數字水網可視化表達及其與業務融合應用

于 翔，解建倉，姜仁貴，梁驥超，張 璇，孫小梅

(西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

隨著云計算、物聯網、大數據、人工智能、移動互聯網、虛擬現實等新一代信息技術的發展以及智慧城市建設，各行各業對“智慧”的理念認知逐漸加強，分別提出了智慧電網、智慧交通、智慧醫療等概念[1-4]。5G、無人駕駛汽車、智能電網運行調度代表著通信網、能源網、交通網3種基礎網絡正逐步實現智慧化[5-7]。但水網作為基礎網絡中重要的一部分,智慧化程度并不高。目前全國各地都已逐步開展智慧水網的建設[8-10]，如北京、上海建設的“水務聯網”，通過物聯網技術與水務管理業務相結合構建前端監測平臺，支撐水環境治理和水資源管理等工作[11-12]；山西省的“大水網”建設，主要以水域連通為基礎建設輸配水管道和控制節點來實現水量調配，實現了自動化控制，但是與水利業務結合不夠緊密[13]；江蘇無錫在太湖治理過程中提出“感知太湖”，構建了太湖智慧水網的決策系統，實現太湖及周邊的污染防治、水量調配、防汛抗旱等業務管理[14]；山東省以流域內的河湖連通、供排蓄泄為目標，構建了集防洪、供水、生態等多功能水網于一體的現代化水網，來實現區域水資源統一調配[15-16]。目前智慧水網的建設大多數以工程建設為主，實現了工程控制的自動化，并且以“水利一張圖”模式為基礎實現了信息服務，但是并不能發揮出智慧水網的業務應用價值。為了實現智慧水網的可視化，本文借鑒國內不同地區智慧水網建設與實踐的經驗，將實體水網的對象和過程數字化，通過數字水網的可視化表達及業務融合應用，為智慧水網的發展提供新的思路與解決方案。

1 數字水網的可視化表達

數字水網依托實體水網，包括江河湖庫水網、水文氣象站網、供排水管網、水利工程設施網等，針對不同主題分類分層，用二維和三維GIS、拓撲關系圖、工藝流程圖將實體水網的對象和過程數字化，在不同應用場景下組合服務，并與相關主題關聯后滿足業務服務需求。本文將數字水網劃分為空間數據水網、拓撲關系水網和工藝流程水網3種表現形式。

1.1 空間數據水網

空間數據水網是基于實體水網的空間特征和屬性特征的數字描述，以遙感數據、地形數據、基礎要素矢量數據以及水利普查的多種地理空間數據為基礎，通過計算機網絡系統將所有與地理信息和水利業務相關的信息資源進行跨部門的交換，按照統一標準對地理空間數據進行處理后存儲于空間數據庫中，并面向不同主題進行數據集成、組織與管理，最終將二維GIS和三維GIS技術融合來構建可視化的空間數據水網。空間數據水網的可視化表達如圖1所示，將京津冀地區多種地理空間數據矢量化與數字化后，以二維和三維GIS來呈現實體水網的空間特征和屬性特征。

圖1 空間數據水網的可視化Fig.1 Visualization of spatial data water network

1.2 拓撲關系水網

拓撲關系水網是采用知識圖譜技術[17]將業務的相關關系和邏輯關系數字化，并將管理單元的過程邏輯和對象進行拓撲化，以圖元的方式用拓撲圖對復雜業務可視化、對經驗和知識描述形式化，用知識圖譜來表達業務應用的抽象關系與過程。在平臺中將復雜業務按不同主題分類分層后，以問題為導向通過流程化對業務進行梳理，而且拓撲關系水網和空間數據水網、工藝流程水網相互關聯，從而實現宏觀形式上水網的管理應用。拓撲關系水網的可視化表達如圖2所示，將河流水系、湖泊、水庫通過圖元方式進行拓撲化，以可視化形式來表達之間的相互關系，進一步與水利業務相關聯。

