國內(nèi)水利決策支持系統(tǒng)SLDSS開發(fā)與應(yīng)用的現(xiàn)狀研究

苗俊嶺

【摘要】進(jìn)入21世紀(jì)以后，關(guān)于決策支持系統(tǒng)的研究大幅度加快，而國內(nèi)的各項水利項目依次開發(fā)出各種基于不同技術(shù)上的決策支持系統(tǒng)，這些水利決策支持系統(tǒng)（SLDSS）大多是基于水利部948項目的背景下形成的，所以雖然其核心技術(shù)紛雜不同，但是有必要對各項SLDSS的子系統(tǒng)做一個統(tǒng)和整理以便于系統(tǒng)開發(fā)者和部門領(lǐng)導(dǎo)能更好的整合理解各個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)關(guān)系，和整個SLDSS的系統(tǒng)框架。

【關(guān)鍵詞】水利 決策支持系統(tǒng) SLDSS GIS

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）50-0012-02

1.背景

1.1 決策支持系統(tǒng)應(yīng)用于水利工程的由來

早在1947年英國就有了SLDSS的雛形，當(dāng)時在英國成立的HR Wallingford是英國客工部的政府水利研究機(jī)構(gòu)。1982年HR Wallingford 從環(huán)境部私有化，1987年成為了軟件有限公司，致力于為水工業(yè)開發(fā)世界領(lǐng)先的軟件工具。并于2003年初打入中國市場。此后中國的水利決策支持系統(tǒng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

1.2 SLDSS簡介

由于水利的包含內(nèi)容較廣所以SLDSS的內(nèi)容也較繁多，包括水資源實施調(diào)控、水資源灌溉、洪水預(yù)報和防洪調(diào)度、水與生態(tài)管理、水質(zhì)調(diào)節(jié)、船閘運(yùn)營等各項內(nèi)容，雖然各項子系統(tǒng)之間的聯(lián)系緊密，但由于各自的模型選用有極大差別，影響因素也難以統(tǒng)和，故而子系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用極為不平衡，其中防洪系統(tǒng)是SLDSS整個系統(tǒng)的核心，其開發(fā)也趨近于完善，這其中以黃河小浪底以下河段的防洪系統(tǒng)為代表，而水資源灌溉和水質(zhì)調(diào)節(jié)也有很多完善實例，而水生態(tài)管理的開發(fā)最為緩慢，現(xiàn)停留在理論分析和嘗試階段，還沒有完善的代表系統(tǒng)出現(xiàn)。

2.子系統(tǒng)概述

2.1防洪預(yù)報和防洪調(diào)度

該模塊是SLDSS中開發(fā)最完善的模塊，主要用于實現(xiàn)防洪預(yù)警，水位調(diào)控。輔助功能有水災(zāi)模擬和風(fēng)險分析。這里介紹兩種基于最新技術(shù)的防洪系統(tǒng)。

2.1.1工作流程基于事例推理CBR方法的防洪系統(tǒng)

通過檢索相似事例來輔助決策。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由人機(jī)系統(tǒng)、調(diào)度事例庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、推理系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、多庫協(xié)同器組成。其系統(tǒng)的關(guān)鍵是事例檢索模型的構(gòu)建，這其中又以事例屬性相似度模型和事例整體相似度模型的選擇最為困難。

2.1.2基于數(shù)據(jù)倉庫和OLAP技術(shù)的防洪系統(tǒng)

該系統(tǒng)原型是“多數(shù)據(jù)庫+數(shù)據(jù)倉庫+OLAP+數(shù)據(jù)挖掘+結(jié)果展示”的分析模型系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化又加入了數(shù)據(jù)集市，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的利用程度。此系統(tǒng)的運(yùn)用更加靈活，可以配合GIS進(jìn)行洪險預(yù)測和模擬。

2.2水資源灌溉與資源優(yōu)化配置

關(guān)于灌溉決策系統(tǒng)其實是SLDSS中比較簡單的一部分，因為影響灌溉決策的條件相對于SLDSS其他子系統(tǒng)的因素相對較少，這是由于雖然環(huán)境復(fù)雜，但是特定的地區(qū)環(huán)境不同，所以一般都會單獨根據(jù)自身情況去設(shè)計自己的灌溉決策系統(tǒng)以實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。例如青獅潭灌區(qū)灌溉決策支持系統(tǒng)，還有霍泉灌區(qū)灌溉用水決策支持系統(tǒng)。不過雖然其種類較多，但是總結(jié)起來其模型構(gòu)建確實大同小異，根據(jù)其影響原因的偏重點不同大致可以分為從節(jié)水方面考慮和從客觀環(huán)境考慮兩種類型。

