國內水利決策支持系統SLDSS開發與應用的現狀研究

苗俊嶺

【摘要】進入21世紀以后，關于決策支持系統的研究大幅度加快，而國內的各項水利項目依次開發出各種基于不同技術上的決策支持系統，這些水利決策支持系統（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紛雜不同，但是有必要對各項SLDSS的子系統做一個統和整理以便于系統開發者和部門領導能更好的整合理解各個系統中的數據關系，和整個SLDSS的系統框架。

【關鍵詞】水利 決策支持系統 SLDSS GIS

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

1.背景

1.1 決策支持系統應用于水利工程的由來

早在1947年英國就有了SLDSS的雛形，當時在英國成立的HR Wallingford是英國客工部的政府水利研究機構。1982年HR Wallingford 從環境部私有化，1987年成為了軟件有限公司，致力于為水工業開發世界領先的軟件工具。并于2003年初打入中國市場。此后中國的水利決策支持系統進入了快速發展階段。

1.2 SLDSS簡介

由于水利的包含內容較廣所以SLDSS的內容也較繁多，包括水資源實施調控、水資源灌溉、洪水預報和防洪調度、水與生態管理、水質調節、船閘運營等各項內容，雖然各項子系統之間的聯系緊密，但由于各自的模型選用有極大差別，影響因素也難以統和，故而子系統的開發應用極為不平衡，其中防洪系統是SLDSS整個系統的核心，其開發也趨近于完善，這其中以黃河小浪底以下河段的防洪系統為代表，而水資源灌溉和水質調節也有很多完善實例，而水生態管理的開發最為緩慢，現停留在理論分析和嘗試階段，還沒有完善的代表系統出現。

2.子系統概述

2.1防洪預報和防洪調度

該模塊是SLDSS中開發最完善的模塊，主要用于實現防洪預警，水位調控。輔助功能有水災模擬和風險分析。這里介紹兩種基于最新技術的防洪系統。

2.1.1工作流程基于事例推理CBR方法的防洪系統

通過檢索相似事例來輔助決策。系統結構由人機系統、調度事例庫系統、知識庫系統、推理系統、模型庫系統、多庫協同器組成。其系統的關鍵是事例檢索模型的構建，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基于數據倉庫和OLAP技術的防洪系統

該系統原型是“多數據庫+數據倉庫+OLAP+數據挖掘+結果展示”的分析模型系統，在此基礎上進行優化又加入了數據集市，進一步提高了數據的利用程度。此系統的運用更加靈活，可以配合GIS進行洪險預測和模擬。

2.2水資源灌溉與資源優化配置

關于灌溉決策系統其實是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其他子系統的因素相對較少，這是由于雖然環境復雜，但是特定的地區環境不同，所以一般都會單獨根據自身情況去設計自己的灌溉決策系統以實現水資源的優化配置。例如青獅潭灌區灌溉決策支持系統，還有霍泉灌區灌溉用水決策支持系統。不過雖然其種類較多，但是總結起來其模型構建確實大同小異，根據其影響原因的偏重點不同大致可以分為從節水方面考慮和從客觀環境考慮兩種類型。

2.3水生態管理與水質調節

20世紀70年代起，國際上開始研究環境決策支持系統，即（EDSS），21世紀后隨著地理信息系統（GIS）的迅速發展，GIS在EDSS構建中發揮了也來越重要的作用，而最新的水生態綜合調控決策支持系統其實就是由早期的EDSS結合近年發展起來的GIS系統，而完成的一種綜合性的生態環境決策系統。

2.3.1水生態管理

該系統主要功能包括：水生態安全預警和應急、水量調控、污染物控制、淀區凈化、綜合調控、查詢知識庫。目前國內該類系統在水文過程的模擬方面還不完善，并且由于水生態環境決策影響因素復雜繁多，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綜合調控決策支持系統，柴達木盆地水資源決策支持系統。

