水利專業(yè)模型標準化元數(shù)據(jù)建模技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：不同業(yè)務(wù)類型的水利專業(yè)模型在水利工程對象類型、模型靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)邊界條件等輸入側(cè)存在差異，無法采用統(tǒng)一的構(gòu)建模式進行通用化處理，影響模型的可復用性，降低了數(shù)字孿生平臺的通用化水平。為此，提出了一種水利專業(yè)模型的建模技術(shù)，通過提取多類型專業(yè)模型在輸入側(cè)的類型、組織和格式特征，利用元數(shù)據(jù)的信息描述特性，建立針對水利專業(yè)模型建模過程的標準化元數(shù)據(jù)集，并基于元數(shù)據(jù)集設(shè)計和實現(xiàn)了通用化的建模過程接口，支撐水利專業(yè)模型的建模。該標準化元數(shù)據(jù)建模技術(shù)已成功應(yīng)用于數(shù)字孿生岳城水庫的預報、調(diào)度專業(yè)模型建模過程中，通過元數(shù)據(jù)屏蔽了模型各類輸入數(shù)據(jù)的差異，提升了建模的效率和模型的可復用性。

關(guān) 鍵 詞：水利專業(yè)模型； 元數(shù)據(jù)； 標準化； 數(shù)字孿生平臺； 岳城水庫

中圖法分類號： TV697

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.030

0 引 言

數(shù)字孿生平臺是數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生工程和數(shù)字孿生水網(wǎng)總體框架中的核心構(gòu)成［1-3］。縱向上既要為各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)賦能，又要為防洪、水資源管理與調(diào)配、綜合決策等高級應(yīng)用提供平臺支撐。橫向上，采用原生地圖引擎、游戲虛幻引擎或二次開發(fā)組件呈現(xiàn)可視化孿生場景，同時需要實現(xiàn)水利專業(yè)模型的建模功能，將原始的專業(yè)算法與對象、數(shù)據(jù)進行結(jié)合，提供可調(diào)用且可復用的模型資源。構(gòu)建水利專業(yè)模型是數(shù)字孿生流域建設(shè)的重點任務(wù)［1］，目前基于成熟的可視化軟件底層框架，可視化孿生場景建設(shè)取得了較好的成效［4-5］，但針對水利專業(yè)模型的建模，由于只有在生產(chǎn)項目的實踐中才能最大化其價值，還鮮有標準化建模的研究見諸文獻。

隨著信息技術(shù)的進步，水利專業(yè)模型建模技術(shù)也得到了較大發(fā)展。周超等構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)問題與決策流程的孿生建模平臺，有效支撐了長江流域水工程防災聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)［6］。劉昌軍等基于高性能并行計算的水文水動力學實時模擬預報技術(shù)，開發(fā)了淮河流域智慧防汛系統(tǒng)，在淮河正陽關(guān)以上流域取得了良好的應(yīng)用效果［7］。太浦河“四預”孿生系統(tǒng)通過模型平臺和可視化引擎，形成以事件為驅(qū)動的太浦河防洪及供水預報、預警、預演、預案的業(yè)務(wù)應(yīng)用，服務(wù)太浦河綜合調(diào)度需要［8］。

已有的專業(yè)模型建模方法沒有考慮對模型的算法、數(shù)據(jù)和對象進行區(qū)分和解耦，所建立的模型往往僅適用于特定水利工程對象的特定時間范圍，在實際工作中面臨重復建設(shè)的問題，建模成果也無法作為公共模型資源進行復用，不利于專業(yè)成果的積累。

不同業(yè)務(wù)類型的水利專業(yè)模型的對象類型、模型靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)邊界條件等存在差異，如何對輸入輸出進行規(guī)范化處理，是通用化建模過程的關(guān)鍵。本文引入在水利信息管理中有廣泛應(yīng)用的元數(shù)據(jù)［9-10］，將模型關(guān)聯(lián)對象、模型率定參數(shù)、模型輸入邊界、模型返回結(jié)果等數(shù)據(jù)的命名、定義、處理工具進行統(tǒng)一規(guī)定，在建模過程中嚴格遵循元數(shù)據(jù)的屬性，按照固定流程進行模型狀態(tài)校驗、數(shù)據(jù)校驗、輸入抽取和模型驅(qū)動、輸出處理等，對建模過程的數(shù)據(jù)交互進行規(guī)范，可為相應(yīng)的通用化水利專業(yè)模型提供建模過程接口。