2.3水生態(tài)管理與水質(zhì)調(diào)節(jié)

20世紀(jì)70年代起，國際上開始研究環(huán)境決策支持系統(tǒng)，即（EDSS），21世紀(jì)后隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）的迅速發(fā)展，GIS在EDSS構(gòu)建中發(fā)揮了也來越重要的作用，而最新的水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)其實就是由早期的EDSS結(jié)合近年發(fā)展起來的GIS系統(tǒng)，而完成的一種綜合性的生態(tài)環(huán)境決策系統(tǒng)。

2.3.1水生態(tài)管理

該系統(tǒng)主要功能包括：水生態(tài)安全預(yù)警和應(yīng)急、水量調(diào)控、污染物控制、淀區(qū)凈化、綜合調(diào)控、查詢知識庫。目前國內(nèi)該類系統(tǒng)在水文過程的模擬方面還不完善，并且由于水生態(tài)環(huán)境決策影響因素復(fù)雜繁多，沒有固定的決策模型可以套用。比較成功的只有白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)，柴達(dá)木盆地水資源決策支持系統(tǒng)。

2.3.2水質(zhì)調(diào)節(jié)

現(xiàn)今國內(nèi)的水質(zhì)調(diào)節(jié)決策支持系統(tǒng)多是為水質(zhì)預(yù)警和飲水安全評價構(gòu)建的，因為地理信息不同，預(yù)測目的不同，所以設(shè)計出的系統(tǒng)模型相差非常大。例如一些模型僅僅將NH4和COD（化學(xué)需氧量）濃度作為水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，還有一些則以EFDC-WASP為核心模型。由于模型不同，所以水質(zhì)調(diào)節(jié)決策系統(tǒng)的構(gòu)架也有很大區(qū)別。

3.各模塊的核心技術(shù)群

3.1 GIS（地理信息系統(tǒng)）

地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。簡單的說，GIS是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)，是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機(jī)編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。

SLDSS系統(tǒng)的模型建立離不開對于地理信息的分析測量，按照模型與GIS的集成緊密程度一般可分為外聯(lián)式集成、半緊密內(nèi)嵌式集成和緊密內(nèi)嵌式集成三種方式。 如今已經(jīng)在很多系統(tǒng)中實現(xiàn)了外聯(lián)式和半緊密式內(nèi)嵌集成。而緊密內(nèi)嵌式集成實現(xiàn)較為困難，目前還需進(jìn)一步研究。

3.2層次化設(shè)計技術(shù)

由于在SLDSS中系統(tǒng)，各子系統(tǒng)模塊之間、子系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間的聯(lián)系非常緊密，所以需要很好的安全保障機(jī)制，目前可以采用層次化設(shè)計技術(shù)使各數(shù)據(jù)層具有數(shù)據(jù)隔離和類似于防火墻的效果。

3.3 ES系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert System，ES）的概念是基于這樣的一種假設(shè)：專家們的知識——即解決問題的方法與方式，可被保存和習(xí)得，它可被保存放在計算機(jī)設(shè)備中，并可被別人需要時使用。之所以這種系統(tǒng)在SLDSS中如此重要是應(yīng)為SLDSS涉及到一個極大群體的水資源安全，涉及到眾多群眾的生命，所以不論是對于防洪預(yù)洪，還是灌溉決策亦或是水生態(tài)調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)輔助決策之后往往也不能在決策者群體中達(dá)成定論。此時ES系統(tǒng)將能對于SLDSS的輔助決策結(jié)果進(jìn)一步推理，完善決策，這樣才能使決策結(jié)果更讓人放心。endprint

4.SLDSS系統(tǒng)設(shè)計

大多數(shù)的DSS系統(tǒng)都是由三大部分組成，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，模型庫系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)。但是SLDSS系統(tǒng)和普通的DSS系統(tǒng)由于在功能定位上的不同，在每層結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計上還是有極大差別的。