2.3.2水質調節

現今國內的水質調節決策支持系統多是為水質預警和飲水安全評價構建的，因為地理信息不同，預測目的不同，所以設計出的系統模型相差非常大。例如一些模型僅僅將NH4和COD（化學需氧量）濃度作為水質評價標準，還有一些則以EFDC-WASP為核心模型。由于模型不同，所以水質調節決策系統的構架也有很大區別。

3.各模塊的核心技術群

3.1 GIS（地理信息系統）

地理信息系統是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供管理、決策等所需信息的技術系統。簡單的說，GIS是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術系統，是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據儲存和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術。

SLDSS系統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式集成、半緊密內嵌式集成和緊密內嵌式集成三種方式。 如今已經在很多系統中實現了外聯式和半緊密式內嵌集成。而緊密內嵌式集成實現較為困難，目前還需進一步研究。

3.2層次化設計技術

由于在SLDSS中系統，各子系統模塊之間、子系統內部模塊之間的聯系非常緊密，所以需要很好的安全保障機制，目前可以采用層次化設計技術使各數據層具有數據隔離和類似于防火墻的效果。

3.3 ES系統

專家系統（Expert System，ES）的概念是基于這樣的一種假設：專家們的知識——即解決問題的方法與方式，可被保存和習得，它可被保存放在計算機設備中，并可被別人需要時使用。之所以這種系統在SLDSS中如此重要是應為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洪，還是灌溉決策亦或是水生態調節，在系統輔助決策之后往往也不能在決策者群體中達成定論。此時ES系統將能對于SLDSS的輔助決策結果進一步推理，完善決策，這樣才能使決策結果更讓人放心。endprint

4.SLDSS系統設計

大多數的DSS系統都是由三大部分組成，即數據庫系統，模型庫系統，人機交互系統。但是SLDSS系統和普通的DSS系統由于在功能定位上的不同，在每層結構的細節設計上還是有極大差別的。

4.1 SLDSS設計特點

首先SLDSS是一個DSS系統集團的概念。并非單只應用于某個組織內部的單獨系統，例如單獨的防洪預洪系統決策系統只是SLDSS系統的一部分，雖然其本身也是完整的DSS系統。所以SLDSS設計中關鍵要解決的就是多個DSS系統數據的共享，并將其賦予適當的權重，綜合各方面的數據來源作出決策。

而且由于多個子模塊之間的數據經常會有重復的決定項，例如在灌溉決策系統和防洪預洪系統中的數據關鍵項中都有汛期水位這個數據項，季度降雨量這些數據項，那么單獨作業的DSS系統是否可以不必重復的向各自的數據庫錄入相同的數據呢？完善的SLDSS即是為了解決這類重復作業而產生的系統。

4.2系統設計方向與實現目標

系統設計的目標有有四個，分別是：（1）通過類似集成化的設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的仿真方案能為水務機構提供長期決策支持服務。（3）將多個DSS系統通過關鍵數據項連接來提高系統可靠性。（4）實現對多個DSS系統交互的數據精簡。

4.3設計詳情

由于SLDSS可以看做是多個DSS的整合，所以這里就按照DSS的系統結構來詳細說明。

4.3.1數據層設計

數據層主要包括三個方面：（1）數據源的數據收集，包括各個子系統所有需要的無重復數據項，將水利基礎信息歸納為：水文數據、供水數據、氣象數據、工情數據、社會經濟數據等等，每一類的數據都可來源于不同的數據庫。（2）數據倉庫：數據倉庫是集成的，數據倉庫的數據有來自于分散的操作型數據源，將所需數據從原來的數據中抽取出來，進行加工與集成，統一與綜合之后才能進入數據倉庫。（3）數據集市（重要）：簡單的來說數據集市就是一個從操作的數據和其他的為某個特殊的專業人員團體服務的數據源中收集數據的倉庫。這里加入數據集市是應為SLDSS面向的是同一領域的不同行業的人群，在數據交換上難免會出現交流障礙，所以必須加入數據集市。