1 水利專業(yè)模型元數(shù)據(jù)

1.1 元數(shù)據(jù)的概念及分類

元數(shù)據(jù)（metadata）又稱中介數(shù)據(jù)或中繼數(shù)據(jù)，是一種用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)［11］。元數(shù)據(jù)提供了關(guān)于數(shù)據(jù)背景、結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和意義的描述，使用元數(shù)據(jù)有利于在進行數(shù)據(jù)交換時，交互雙方對數(shù)據(jù)內(nèi)涵的準確理解和解釋。元數(shù)據(jù)的信息描述特性，可以為水利專業(yè)模型建模過程的相關(guān)數(shù)據(jù)管理、發(fā)現(xiàn)和使用提供一種通用標準界面，使模型數(shù)據(jù)的交互技術(shù)規(guī)范化成為可能。

水利專業(yè)模型建模過程主要涉及模型關(guān)聯(lián)對象、模型率定參數(shù)、模型輸入邊界、模型返回結(jié)果等數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)在建模過程中的不同作用，將數(shù)據(jù)劃分為如下幾類：全局變量、數(shù)據(jù)單位、水利工程對象、專業(yè)模型參數(shù)，并分別得到對應(yīng)類型的元數(shù)據(jù)。表1展示了水利專業(yè)模型建模的部分元數(shù)據(jù)，其中，全局變量元數(shù)據(jù)規(guī)定了建模過程的共有屬性，以枚舉的形式限制變量的取值范圍；數(shù)據(jù)單位元數(shù)據(jù)規(guī)定了水位、流量等數(shù)據(jù)的基準單位，保證建模過程中度量統(tǒng)一；水利工程對象元數(shù)據(jù)描述了各類水利工程的編碼、名稱、特征值、特征曲線等通用屬性，為建模提供水利工程對象基本信息；專業(yè)模型參數(shù)元數(shù)據(jù)描述了模型計算的邊界條件定義，是模型輸入側(cè)和輸出側(cè)的交互格式標準。

1.2 模型參數(shù)元數(shù)據(jù)集

將不同數(shù)據(jù)類型的元數(shù)據(jù)進行匯總整合，可形成包含洪水預報、防洪調(diào)度、水資源管理等多種專業(yè)模型的元數(shù)據(jù)集。在水利專業(yè)模型建模過程中，全局變量、數(shù)據(jù)單位和水利工程對象相對固定，其對應(yīng)的元數(shù)據(jù)可直接作為規(guī)范化的元數(shù)據(jù)集，而模型參數(shù)因與模型的耦合度較高，需要將專業(yè)模型的輸入?yún)?shù)格式進行細分和歸類，從中提取公共數(shù)據(jù)類型并定義為通用元數(shù)據(jù)，才能合并到元數(shù)據(jù)集。

提取隸屬于不同業(yè)務(wù)功能的模型參數(shù)元數(shù)據(jù)，以水庫調(diào)洪演算模型和一維水動力模型為例，表2展示了驅(qū)動兩個模型計算分別需要的參數(shù)，其中每種參數(shù)項有唯一編碼和對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，可按數(shù)據(jù)特性分為單數(shù)值、單字符、過程數(shù)值、對象等類型。參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)基類可對數(shù)據(jù)的取值進行限制，其中double代表實數(shù)類型，String代表字符類型，JSON代表對象類型［12］，根據(jù)數(shù)據(jù)基類衍生出對應(yīng)的數(shù)組類型?？梢钥吹?，從模型提取的參數(shù)元數(shù)據(jù)不與水利工程對象耦合，且不限制在某一研究區(qū)域，具有較好的規(guī)范性和通用性，將所有的參數(shù)項進行匯集，即得到模型參數(shù)的元數(shù)據(jù)集。

1.3 元數(shù)據(jù)的標準化方法

為支撐標準化元數(shù)據(jù)建模，需要對所提取的元數(shù)據(jù)集進行標準化命名、定義和管理。為此，本文采用基于功能描述的標準化命名，賦予每個元數(shù)據(jù)具有功能內(nèi)涵的名稱，運用增量式屬性，為元數(shù)據(jù)動態(tài)擴展定義，開發(fā)通用的處理工具，使用標準化方法進行元數(shù)據(jù)管理。

