基于網絡的決策支持系統在水資源管理中的應用

仇鈺婷 陳華偉 吳振 李福林

摘 要：綜述了決策支持系統（DSS）與基于網絡的決策支持系統（Web-basedDSS）在水資源管理中的應用概況，通過對二者進行比較，指出Web-basedDSS具有便于系統更新維護、降低用戶使用門檻、擴展用戶溝通渠道等優勢。對Web-basedDSS涉及的基礎應用開發、多源信息采集與集成、多模塊并行耦合、決策效果評估等關鍵技術進行了分析，探討了Web-basedDSS在多源異構大數據環境下面臨的問題與挑戰。

關鍵詞：決策支持系統；基于網絡的決策支持系統；智慧水利；水資源管理

中圖分類號：TP315；TV213.4 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.032

引用格式：仇鈺婷，陳華偉，吳振，等.基于網絡的決策支持系統在水資源管理中的應用[J].人民黃河，2022，44（1）：155-158.

ApplicationofWeb BasedDecisionSupportSysteminWaterResourcesManagement

QIUYuting，CHENHuawei，WUZhen，LIFulin

（WaterResourcesResearchInstituteofShandongProvince，Jinan250013，China）

Abstract：TheapplicationsofDecisionSupportSystem（DSS）andWeb basedDecisionSupportSystem（Web basedDSS）inwaterre sourcesmanagementweresummarized.Throughanalysisandcomparison，itpointedoutthatWeb basedDSShadmoreadvantagessuchasfa cilitatingsystemupdateandmaintenance，loweringuserthresholdsandexpandingusercommunicationchannels.Thekeytechnologiesof Web basedDSSwereanalyzedintheaspectsoffundamentalapplicationdevelopment，multi informationcollectionandintegration，multi moduleparallelcouplingandevaluationofdecisioneffects.Moreover，italsodiscussedtheissuesandchallengesfacedbyWeb basedDSSin amulti sourceheterogeneousbigdataenvironment.

Keywords：DSS；Web basedDSS；intelligentwaterconservancy；waterresourcesmanagement

1 引 言

隨著人類活動對水資源影響的不斷深入，水資源管理不僅涉及水文學問題，而且涉及經濟、社會、大氣、生態以及政治等多學科交叉問題。為此，跨行業、跨區域甚至跨國界的合作需求愈發迫切，建立多樣化的科技信息平臺以擴展信息共享渠道勢在必行。奧地利科學家Fedra[1]首先將DSS的思想引入水資源管理中，該系統的核心是通過水文學家建立的物理模型或經驗模型對水資源管理的決策問題進行定量表達，決策者可以科學把握決策過程，提高決策效能[2]。20世紀80年代后期，DSS的思想、方法和技術逐漸在我國發展起來[3]，有關學者相繼開發了京津唐水資源規劃決策支持系統[4]、柴達木盆地水資源決策支持系統[5]、沿海圍墾區水資源決策支持系統[6]等。然而傳統DSS存在封閉性強、經濟成本高、水資源管理效率低、操作復雜、缺乏普適性等缺點，縱觀近35a來DSS的發展趨勢可知，已開發的DSS不計其數，但在水資源管理中廣泛應用的屈指可數。

現如今互聯網技術處于快速發展階段，云計算、物聯網、5G網絡等新一代信息技術對水利行業的影響正在不斷深化，傳統水利向現代智能化水利轉型已是必然趨勢。當前國家信息化發展戰略和治水方略做出了重大調整，“十三五”規劃對水利信息化建設提出了新要求，即推動信息化與水利現代化深度融合，打造泛在感知能力、資源集約化服務能力、創新應用能力，建設“智慧水利”。與此同時出現了Web-basedDSS，該系統既發揮了DSS以模型計算為核心的解決定量分析問題的特點，又提供了用戶在線溝通平臺，實現了多部門的信息共享與協同管理，為水資源管理決策提供了技術支撐。

筆者通過對比DSS與Web-basedDSS，概述了Web-basedDSS的優勢與關鍵技術，分析了其在大數據時代所面臨的新需求與新挑戰，并對未來Web-based為滿足這些新需求的發展方向進行了展望。

2 Web-basedDSS的優勢與在水資源管理中的應用

Web-basedDSS主要具有以下優勢：①簡化了客戶端，易于系統更新維護。Web-basedDSS中的服務器端通過傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）與計算機客戶端建立網絡連接，系統的所有功能均部署于服務端，便于直接對系統及后臺數據進行更新與維護。②降低了用戶使用門檻，提供了靈活的通信方式。Web-based意味著全部應用均采用Web技術實現，管理者或利益相關者僅通過操作網站頁面就可以獲取決策支持信息或決策支持工具。這種無障礙、全景式的信息流動渠道擴大了公共參與決策過程的地域邊界，世界各地的用戶可以隨時隨地進行線上交流與信息共享，降低了頻繁召開線下會議帶來的人力與財力成本。③架起了多部門統一溝通水資源管理問題的橋梁。由于Web-basedDSS操作簡易，管理者在使用過程中能夠自主分析模型結果，做出科學合理的決策，技術人員也能更加深入了解水資源管理問題，有利于后期對系統進行維護與升級，確保模型結果與實際情況更加接近。現代水資源管理需要多學科、多部門的合作，基于Web平臺的在線交流功能，各部門管理者可以從不同角度、不同專業對水資源管理問題進行討論與權衡，有助于加強對水資源的協同管理。