圖2 拓撲關系水網的可視化Fig.2 Visualization of topological water network

1.3 工藝流程水網

工藝流程水網采用知識圖譜技術將用水的工藝及原理進行流程化描述，并將用水工藝及原理中的各個環節進行概化，提取主要節點并建立可視化圖元庫，用知識圖譜來可視化的表達用水工藝的原理及過程，而且工藝流程水網和空間數據水網、拓撲關系水網相互關聯，從而實現了微觀形式上水網的管理應用。工藝流程水網的可視化表達如圖3所示，將海水淡化的原理通過圖元和知識圖譜以可視化形式來呈現處理的工藝與流程，進一步與具體業務相關聯。

圖3 工藝流程水網的可視化Fig.3 Visualization of water network in process flow

2 可視化業務環境搭建

采用3S集成技術、知識圖與組件技術，基于綜合集成平臺搭建數字水網可視化的業務環境。3S集成技術實現對各種地理空間信息的快速采集、處理、管理、分析與應用。通過空間數據水網的發布與調用，實現地理空間信息與水利信息融合與應用。知識圖是以圖表方式來管理知識和經驗，通過知識圖的繪制來描述水利業務的流程、邏輯以及模型計算的過程；組件是對模型計算方法的封裝，使用組件可以實現快速編程與處理；知識圖與組件技術是實現水利業務化的核心，使得計算的過程與結果可視、可用、可信。基于綜合集成支持平臺，通過知識圖的繪制表達水利業務流程關系，以組件的開發和定制來實現具體業務功能，平臺可以靈活地搭建業務，為用戶提供個性化服務，從而為數字水網的可視化業務環境提供基礎技術支撐與保障[18-22]。

2.1 空間數據水網發布與調用

通過收集研究區域的遙感數據、地形數據、矢量數據等地理空間數據，并對其進行融合、裁剪、投影、分級處理；然后將處理后的空間數據存儲到地理云服務器中，以XML、GML文件配置各圖層的樣式，并通過Geoserver地理服務器進行數據的管理與發布[23]；最后二維和三維GIS通過Web Map Service(WMS)、Web Feature Service(WFS)、Web Map Tiles Service(WMTS)網絡服務接口調用與讀取，空間數據水網的發布與調用流程如圖4所示。將研究區內的水庫、湖泊、行政區劃、水利工程等實體水網的地理空間數據進行處理與發布，綜合集成平臺定制二維、三維GIS組件，將江河湖庫的位置及連通關系進行可視化呈現。根據用戶實際需求來調用所需的水網，便可快速搭建形成符合業務需求的空間數據水網，并且在空間數據水網上添加相關業務組件進行決策分析。

圖4 空間數據水網發布與調用流程Fig.4 Publishing and calling flow of spatial data water network

2.2 知識圖的定制與繪制

拓撲關系和工藝流程水網采用知識圖將其相互關系、邏輯關系進行抽象與概化，將管理的對象實體進行邏輯化與拓撲化，以圖元的形式將復雜業務進行可視化和知識化的描述。在綜合集成平臺中，以問題為導向，通過對業務的需求和流程進行梳理并劃分不同主題，對于不同的主題定制和繪制新的知識圖，通過流程和節點的概化將業務梳理成流程化可執行的程序，將宏觀和微觀層面上的業務邏輯關系以及工藝流程關系進行數字化呈現，而且可以快速修改，實現業務動態化響應，為水利個性化服務提供支持[24]。以知識圖的定制與繪制來描述拓撲關系水網與工藝流程水網的搭建過程，如圖5所示。在用知識圖來描述拓撲關系和工藝流程時，首先定制新的知識圖，通過節點創建與組件綁定來實現計算流程的可視化；同時知識圖是互相嵌套的，用來體現業務之間的聯系[25]。

圖5 知識圖定制與繪制Fig.5 Customization and drawing of knowledge map

2.3 業務組件開發應用

組件技術實現了軟件復用性，提高系統開發效率，采用組件技術和工作流技術來實現業務計算及決策服務等功能。組件開發是通過編程將計算模型和方法實現后打包上傳，然后通過定制不同的計算服務組件與知識圖中的節點綁定后進行應用[26]。組件開發應用過程主要包括4個步驟：模塊劃分、組件封裝、組件搭建、組件應用。

a. 模塊劃分。根據水利業務具體需求劃分不同的模塊，一般按照模型計算過程進行劃分，其中每個模塊可以獨立完成運算過程，也可以按照模型的邏輯結構來劃分。

b. 組件封裝。運用Web Service技術、面向SOA架構將劃分好的模塊進行封裝，組件開發遵循一定的約束與標準。組件封裝后包含輸入和輸出兩個接口，輸入接口主要控制參數和數據的流入，通過組件計算后在輸出接口輸出計算結果。