對模型元數(shù)據(jù)的命名進行標準化，有利于在建模過程中保持數(shù)據(jù)含義的一致性。本文采用分段定義的方法，按元數(shù)據(jù)所屬業(yè)務(wù)類型、對象類型、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)類型進行多段式命名，為方便使用，采用具有相關(guān)含義的簡化字符進行命名。以部分元數(shù)據(jù)為例（圖1），其中FR、RD前綴分別表示預報和調(diào)度業(yè)務(wù)類型；RR、ZQ字符分別表示水庫站和水文站對象類型；數(shù)據(jù)編碼INQ代表入庫流量、AVGINQ代表平均入庫流量、Z代表水位、Q代表天然流量；數(shù)據(jù)類型中S和P分別代表單值數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)。

在標準化元數(shù)據(jù)名稱的基礎(chǔ)上，需要為每個元數(shù)據(jù)添加屬性信息，對元數(shù)據(jù)進行詳細描述，其中屬性可根據(jù)建模需求增量式擴展。初步定義了名稱、數(shù)據(jù)基類、對象類型、數(shù)據(jù)單位和數(shù)據(jù)類型屬性，并按照元數(shù)據(jù)編碼（名稱、數(shù)據(jù)基類、對象類型、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)類型）的格式進行聚合，部分元數(shù)據(jù)的屬性示例如下所示：

（1） RD_RR_UPQBEG_S（壩上期初流量，double，水庫，m3/s，單數(shù)值）

（2） RD_RR_INQ_P（瞬時入庫過程，double［］，水庫，m3/s，過程數(shù)值）

（3） RD_RR_AVGINQ_P（平均入庫過程，double［］，水庫，m3/s，過程數(shù)值）

（4） FR_ZQ_Z_P（站點水位過程，double［］，水文站，m，過程數(shù)值）

（5） FR_ZQ_Q_P（站點流量過程，double［］，水文站，m，過程數(shù)值）

元數(shù)據(jù)作為匯總的數(shù)據(jù)描述，其屬性指定了具體的數(shù)據(jù)對象，因此元數(shù)據(jù)集也包含了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，提供模型建模的數(shù)據(jù)來源。為實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的標準化管理，需要對管理工具的功能進行統(tǒng)一定義，規(guī)定數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、查詢、更新、銷毀等各生命周期的公共方法，如圖2所示。數(shù)據(jù)對象的創(chuàng)建，首先需要從元數(shù)據(jù)集中找到對應(yīng)的元數(shù)據(jù)項，然后實例化為數(shù)據(jù)對象合并到數(shù)據(jù)對象集中，數(shù)據(jù)對象的查詢和更新統(tǒng)一從數(shù)據(jù)對象集獲取，對于不再使用的數(shù)據(jù)對象，使用統(tǒng)一的方法進行對象銷毀。

2 基于標準化元數(shù)據(jù)的建模技術(shù)研究

基于標準化元數(shù)據(jù)的水利專業(yè)模型建模，是將專業(yè)算法與水利工程對象、模型參數(shù)、邊界條件進行結(jié)合，得到可執(zhí)行的模型實例的過程。需要經(jīng)過模型運行狀態(tài)校驗、模型輸入組織、輸入數(shù)據(jù)校驗、模型驅(qū)動運行、模型輸出后處理等幾個核心環(huán)節(jié)。基于前述元數(shù)據(jù)集及其標準化方法，設(shè)計了如圖3所示的通用化建模過程，其中模型輸入輸出采用標準化元數(shù)據(jù)進行交互，通過校驗模型運行狀態(tài)，判斷模型是否可用，通過校驗模型輸入數(shù)據(jù)，判斷是否達到驅(qū)動模型運行的條件。為流程中的每個環(huán)節(jié)定義標準化接口方法，可供建模過程統(tǒng)一調(diào)用，實現(xiàn)基于標準化元數(shù)據(jù)的水利專業(yè)模型建模。

2.1 模型運行狀態(tài)校驗接口

專業(yè)模型建模中，核心算法程序的正常運行是執(zhí)行后續(xù)建模過程的重要前提，對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)聽，對于狀態(tài)異常的算法程序及時反饋，本文采用主流的周期性定時心跳技術(shù)［13］，定義一種標準化的模型運行狀態(tài)校驗接口，實現(xiàn)實時的狀態(tài)校驗。

模型狀態(tài)校驗流程如圖4所示，其中周期定時器會按照固定的頻率發(fā)送狀態(tài)查詢請求，通過接收到的返回信息更新運行狀態(tài)。由于心跳請求頻率比較高，將算法程序中的心跳維持接口與模型核心算法進行拆分，心跳維持接口負責對狀態(tài)查詢請求進行快速響應(yīng)，模型核心算法只有在模型驅(qū)動時才會執(zhí)行。

