服务模式特点

面向水资源配置的主题及管理模式与传统的水资源配置模式相比，展现出一定的优越性，主要体现在以下几个方面：

1）新模式能提高配置效率，实现按需服务。新模式下，用户只需根据水资源配置需求，检索相关主题服务，运用组件服务，进行适当修改即可配置，提高了水资源配置效率。

2）新模式能应对水资源系统的动态性。新模式下的配置系统采用主题知识图为可视化工具，能适时地修改、搭建配置应用，例如：当水源、用户等发生变化时，只需在知识图增加和删减相应的节点和组件，便可实现配置业务。因此，该系统能适应动态变化下的水资源系统，满足水资源配置的业务需求。

3）新模式实现了人机互动。在新模式下的动态配置系统中，专家、决策者等人员能够参与水资源配置的决策过程，在应用组织过程中体现了配置业务和人的经验与思维过程的耦合，实现真正意义上的人机互动。

5 主题及管理服务模式应用

目前已将水资源配置的主题及管理服务模式应用于陕西省水资源配置中，构建的陕西省水资源配置管理系统，按行政区域、流域及重点区域 3 种应用主题分别对陕西省进行新模式的应用。

图 9 是综合基础平台的知识图绘制及应用构建界面，可进行知识图的编辑、绘制，并在相应的节点上关联相应的组件；图 10 是业务应用界面，在此状态下可实现配置计算及结果、信息数据的查看等相应水资源配置业务功能。

陕西省流域水资源配置管理系统界面如图 11 所示；陕西省行政区水资源配置管理系统界面与图 11中流域水资源配置管理界面相似，只是地图为陕西省行政区各县市地图；图 12 为西安市水资源配置管理界面，该界面为行政区水资源配置管理的下一级主题，以嵌套的方式添加在行政区界面中的西安市节点下，实现了“省-市-县”三级嵌套模式下的水资源配置管理；图 13 为重点用水户水资源配置管理系统界面。

图 9 知识图绘制及应用构建界面

图 10 应用状态界面

在主题及管理服务模式下能够实现需水预测、可供水量计算、平衡分析及供需水量统计分析等功能。以西安市水资源配置管理系统截图为例进行分析，界面如图 14，15 所示。用户可通过用户、水源调整节点实现配置方案的可供水量和需水量调整。

在西安市水资源配置管理界面中，点击黑河金盆水库节点，在金盆水库可供水量计算界面进行不同需水计算方法和灌溉制度下的可供水量计算。生态需水的计算方法（包括 Q90 法、多年平均的10%，以及近 10 年最小月法）及灌溉制度（包括节水及常规）组合选择界面如图 16 所示，通过选择不同生态计算方法与灌溉制度可进行组合计算；金盆水库的 3 种生态基流计算方法的结果及不同灌溉制度下的灌溉需水结果如图 17 所示。

图 11 流域水资源配置管理界面

6 结语

针对传统水资源配置模式存在规范化、业务化程度不高，可操作性差，无法适应发展变化等问题，提出并实现面向水资源配置的主题及管理新模式。采用知识图可视化描述水资源配置网络及业务流程，通过组件技术及 Web Services 技术将水资源配置相关模型方法组件化，并封装成输入输出标准的组件，基于云计算技术的应用支撑平台，采用主题知识图、组件快速搭建水资源配置系统，提高水资源配置的灵活性和可操作性；通过对知识图、组件的灵活快速修改，从而提高水资源配置系统的适应性，使得系统具有较强的适应发展变化的能力，进而实现面向水资源配置的主题及管理。实例研究及应用结果表明，基于应用支撑平台的面向水资源配置的主题及管理模式能够很好地克服传统水资源配置模式存在的问题；能实现多主题、模式下的水资源配置，更好地满足配置需求的动态变化；能在可视化环境下通过人机交互对配置方案进行调整。

面向水资源配置的主题及管理模式需要综合运用水资源配置及现代信息技术，是对传统配置模式的革新，虽然已做了一些有益的探索和研究，但还不完善，后续还需进一步开展大量研究以完善面向水资源配置的主题及管理模式，使其更具灵活性和实用性。

图 12 西安市水资源配置界面

图 13 重点用水户水资源配置管理界面

图 14 西安市水资源配置管理需水预测界面

图 15 西安市水资源配置管理供需平衡分析统计界面

图 16 生态需水计算方法及灌溉制度组合界面

图 17 陕西省西安市金盆水库生态基与灌溉需水量计算结果

参考文献：

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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

中图分类号：TV21

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)02-0029-11

收稿日期：2015-11-15

基金项目：国家自然科学基金项目（51209170）；陕西省科技攻关项目（2012-16）

作者简介：陈 晨（1988-），女，云南蒙自人，博士研究生，研究方向为水资源管理及水利信息化。