c. 組件搭建。封裝后的組件存入組件庫中，用戶從組件庫中定制新的組件來搭建業務系統，其中一個模型可能會需要一個或多個組件進行組合來搭建，從而實現了組件的復用性和可移植性。

d. 組件應用。通過知識圖繪制構建可視化的拓撲關系與工藝流程的水網，其業務流程以可視化圖元表達，將知識圖中的各節點與業務組件相互綁定，從而建立事件監聽機制。在水網進行交互操作時，接收其事件源并通過組件調用其業務所需的相關數據，從而實現組件的業務應用。

3 實例應用

依托國家重點研發計劃項目“京津冀水資源安全保障技術研發集成與示范應用”，采用3S集成技術、知識圖與組件技術研發了基于數字水網的京津冀綜合調控平臺，構建京津冀可視化數字水網，以信息化的手段來解決京津冀地區水資源安全保障問題[27]。根據收集京津冀地區的基礎地理數據、遙感數據、DEM數據、水文氣象數據、水質數據，按不同主題將水網分類分層，如按省、市、縣行政區劃劃分；按工業、農業、生活、生態用水劃分；按保護區、緩沖區、開發利用區和保留區4類水功能區劃分；按再生水、微咸水、雨洪水、海水淡化的非常規水資源劃分不同的數字水網。下面以京津冀水功能區考核管理為實例來說明數字水網如何與具體業務融合應用。

根據水資源管理中“三條紅線”[28-29]之一“水功能區限制納污能力紅線”的要求與目標，在京津冀地區數字水網搭建的基礎之上，對京津冀地區水功能區進行可視化表達，通過水功能區納污能力計算對其進行考核管理。水功能區納污能力計算與考核管理系統主界面如圖6所示。圖6中包括兩種可視化的數字水網，左邊是在二維GIS上呈現的空間數據水網，更加直觀地表現水功能區的地理位置等信息；右邊是將河流和水功能區概化的拓撲關系水網，從拓撲水網中能清楚地了解水系連通的關系。系統主要包括監測信息、分析計算、考核管理等功能。監測信息是對各水功能區在不同時間段內的水質信息(水溫、pH、COD、BOD等)和各斷面水量信息(水位、流量、降水量、蒸發量等)、排污量進行查詢展示。水功能區分析計算與考核結果展示界面如圖7所示，圖7左邊為排污量和納污能力計算結果展示，根據監測信息對水功能區納污能力進行分析計算，在選取污染物類型、計算模型、時間、設計保證率后，計算每種模型對應的納污能力，為水功能區污染治理提供多種決策方案。圖7右邊為各水功能區斷面的評價結果及最終行政區的考核結果展示，以水功能區斷面所監測的水質信息為基礎，調用水質信息對比分析其超標項目與超標量，統計其水質不達標次數，并根據各水功能區的考核達標數、達標率及控制目標來評價行政區的最終考核結果。

圖6 水功能區納污能力計算與考核管理主界面Fig.6 Main interface for calculation, assessment and management of carrying capacity of water function area

圖7 水功能區分析計算與考核結果展示界面Fig.7 Interface for analysis, calculation and examination of water function area

實例應用結果表明，基于可視化數字水網的水功能區考核管理業務應用系統可以實現水功能區納污能力的動態計算，而且以知識圖、組件搭建而成的可視化數字水網具有很強的移植性和擴展性，為水功能區考核管理及水生態問題提供可視化的決策支持。

4 結 語

本文依托實體水網，采用二維和三維GIS、拓撲關系圖及工藝流程圖將實體水網的對象和過程數字化，搭建空間數據水網、拓撲關系水網和工藝流程水網3種可視化的數字水網。通過3S集成技術、知識圖與組件技術，基于綜合集成平臺來構建數字水網可視化的業務環境，并在京津冀地區進行應用，在可視化數字水網基礎上，實現了京津冀水功能區納污能力計算與考核管理，為京津冀地區水資源的高效利用與管理提供決策支持。這種基于可視化的數字水網為智慧水網的發展提供了新的思路與解決方案。