2.2 模型輸入數(shù)據(jù)抽取技術(shù)

對于通過模型運行狀態(tài)校驗的算法程序，需要抽取模型的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)每個模型需求的輸入數(shù)據(jù)項，采用統(tǒng)一定義的元數(shù)據(jù)管理方法，在模型元數(shù)據(jù)集中查詢對應(yīng)的元數(shù)據(jù)，并獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象?；谠獢?shù)據(jù)的處理技術(shù)，隨著集成的模型數(shù)量不斷增加，可以形成通用化的元數(shù)據(jù)集合，不同業(yè)務(wù)功能的專業(yè)模型采用同一組元數(shù)據(jù)，為模型的復用提供數(shù)據(jù)層面的統(tǒng)一機制。

基于元數(shù)據(jù)的模型輸入數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程如圖5所示。由模型核心算法確定水利工程對象類型、參數(shù)類型、邊界數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)基類等詳細需求，并找到符合數(shù)據(jù)特征的元數(shù)據(jù)項，通過元數(shù)據(jù)自動抽取實際數(shù)據(jù)并按需求進行組織，得到模型輸入數(shù)據(jù)實例。

2.3 模型輸入數(shù)據(jù)校驗與模型驅(qū)動

得到模型輸入數(shù)據(jù)實例后，為保證模型能夠正確驅(qū)動，需要依次對數(shù)據(jù)實例的存在性、類型、長度和異常值進行檢查，只有所有檢查都通過，才能達到模型驅(qū)動的條件，執(zhí)行后續(xù)驅(qū)動流程。模型輸入數(shù)據(jù)校驗與模型驅(qū)動流程如圖6所示，模型的輸入是數(shù)據(jù)校驗的需求來源，元數(shù)據(jù)集中的屬性定義是數(shù)據(jù)校驗的依據(jù)。

輸入數(shù)據(jù)校驗的第1步是存在性檢查，將模型的輸入需求和已經(jīng)抽取的數(shù)據(jù)對象集合進行對比，如果缺少數(shù)據(jù)項則校驗失敗，如果所有的的輸入需求都能找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象，則進入下一校驗環(huán)節(jié)。第2步是類型檢查，根據(jù)元數(shù)據(jù)中定義的業(yè)務(wù)類型、對象類型和數(shù)據(jù)類型，檢查數(shù)據(jù)對象中相應(yīng)位置是否匹配，例如對于入庫流量數(shù)據(jù)，其元數(shù)據(jù)屬性為“入庫過程，double［］，水庫，m3/s，過程數(shù)值”，需要檢查數(shù)據(jù)是否為過程數(shù)據(jù)，是否為實數(shù)數(shù)組，是否從水庫對象抽取，任意一項檢查不通過則校驗失敗。第3步是長度檢查，檢查單值數(shù)據(jù)長度是否為1，對于有時間屬性的數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)長度是否一致。第四步是異常值檢查，對每種類型的數(shù)據(jù)，判斷是否處在非常規(guī)的取值范圍，對于過程數(shù)據(jù)還需要判斷是否出現(xiàn)突變點。

輸入數(shù)據(jù)校驗的所有環(huán)節(jié)都通過之后，則認為當前抽取的數(shù)據(jù)對象足以支撐算法運行，將所有的數(shù)據(jù)對象按模型數(shù)據(jù)需求進行匯集和傳遞，進而驅(qū)動模型運行并獲取模型結(jié)果。

2.4 模型輸出后處理

驅(qū)動模型運行后，為保證模型輸出的規(guī)范性，需要對模型返回的計算結(jié)果進行校驗和處理，采用與模型輸入相同的處理技術(shù)，根據(jù)元數(shù)據(jù)集中的屬性定義進行數(shù)據(jù)對象的校驗，將通過所有校驗環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)作為模型的最終返回結(jié)果，為建模過程提供標準的結(jié)果獲取接口。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例

岳城水庫位于河北省邯鄲市磁縣與河南省安陽市殷都區(qū)交界處，是海河流域漳衛(wèi)河水系漳河上的控制工程，控制流域面積18 100 km2，占漳河流域面積的99.4%，總庫容13億m3。為響應(yīng)加快推進智慧水利信息化建設(shè)的號召，數(shù)字孿生岳城水庫運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建立和完善感知體系、智慧大腦體系、智慧業(yè)務(wù)平臺、數(shù)字孿生平臺，以四預（預報、預警、預演、預案）為手段，提升水旱災害防御能力。

