寧夏全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型研究與設(shè)計

茍在明+姜維軍+王彥兵+王海峰+劉靜+徐景東

摘 要：文章分析了寧夏全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型的研究背景，闡述了模型的研究路徑，介紹了模型的需求分析、模型設(shè)計和數(shù)據(jù)建模內(nèi)容，以期發(fā)揮水利信息化的優(yōu)勢，促進行業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水利信息化；全業(yè)務(wù)；水利數(shù)據(jù)模型；寧夏

中圖分類號：TV222文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0122-03

1 背景

長期以來，寧夏水利信息化建設(shè)按照項目應(yīng)用方式建設(shè)，數(shù)據(jù)庫建設(shè)及數(shù)據(jù)庫的物理部署缺少統(tǒng)一統(tǒng)籌規(guī)劃，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫類型和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)異構(gòu)現(xiàn)象普遍，數(shù)據(jù)建設(shè)內(nèi)容突出表現(xiàn)為專項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資源被縱向（地域）橫向（業(yè)務(wù)部門）切成了若干碎片，造成數(shù)據(jù)庫條塊分割和數(shù)據(jù)庫交叉重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象，形成存在入庫數(shù)據(jù)量分布不均、入庫數(shù)據(jù)種類不全、入庫數(shù)據(jù)規(guī)模偏小、數(shù)據(jù)分類不齊全、編碼不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)零散孤立且缺少關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)質(zhì)量差的事實，導(dǎo)致數(shù)據(jù)資源的“一數(shù)一源”難以保證，數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)安全得不到有效保障。這嚴重降低了寧夏水利數(shù)據(jù)資源的利用率，減緩了寧夏水利信息化現(xiàn)代化水平的發(fā)展。

綜上各種因素，為了滿足寧夏水利數(shù)據(jù)資源的全局共享、應(yīng)用和統(tǒng)一管理需求，適應(yīng)當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，發(fā)揮水利信息化的最大社會經(jīng)濟效益，為寧夏水利數(shù)據(jù)資源的“資源集約、信息集中、業(yè)務(wù)集成”數(shù)據(jù)環(huán)境提供支撐，需要研究一套“結(jié)構(gòu)清、數(shù)據(jù)明、使用暢、管理范”的寧夏全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型是非常有必要的。

2 研究路徑

基于《水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)基本技術(shù)要求》中對數(shù)據(jù)層的建設(shè)要求，以寧夏水利信息資源規(guī)劃理論為指導(dǎo)、借助于其他行業(yè)的成功經(jīng)驗，以及云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的拓展要求，進行寧夏“全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型”的研究與設(shè)計工作。寧夏全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型按照“需求分析”→“數(shù)據(jù)模型設(shè)計”→“數(shù)據(jù)建模”的研究路徑進行研究、設(shè)計和實現(xiàn)。首先通過對寧夏水利業(yè)務(wù)職能分析確定寧夏水利全業(yè)務(wù)范圍和數(shù)據(jù)資源范圍，其次對確定的水利業(yè)務(wù)范圍流程進行分析，形成業(yè)務(wù)資源目錄、職能分布等分析成果，最后進行根據(jù)業(yè)務(wù)流程，對業(yè)務(wù)流程環(huán)境蘊含的數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)流程進行分析，形成數(shù)據(jù)資源目錄、數(shù)據(jù)分類及編碼等成果。通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)系成果確定業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的映射，從業(yè)務(wù)角度，可劃分業(yè)務(wù)所包含的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)內(nèi)容。保證從數(shù)據(jù)角度，可規(guī)范數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)分類。

在需求分析的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)模型設(shè)計工作，按照“客觀信息表述”→“客觀信息到計算機過渡”→“計算機物理實現(xiàn)”的數(shù)據(jù)模型設(shè)計過程進行概念數(shù)據(jù)模型→邏輯數(shù)據(jù)模型→物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計。