基于以上優勢，Web-basedDSS被廣泛應用于水資源管理領域中。例如，Salewicz等[7]建立了針對跨境河流恒河管理的Web-basedDSS概念模型，指出具有強大功能的網絡信息共享平臺更有利于制定集成政治、經濟和環境等多學科的跨境流域管理方案；Booth等[8]將SPARROW模型與Web-basedDSS耦合，以網站為載體，用戶可以在線查看SPARROW模型的水質模擬結果，有針對性地選擇水質治理方案并模擬方案結果，為流域水質治理方案提供輔助決策依據；Zeng等[9]將實時水文模型、城市水資源供需預測模型以及水資源管理模型與Web-basedDSS耦合，基于ARCGIS Engine、SQLServer2000數據庫及網絡平臺，用戶能夠獲取實時預測的水文信息，提高了決策者查詢處理空間數據和優化決策的能力。

3 Web-basedDSS的結構框架與關鍵技術

3.1 結構框架

Web-basedDSS摒棄了傳統的客戶機/服務器（C/S）單項信息傳遞模式，采用瀏覽器/服務器（B/S）結構模式，將客戶端瀏覽器與服務器建立連接，用戶可以在簡易的人機交互界面獲取有利信息，還可以直接向該界面提交數據請求，服務器接收用戶請求后進行處理，再將結果反饋給用戶。

服務器通常包括測量系統、信息系統、模型系統、分析系統4個子系統。①測量系統主要用于數據收集，數據包括遠程數據（衛星遙感氣象、水文數據）和現場數據。②信息系統包括地理信息系統、數據庫及專家系統，其中：地理信息系統可處理水系分布、土壤類型和城鄉布局等地理空間數據；數據庫主要是對測量系統所收集的數據進行更新、編輯、重組和輸出；專家系統包括專家知識庫和專家支持模塊，負責與專家溝通咨詢及線上查詢。③模型系統以解決水資源問題所需的水文模型為主，負責模型的調入、修改及耦合。④分析系統以DSS為主，主要采用多準則決策（MC DA）、人工神經網絡（ANN）等數學方法為用戶決策提供參考。

3.2 關鍵技術

3.2.1 基礎應用開發技術

Web-basedDSS的開發階段主要涉及人機交互界面、系統后端服務器的開發以及DSS組件的分布式應用。

對于人機交互界面的開發，水資源管理Web-basedDSS主要面向水資源管理者和利益相關者，人機交互界面應適用于不同知識階層的用戶。在用戶操作時，客戶端須幫助用戶輸入有效數據和相關參數，提示系統的運行狀態，呈現直觀明確的輸出數據。在開發過程中，涉及的技術主要有HTML5、JavaApplets、Ac tiveX、AJAX等[10-11]。

對于系統后端服務器的開發，雖然B/S結構大大簡化了客戶端，但B/S處理語言為超文本標記語言（HTML），HTML存在的編程限制使客戶端與數據庫無法直接交互，因此必須在二者之間采用數據庫網關“接口”確保其順利交互。目前，應用于水資源管理Web-basedDSS的數據庫訪問技術主要有CGI、ASP、JDBC等。

對于DSS組件的分布式應用，分布式的DSS需要對不同節點的多層次決策提供技術支持（如個體支持、群體支持和組織支持），為各節點間提供交流機制和手段，以確保各節點間數據的實時輸送。其中涉及的技術主要有CORBA、JavaRMI、EJB等。

3.2.2 多源信息采集與集成技術

Web basedDSS中決策支持功能的實現需要從多源數據庫中獲取信息支撐[12]，可利用的多源信息主要包括由3S（RS、GIS、GPS）技術獲得的觀測類、工程類信息等。多源數據庫構建的關鍵技術主要有空間數據倉庫、數據挖掘、聯機分析處理和聯機分析挖掘技術等。如Fang等[13]利用Oracle數據庫內置高級聯機分析處理、數據挖掘和數據倉庫技術，開發了集合物聯網、地理信息學和云服務的新疆融雪洪水預警決策支持系統，基于該系統提供的決策方法，提高了融雪洪水模擬和預警過程的有效性；袁昊等[14]基于粗糙集數據挖掘技術開發了用水量計劃系統，該系統能夠幫助管理者發現數據表中的關聯規則，從而提供決策支持。