在防洪業(yè)務(wù)的構(gòu)建過程中，首先利用河北雨洪模型或新安江三水源模型進行水文預報產(chǎn)匯流計算。然后基于岳城水庫調(diào)度規(guī)程進行防洪調(diào)度規(guī)則模型求解，在保證水庫安全前提下，調(diào)用相應(yīng)目標（如最大下泄流量最小化、最高水位最低化、防洪庫容耗用最小化、最小成災歷時等）的優(yōu)化調(diào)度模型，支撐預報調(diào)度業(yè)務(wù)功能。通過匯集和梳理業(yè)務(wù)流程調(diào)用涉及的所有數(shù)據(jù)對象，利用建模元數(shù)據(jù)的標準命名方法和屬性定義規(guī)范，得到如表3所示的防洪業(yè)務(wù)模型建模元數(shù)據(jù)集。不同的專業(yè)模型可按照建模需求從中抽取對應(yīng)的元數(shù)據(jù)，建模過程有據(jù)可循，建模成果在預報、調(diào)度等不同功能模塊中得到重復使用。

通過專業(yè)模型的標準化建模，利用統(tǒng)一的建模過程接口，實現(xiàn)了專業(yè)核心算法、水利工程對象和模型輸入?yún)?shù)的標準化集成，搭建了如圖7所示的預報調(diào)度功能模塊，其中每個模型的調(diào)用都經(jīng)過狀態(tài)校驗、輸入數(shù)據(jù)抽取、算法驅(qū)動、輸出結(jié)果匯集等公共環(huán)節(jié)。該套系統(tǒng)支撐了岳城水庫的實際管理工作，提升了主管部門在日常管理工作中的業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化水平，相比傳統(tǒng)手段建設(shè)的水利信息系統(tǒng)，在建模過程規(guī)范性和建模成果通用性上得到了較大提升。

4 結(jié) 語

本文主要提出了一種水利專業(yè)模型的標準化元數(shù)據(jù)建模技術(shù)，利用元數(shù)據(jù)對模型關(guān)聯(lián)對象、模型率定參數(shù)、模型輸入邊界、模型返回結(jié)果進行規(guī)范化命名、定義和處理，在建模過程中遵循元數(shù)據(jù)的定義實現(xiàn)各建模環(huán)節(jié)，并據(jù)此提供了一套包含模型狀態(tài)校驗、模型輸入輸出校驗、模型驅(qū)動等的標準化建模過程接口，為水利專業(yè)模型核心算法的通用化開發(fā)和集成，提供了一種可遵循的建模規(guī)范。

該建模方法已應(yīng)用在數(shù)字孿生岳城水庫項目中，提升了整體建模效率，實現(xiàn)了建模成果在多個業(yè)務(wù)模塊中的重復利用。未來，將進一步分析和提取不同業(yè)務(wù)類型的水利專業(yè)模型數(shù)據(jù)交互需求，提升公共元數(shù)據(jù)集的通用性和實用性，為數(shù)字孿生平臺的構(gòu)建提供一種建模規(guī)范的參考。

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（編輯：黃文晉）

Research and application of standardized metadata modeling technology for water conservancy professional models

FENG Kuaile，JI Zhenyu，TANG Haihua，HUANG Liyao，DING Xiaoling

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Due to the differences in the inputs of different business types of water conservancy professional models in terms of water conservancy engineering object types，model static parameters，dynamic boundary conditions，etc.，it is not possible to adopt a unified construction mode for generalization，which greatly affects the re-usability of the model and reduces the level of generalization of the digital twin platform.In this paper，we propose a modeling technique for water conservancy professional models，by extracting the type，organization，and format characteristics of multi-type professional models on the input side，and utilizing the information description characteristics of metadata，we establish a standardized metadata set for the modeling process of water conservancy professional models.Further，we design and realize a generalized modeling process interface based on the metadata set，which can support the modeling of water conservancy professional models.The standardized metadata modeling technology proposed in this paper was successfully applied to the modeling process of the forecasting and dispatching professional model of the Digital Twin Yuecheng Reservoir，and the metadata avoided the differences between various types of input data of the model，which improved the efficiency of modeling and the reusability of the model.

Key words：

water conservancy professional model； metadata； standardization； digital twin platform； Yuecheng Reservoir