在完成數(shù)據(jù)模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，著手進行數(shù)據(jù)建模工作，包含建模型方法、數(shù)據(jù)庫邏輯劃分、制定數(shù)據(jù)庫規(guī)范、數(shù)據(jù)庫模型優(yōu)化等內(nèi)容。

3 需求分析

3.1 職能域分析

職能域模型決定了數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)建設(shè)范圍。職能域是對寧夏水利相關(guān)單位范圍內(nèi)主要業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域的抽象。對寧夏水利職能域的劃分，應(yīng)在充分了解寧夏水利各機構(gòu)單位職能的基礎(chǔ)上，辨別業(yè)務(wù)相關(guān)度，進行合理的、粗細適宜的劃分。

3.2 業(yè)務(wù)分析

按照寧夏職能域劃分需求，將寧夏水利業(yè)務(wù)劃分為17大類業(yè)務(wù)，包括：防汛抗旱、水文水資源勘測、水土保持、水利工程移民、農(nóng)村水利建設(shè)、規(guī)劃計劃、水利建設(shè)項目管理、水利科技教育、水利經(jīng)濟管理、安全生產(chǎn)管理、水務(wù)運營、財務(wù)審計、人事管理、黨政管理，每一大類業(yè)務(wù)最多可詳細劃分到3級業(yè)務(wù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

在對寧夏職能域的業(yè)務(wù)流程分析基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)關(guān)系分析，依據(jù)國家對水利信息分類的相關(guān)標準，結(jié)合目前對寧夏水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)情況，對寧夏水利數(shù)據(jù)資源進行數(shù)據(jù)分類，并對分類數(shù)據(jù)按照一定的編碼規(guī)則進行編碼，用以唯一表述分類數(shù)據(jù)。

4 模型設(shè)計

在對寧夏水利相關(guān)的各類數(shù)據(jù)深入的分析基礎(chǔ)上，進行邏輯數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和劃分；基于數(shù)據(jù)標準，完成數(shù)據(jù)的概念模型、邏輯模型、物理模型的設(shè)計。

4.1 數(shù)據(jù)模型設(shè)計過程

針對各類數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)模型的設(shè)計，采用從概念數(shù)據(jù)模型到邏輯數(shù)據(jù)模型，最終到物理數(shù)據(jù)模型的設(shè)計方法進行數(shù)據(jù)建模。數(shù)據(jù)庫建設(shè)方案以概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型設(shè)計為主。物理數(shù)據(jù)模型可根據(jù)選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的不同，從概念模型或邏輯模型中導(dǎo)出生成。

數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫是個復(fù)雜的系統(tǒng)，包含內(nèi)容眾多，需按照一定調(diào)理進行設(shè)計。無論是概念模型還是邏輯模型均采用分層化設(shè)計。按照數(shù)據(jù)間關(guān)系及數(shù)據(jù)劃分，頂層概念模型表示了各類數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換和使用關(guān)系，頂層邏輯模型描述了各邏輯庫劃分及關(guān)聯(lián)關(guān)系，以下各層將逐層細化。

專用數(shù)據(jù)庫的設(shè)計應(yīng)依據(jù)各應(yīng)用數(shù)據(jù)庫設(shè)計而定，主題庫設(shè)計視不同主題設(shè)計各自的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，元數(shù)據(jù)庫設(shè)計應(yīng)以元數(shù)據(jù)建設(shè)規(guī)范為依據(jù)，設(shè)計元數(shù)據(jù)庫包含的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。

4.2 概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計

數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計是一種面向問題的數(shù)據(jù)模型，是從用戶的角度，按照用戶的觀點對水利業(yè)務(wù)和管理數(shù)據(jù)和信息進行描述，按照現(xiàn)實的工作流程和流轉(zhuǎn)的信息抽象成數(shù)據(jù)庫的概念模型。概念模型獨立于數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，也獨立于支持數(shù)據(jù)庫的DBMS和計算機系統(tǒng)，是現(xiàn)實實體和信息化系統(tǒng)中實體的中介，一方面能夠充分反映現(xiàn)實世界，包括實體與實體、實體與屬性之間的關(guān)系，同時又易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換，它將現(xiàn)實世界的信息結(jié)構(gòu)統(tǒng)一用屬性、實體以及實體間的聯(lián)系來描述，因此概念模型設(shè)計是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵一步。