4.3.2 模型層設計

SLDSS的模型層和傳統的DSS模型層沒有較大差別，在OLAP模塊和和數據挖掘模塊只需要結合自身需求特點設計即可。但是由于不同地域和環境的學者對于洪水、灌溉、水生態環境決策的標準不同，數學模型的建立常常有很大差異，故而在導入數學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用戶需要調用。例如同樣是灌溉決策系統，在曾芳芳的《水庫灌區管理決策支持系統的研究與開發》中提及灌區模型應該包括“灌溉配水子模型，排澇子模型，灌區農作物優化種植比自模型和灌區抗旱預報子模型”。而在張洋，韓文霆《作物灌水量決策支持系統開發》一文中則提到灌溉模型是由蒸騰蒸發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劣，所以將同領域的不同問題模型集成進SLDSS的模型層的數學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分大類的話可以分成防洪預洪模型、灌溉決策模型、水資源優化模型、水質管理模型、水庫船閘水閘管理模型五個大類。

4.3.3 人機交互層

該層不能像通常的DSS一樣只是分為客戶端瀏覽器和GIS系統兩個部分。因為完整的SLDSS面向的對象是不同組織，不同專業的人員，故而GIS系統的輸出結果面向的是更廣的人群。要達到這樣的要求需要統一或者分類。而如果進行一個統一的標準化，將使系統的普及難度加大，故而這里選擇用權限分類和身份識別相結合，輔助集成多類GIS系統。

詳細的來說，首先將對用戶進行分類，并設置行業身份識別系統，并附加上對應行業的GIS輔助系統，其次將同一行業的用戶分為管理層和客戶層以此來確保系統數據的安全性和真實性。最后管理層中除了可以統一設置的系統管理員、模型管理員、數據管理員可依據不同子系統劃分更詳細的管理員類別，例如水資源優化系統的管理層就可單獨設立水質監測管理員，生態環境監測員。這樣詳細的劃分是為了使不同行業的人不能輕易的修改單項的數據。以通過系統的上下核對確保所有數據的安全，避免大范圍的混亂。用戶層則只能查閱權限范圍內的數據，并且通過身份識別為其選用的GIS進行數據的處理。另外該層要有一個GIS類別庫，根據身份識別和權限系統對GIS庫進行不同程度的調用。最后將經過GIS處理后的最終的結果，放入ES系統中進行專家決策，并且充實知識庫（該庫在數據源中），作出輔助決策。

4.4工作流程

首先數據倉庫從數據源中抽取整理眾多數據，然后再由數據集市將統和過的數據進行對于不同行業人員的翻譯整理，分別輸入模型層，模型層中根據本文4中的數據制約關系，在帶入各個模型的時候選擇約束過后的數據進行數學模型計算，并且在該層進行OLAP分析和數據挖掘。將結果傳遞到下一層，首先在身份識別和權限系統授權之后選擇可用的GIS模型來結合模型層給出的數據，然后可選擇性的決定是否根據ES系統作出輔助決策，最終將結果傳遞到瀏覽器接口。

5.結語

水資源是最底層的自然資源，是生態環境維持的決定因素，同時又是可持續發展戰略的經濟資源。水資源短缺、水污染嚴重，水資源分配不均，還有洪澇災害等等迫切需要解決的問題已經成為我國可持續發展的重要制約因素，因此開發水資源綜合管理決策支持系統對于我國未來發展有著重要的現實意義。本文從對國內目前SLDSS的開發現狀上進行初步探究提出了一種開發方向。但是在細節上還不夠完善，比如用大量數據源的自動錄入代替人工錄入、遠程GIS結果分享技術的實現。這些還有待進一步的研究。完善的SLDSS系統開發不僅依靠水資源管理部門，還必須有防洪預警部門、林業部門、水質監測部門、農業部門等眾多部門的參與，這些部門的協同工作才是SLDSS系統完善的保證。

參考文獻：

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[2]郭羽，賈海峰.水污染預警 DSS系統框架下的白河水質預警模型研究，環境科學31卷12期：2865-2867endprint