4.1 SLDSS設(shè)計特點

首先SLDSS是一個DSS系統(tǒng)集團(tuán)的概念。并非單只應(yīng)用于某個組織內(nèi)部的單獨系統(tǒng)，例如單獨的防洪預(yù)洪系統(tǒng)決策系統(tǒng)只是SLDSS系統(tǒng)的一部分，雖然其本身也是完整的DSS系統(tǒng)。所以SLDSS設(shè)計中關(guān)鍵要解決的就是多個DSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享，并將其賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，綜合各方面的數(shù)據(jù)來源作出決策。

而且由于多個子模塊之間的數(shù)據(jù)經(jīng)常會有重復(fù)的決定項，例如在灌溉決策系統(tǒng)和防洪預(yù)洪系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)關(guān)鍵項中都有汛期水位這個數(shù)據(jù)項，季度降雨量這些數(shù)據(jù)項，那么單獨作業(yè)的DSS系統(tǒng)是否可以不必重復(fù)的向各自的數(shù)據(jù)庫錄入相同的數(shù)據(jù)呢？完善的SLDSS即是為了解決這類重復(fù)作業(yè)而產(chǎn)生的系統(tǒng)。

4.2系統(tǒng)設(shè)計方向與實現(xiàn)目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)有有四個，分別是：（1）通過類似集成化的設(shè)計來提高部門之間的信息流通速度。（2）通過建立工作組模式來使模型和相應(yīng)的仿真方案能為水務(wù)機(jī)構(gòu)提供長期決策支持服務(wù)。（3）將多個DSS系統(tǒng)通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)項連接來提高系統(tǒng)可靠性。（4）實現(xiàn)對多個DSS系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)精簡。

4.3設(shè)計詳情

由于SLDSS可以看做是多個DSS的整合，所以這里就按照DSS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來詳細(xì)說明。

4.3.1數(shù)據(jù)層設(shè)計

數(shù)據(jù)層主要包括三個方面：（1）數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)收集，包括各個子系統(tǒng)所有需要的無重復(fù)數(shù)據(jù)項，將水利基礎(chǔ)信息歸納為：水文數(shù)據(jù)、供水?dāng)?shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等等，每一類的數(shù)據(jù)都可來源于不同的數(shù)據(jù)庫。（2）數(shù)據(jù)倉庫：數(shù)據(jù)倉庫是集成的，數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)有來自于分散的操作型數(shù)據(jù)源，將所需數(shù)據(jù)從原來的數(shù)據(jù)中抽取出來，進(jìn)行加工與集成，統(tǒng)一與綜合之后才能進(jìn)入數(shù)據(jù)倉庫。（3）數(shù)據(jù)集市（重要）：簡單的來說數(shù)據(jù)集市就是一個從操作的數(shù)據(jù)和其他的為某個特殊的專業(yè)人員團(tuán)體服務(wù)的數(shù)據(jù)源中收集數(shù)據(jù)的倉庫。這里加入數(shù)據(jù)集市是應(yīng)為SLDSS面向的是同一領(lǐng)域的不同行業(yè)的人群，在數(shù)據(jù)交換上難免會出現(xiàn)交流障礙，所以必須加入數(shù)據(jù)集市。

4.3.2 模型層設(shè)計

SLDSS的模型層和傳統(tǒng)的DSS模型層沒有較大差別，在OLAP模塊和和數(shù)據(jù)挖掘模塊只需要結(jié)合自身需求特點設(shè)計即可。但是由于不同地域和環(huán)境的學(xué)者對于洪水、灌溉、水生態(tài)環(huán)境決策的標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)學(xué)模型的建立常常有很大差異，故而在導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型的時候不能將其他地域的同類型模型照搬。但是可以集成多個不同的同類型決策模型來根據(jù)用戶需要調(diào)用。例如同樣是灌溉決策系統(tǒng)，在曾芳芳的《水庫灌區(qū)管理決策支持系統(tǒng)的研究與開發(fā)》中提及灌區(qū)模型應(yīng)該包括“灌溉配水子模型，排澇子模型，灌區(qū)農(nóng)作物優(yōu)化種植比自模型和灌區(qū)抗旱預(yù)報子模型”。而在張洋，韓文霆《作物灌水量決策支持系統(tǒng)開發(fā)》一文中則提到灌溉模型是由蒸騰蒸發(fā)量模型和灌水量模型兩個模型決定的。這是由于決策者偏重點不同在對待同樣的問題的時候，采取了不同的決策模型，故而無法討論不同模型的優(yōu)劣，所以將同領(lǐng)域的不同問題模型集成進(jìn)SLDSS的模型層的數(shù)學(xué)模型庫中士非常必要的。