（1）頂層數(shù)據(jù)概念模型

寧夏全業(yè)務(wù)水利概念數(shù)據(jù)模型如圖1。

（2）二層概念數(shù)據(jù)模型

二層概念數(shù)據(jù)模型包括專用數(shù)據(jù)內(nèi)部概念模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)部概念模型。專用數(shù)據(jù)內(nèi)部根據(jù)關(guān)聯(lián)的不同應(yīng)用劃分成不同的專用數(shù)據(jù)子集，相互之間無交互關(guān)系，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、主題數(shù)據(jù)共享信息，因此相互相對獨立?；A(chǔ)數(shù)據(jù)相互之間雖獨立存儲，但存在著相互影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系，圖2為各類數(shù)據(jù)的概念模型。endprint

（3）主題數(shù)據(jù)概念模型

主題數(shù)據(jù)內(nèi)部按照不同主題劃分成不同的數(shù)據(jù)子集，相互之間相對獨立。

（4）元數(shù)據(jù)概念模型

元數(shù)據(jù)內(nèi)部，內(nèi)聯(lián)映射元數(shù)據(jù)實現(xiàn)技術(shù)元數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)的層間映射，元數(shù)據(jù)概念模型如圖3。

3.3 邏輯數(shù)據(jù)模型設(shè)計

邏輯數(shù)據(jù)模型反映的是設(shè)計者對數(shù)據(jù)存儲的觀點，是對概念數(shù)據(jù)模型進一步的分解和細化。邏輯數(shù)據(jù)模型是根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則確定的，關(guān)于業(yè)務(wù)對象、業(yè)務(wù)對象的數(shù)據(jù)項及業(yè)務(wù)對象之間關(guān)系的基本藍圖。邏輯數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容包括所有的實體和關(guān)系，確定每個實體的屬性，定義每個實體的主鍵，指定實體的外鍵，需要進行范式化處理。邏輯數(shù)據(jù)模型的目標是盡可能詳細的描述數(shù)據(jù)，但并不考慮數(shù)據(jù)在物理上如何來實現(xiàn)。

邏輯數(shù)據(jù)建模不僅會影響數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方向，還間接影響最終數(shù)據(jù)庫的性能和管理。充分詳細地邏輯數(shù)據(jù)模型設(shè)計，可在物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計時有更多可供選擇的方法。

3.4 物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計

物理數(shù)據(jù)模型是面向計算機物理表示的模型，描述了數(shù)據(jù)在儲存介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)。每一種邏輯數(shù)據(jù)模型在實現(xiàn)時都有其對應(yīng)的物理數(shù)據(jù)模型。依據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)模型的對應(yīng)關(guān)系，包括專用數(shù)據(jù)庫物理模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型。

（1）專用數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型

專用數(shù)據(jù)庫是以各個單一業(yè)務(wù)應(yīng)用為主，通過對現(xiàn)有各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的整合同步、數(shù)據(jù)處理形成。各應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)功能及實現(xiàn)需根據(jù)數(shù)據(jù)中心相關(guān)規(guī)范設(shè)計，自行設(shè)計項目庫數(shù)據(jù)模型，并完成相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，寧夏水利數(shù)據(jù)中心提供各專用數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)中心體系的核心，存儲從專用數(shù)據(jù)庫抽取來的基礎(chǔ)明細數(shù)據(jù)以及部分輕度匯總數(shù)據(jù)和派生指標數(shù)據(jù)或水利相關(guān)部門業(yè)務(wù)中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括水利對象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