隨著衛星測量水文數據和遠程數據采集技術的應用范圍不斷擴大，陸面數據同化系統的建立對缺少基礎數據地區的流域管理決策支持提供了幫助。如美國國家海洋和大氣管理局建立了區域暴洪指引系統，該系統使用LDAS/LIS輸出數據作為實時輸入數據，可對某區域產生的實時洪水提供決策支持[15]；Weerts等[16]建立的Delft-FEWS系統適用于處理多尺度的地理空間數據，可為季節性洪水預報提供決策支持。

3.2.3 多模塊并行耦合技術

復雜的水資源管理問題需要水文數據監測讀取、模型模擬、水資源配置調度、管理方案選擇、風險評估等多模塊在網絡環境下分布并行處理，因此為了將不同模塊相互銜接構建成一個完整的服務器，各模塊之間的接口尤為重要。目前已開發的Web-basedDSS接口較為簡單，各模塊間多以數據文件為接口部件，信息傳遞效率低下，不利于多模塊并行。

為實現更高級的接口，解決不同模塊在模擬物理量、數據處理機制、編程接口語言等方面存在的交互困難問題，英國生態水文中心、丹麥水利研究所、英國Wallingford水力研究所以及荷蘭Delft水力學研究所聯合研發了一套開放式模型接口標準（OpenModeling Interface，簡稱OpenMI）以解決模型耦合問題，實現了不同獨立模塊同步交互數據的有效性[17]。該成果以其先進性和實用性引起了國內外學者的廣泛關注與研究，例如周玉文等[18]利用OpenMI對管網匯流模型、降雨徑流模型、河道受納水體模型、地表積水模型進行了耦合，基于GIS平臺研發了城市暴雨洪水控制系統；Shrestha等[19]利用OpenMI將SWAT模型和暴雨管理模型（SWMM）耦合，對比利時某地區的河流水質和水動力進行了交叉研究，評估了廢水管理計劃對河流生態功能的影響。

3.2.4 決策效果評估技術

在Web-basedDSS中，Web服務器完成用戶的身份驗證后，可以向用戶提供分析數據，收集并發布決策過程中的動態資料，對用戶的決策方案進行評估并反饋，用戶訪問網站即可參與討論、投票表決等活動。例如Evers等[20]開發了城市洪水風險管理決策支持系統，利益相關者通過網站提交個人制定的洪水管理方案，該系統利用TOPSIS算法可以為每位用戶的方案自動評價得分并匯總，方便用戶綜合比較各方案的優劣。除TOPSIS算法外，聚類分析、模糊識別、人工神經網絡、DEA、AHP、ELECTRE、SAW等多屬性決策分析方法被廣泛應用于水資源管理中，為決策效果提供了較為全面的評價指標體系。

4 Web-basedDSS面臨的挑戰

2018年美國國家科學院發布了《美國未來水資源科學優先研究方向》，針對美國未來25a內水資源科學面臨的挑戰，提出將加強數據收集、研發更直觀的數據可視化分析工具作為美國水資源領域的優先研究方向。由此可見，面對大數據、云計算時代的到來，Web-basedDSS的發展在獲得良好契機的同時，也迎來了更多新的問題與挑戰。

（1）全局決策能力不足。已開發的Web-based DSS大都致力于解決防洪、供水、水質監測等單一問題，針對流域綜合水資源管理的相關系統仍較罕見，在復雜的大數據環境下，無法滿足全局性事項預測的實時性與準確性。因此，提高Web-basedDSS的全局決策支持能力是其發展的一個重要方向。

（2）無法滿足實時決策、情景分析需求。水資源系統是一種具有不確定性的復雜系統，對于提出的多種不確定性方案，利用Web-basedDSS獲得最優響應方案是一種可能的解決方法。然而在大數據環境下，數據更新速度極快，特別是防汛系統中的降水數據具有無序性、突發性和易失性，數據的價值會隨時間的推移而急速流失，這就要求Web-basedDSS對這些數據進行實時處理，幫助決策者進行實時決策。當前大多數Web-basedDSS對實時決策情景分析及實時決策效果評估的技術支持明顯不足，即便部分Web-based DSS已具備了實時決策功能，但采用的算法技術較為傳統，計算效率不足，也很難滿足當前嚴苛的實時性要求。因此，如何讓Web-basedDSS滿足實時決策和事后決策協同工作的需求，提供多樣化的決策組合以解決水資源管理不確定性的問題，成為未來Web-based DSS需要攻克的難題之一。

5 結 語

Web-basedDSS克服了傳統DSS開發維護成本高、信息交互功能弱、對使用者的技術要求高等缺點，打破了水資源管理者之間、管理者和開發者之間的溝通壁壘，在實現數據共享與關聯分析、水資源協同管理等方面表現出較大的優勢。隨著我國水資源管理事業的發展，Web-basedDSS在基礎理論和算法技術方面存在的不足使其無法與大數據環境相適應，下一步應繼續提高Web-basedDSS在全局綜合決策、效果實時評估方面的效能，以順應水資源管理信息化的發展趨勢。

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【責任編輯 栗 銘】