這樣集成的大量模型如果按子模塊來區(qū)分大類的話可以分成防洪預(yù)洪模型、灌溉決策模型、水資源優(yōu)化模型、水質(zhì)管理模型、水庫船閘水閘管理模型五個大類。

4.3.3 人機(jī)交互層

該層不能像通常的DSS一樣只是分為客戶端瀏覽器和GIS系統(tǒng)兩個部分。因為完整的SLDSS面向的對象是不同組織，不同專業(yè)的人員，故而GIS系統(tǒng)的輸出結(jié)果面向的是更廣的人群。要達(dá)到這樣的要求需要統(tǒng)一或者分類。而如果進(jìn)行一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化，將使系統(tǒng)的普及難度加大，故而這里選擇用權(quán)限分類和身份識別相結(jié)合，輔助集成多類GIS系統(tǒng)。

詳細(xì)的來說，首先將對用戶進(jìn)行分類，并設(shè)置行業(yè)身份識別系統(tǒng)，并附加上對應(yīng)行業(yè)的GIS輔助系統(tǒng)，其次將同一行業(yè)的用戶分為管理層和客戶層以此來確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和真實性。最后管理層中除了可以統(tǒng)一設(shè)置的系統(tǒng)管理員、模型管理員、數(shù)據(jù)管理員可依據(jù)不同子系統(tǒng)劃分更詳細(xì)的管理員類別，例如水資源優(yōu)化系統(tǒng)的管理層就可單獨設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測管理員，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測員。這樣詳細(xì)的劃分是為了使不同行業(yè)的人不能輕易的修改單項的數(shù)據(jù)。以通過系統(tǒng)的上下核對確保所有數(shù)據(jù)的安全，避免大范圍的混亂。用戶層則只能查閱權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并且通過身份識別為其選用的GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。另外該層要有一個GIS類別庫，根據(jù)身份識別和權(quán)限系統(tǒng)對GIS庫進(jìn)行不同程度的調(diào)用。最后將經(jīng)過GIS處理后的最終的結(jié)果，放入ES系統(tǒng)中進(jìn)行專家決策，并且充實知識庫（該庫在數(shù)據(jù)源中），作出輔助決策。

4.4工作流程

首先數(shù)據(jù)倉庫從數(shù)據(jù)源中抽取整理眾多數(shù)據(jù)，然后再由數(shù)據(jù)集市將統(tǒng)和過的數(shù)據(jù)進(jìn)行對于不同行業(yè)人員的翻譯整理，分別輸入模型層，模型層中根據(jù)本文4中的數(shù)據(jù)制約關(guān)系，在帶入各個模型的時候選擇約束過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計算，并且在該層進(jìn)行OLAP分析和數(shù)據(jù)挖掘。將結(jié)果傳遞到下一層，首先在身份識別和權(quán)限系統(tǒng)授權(quán)之后選擇可用的GIS模型來結(jié)合模型層給出的數(shù)據(jù)，然后可選擇性的決定是否根據(jù)ES系統(tǒng)作出輔助決策，最終將結(jié)果傳遞到瀏覽器接口。

5.結(jié)語

水資源是最底層的自然資源，是生態(tài)環(huán)境維持的決定因素，同時又是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的經(jīng)濟(jì)資源。水資源短缺、水污染嚴(yán)重，水資源分配不均，還有洪澇災(zāi)害等等迫切需要解決的問題已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，因此開發(fā)水資源綜合管理決策支持系統(tǒng)對于我國未來發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。本文從對國內(nèi)目前SLDSS的開發(fā)現(xiàn)狀上進(jìn)行初步探究提出了一種開發(fā)方向。但是在細(xì)節(jié)上還不夠完善，比如用大量數(shù)據(jù)源的自動錄入代替人工錄入、遠(yuǎn)程GIS結(jié)果分享技術(shù)的實現(xiàn)。這些還有待進(jìn)一步的研究。完善的SLDSS系統(tǒng)開發(fā)不僅依靠水資源管理部門，還必須有防洪預(yù)警部門、林業(yè)部門、水質(zhì)監(jiān)測部門、農(nóng)業(yè)部門等眾多部門的參與，這些部門的協(xié)同工作才是SLDSS系統(tǒng)完善的保證。

參考文獻(xiàn)：

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