借助于面向水利對象的設(shè)計思路，以水利數(shù)據(jù)對象為主線，設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型，把寧夏水利相關(guān)的12基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機組織為一個整體?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)物理模型主要用于存放水務(wù)對象的個體屬性、關(guān)系（如對象間關(guān)系、編碼關(guān)系等），以及字典信息，具有共性的水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（3）元數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型

根據(jù)制定的符合寧夏水利情況的元數(shù)據(jù)標準，設(shè)計數(shù)據(jù)中心元數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型，元數(shù)據(jù)庫存儲用于對數(shù)據(jù)中心各類實體數(shù)據(jù)進行描述的元數(shù)據(jù)信息、元數(shù)據(jù)的字典信息、信息資源目錄信息。用來主要描述實體數(shù)據(jù)的定義、內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參考系、管理方式以及數(shù)據(jù)集的其他特征等，提供對寧夏梳理數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一描述、應(yīng)用和管理支撐能力。

（4）主題數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型

面向業(yè)務(wù)決策的需求建模，其數(shù)據(jù)源包括基礎(chǔ)庫、元數(shù)據(jù)庫以及外部共享數(shù)據(jù)。其中前兩類數(shù)據(jù)源的使用可以通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，按照應(yīng)用需求，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫通過抽取和輕量級匯總，抽取匯集到一起，形成數(shù)據(jù)立方，進行多維度的統(tǒng)計分析，提供面向主題的數(shù)據(jù)服務(wù)。外部共享數(shù)據(jù)源包括互聯(lián)網(wǎng)上的實時信息以及可獲得的外部單位提供的共享信息，對其的使用可以借助寧夏水利數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)平臺，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)形成面向主題的成果供業(yè)務(wù)分析和決策支持使用，得到按主題劃分的主題庫匯總數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)模型。主題數(shù)據(jù)庫物理數(shù)據(jù)模型架構(gòu)如圖4所示：

4 數(shù)據(jù)建模

4.1 數(shù)據(jù)庫邏輯劃分

根據(jù)寧夏水利數(shù)據(jù)分類，按照用途和業(yè)務(wù)屬性，可將數(shù)據(jù)中心分成四個邏輯數(shù)據(jù)庫，即：元數(shù)據(jù)庫、專用數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫。其中元數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括技術(shù)元數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)和內(nèi)聯(lián)映射元數(shù)據(jù)；專用數(shù)據(jù)庫按照不同的應(yīng)用系統(tǒng)劃分為不同的邏輯數(shù)據(jù)庫；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)分類包括28個邏輯子庫；主題數(shù)據(jù)庫按照挖掘的不同主題包括多個對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表群。

4.2 制定數(shù)據(jù)庫規(guī)范

數(shù)據(jù)規(guī)范化的設(shè)計和建立是將數(shù)據(jù)庫各類標識名稱統(tǒng)一化、規(guī)范化，有助于確立信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系，保證信息的可靠性、可比性和適用性，保證信息存儲及交換的一致性與唯一性，便于信息資源的高度共享。綜合國家已制定各類標準，結(jié)合寧夏水利信息化本地情況，制定符合寧夏水利情況、滿足寧夏水利需求的數(shù)據(jù)庫標識符標準。

4.3 數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化

分析并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的“時-空”效率，盡可能的“提高處理速度”并降低“數(shù)據(jù)占用空間”是數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化設(shè)計的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化主要包括數(shù)據(jù)庫的物理存儲優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫運行優(yōu)化。物理存儲優(yōu)化涵蓋數(shù)據(jù)庫實例、表空間等方面優(yōu)化，數(shù)據(jù)庫運行優(yōu)化涵蓋表分區(qū)、索引、查詢優(yōu)化等。

5 結(jié)束語

研究和設(shè)計寧夏全業(yè)務(wù)水利數(shù)據(jù)模型對滿足寧夏水利數(shù)據(jù)資源的全局共享、應(yīng)用和統(tǒng)一管理需求，適應(yīng)當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，發(fā)揮水利信息化的最大社會經(jīng)濟效益具有重要意義。

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