蔡 陽(yáng) ，汪 妮 ，張永進(jìn) ，李建勛

（1.水利部水利信息中心, 北京 100053；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 陜西 西安 710048）

0 引言

洪水預(yù)報(bào)的現(xiàn)代化進(jìn)展緊密伴隨著新技術(shù)，如信息、網(wǎng)絡(luò)、空間科學(xué)等技術(shù)；伴隨著新理論，如系統(tǒng)論、信息論、控制論等的應(yīng)用，這些新技術(shù)、新理論的發(fā)展和應(yīng)用已大大改變了水文情報(bào)預(yù)報(bào)的技術(shù)面貌；同時(shí)，信息、網(wǎng)絡(luò)、軟件等技術(shù)的不斷進(jìn)步，也推動(dòng)著洪水預(yù)報(bào)工作向自動(dòng)化、智能化和集成化方向發(fā)展。由此，多學(xué)科交叉滲透所形成的現(xiàn)代化洪水預(yù)報(bào)技術(shù)是洪水預(yù)報(bào)發(fā)展的總趨勢(shì)，也是洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著國(guó)內(nèi)外洪水預(yù)報(bào)模型和方法的研究，我國(guó)的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是洪水預(yù)報(bào)在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在著許多問(wèn)題，主要表現(xiàn)如下：常用的預(yù)報(bào)模型、方法及軟件標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；系統(tǒng)低水平重復(fù)開(kāi)發(fā)嚴(yán)重；制定預(yù)報(bào)方案過(guò)程復(fù)雜，沒(méi)有方便、強(qiáng)大、通用的模型率定系統(tǒng)，預(yù)報(bào)方法單一；預(yù)報(bào)系統(tǒng)的輸入、輸出不獨(dú)立，文件格式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，圖形功能不強(qiáng)；預(yù)報(bào)模型應(yīng)用程度不高，系統(tǒng)功能不全，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)因人而異，大量現(xiàn)有預(yù)報(bào)方案沒(méi)有計(jì)算作業(yè)等。因而導(dǎo)致全國(guó)各地不同程度地低水平重復(fù)開(kāi)發(fā)、研制，新技術(shù)應(yīng)用起點(diǎn)低，預(yù)報(bào)方案、系統(tǒng)功能不全，應(yīng)用不便，擴(kuò)充性不強(qiáng)[1]。造成目前這種狀況的主要原因是缺少統(tǒng)一規(guī)劃、集中開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用的管理機(jī)制。因此，研究和探索洪水預(yù)報(bào)的綜合集成應(yīng)用模式是解決上述問(wèn)題的有效途徑。

1 洪水預(yù)報(bào)的集成應(yīng)用模式

水文預(yù)報(bào)就是據(jù)已知的信息對(duì)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的水文狀態(tài)做出定性或定量的預(yù)測(cè)[2]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水文預(yù)報(bào)幾經(jīng)發(fā)展到基于洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的階段。洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是各項(xiàng)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的集成，是 1 項(xiàng)重要的防護(hù)減災(zāi)的非工程措施[3]。雖然經(jīng)過(guò)多年的努力，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用水平在一定程度上有了進(jìn)步和提高，但還存在許多問(wèn)題。這些問(wèn)題使得現(xiàn)有的預(yù)報(bào)方法、模型和軟件系統(tǒng)推廣使用難，相互交流難，預(yù)報(bào)成果對(duì)比分析難，正確評(píng)估難，進(jìn)而阻礙了洪水預(yù)報(bào)的進(jìn)一步發(fā)展與提高。

針對(duì)洪水預(yù)報(bào)中存在的問(wèn)題，本文提出了面向服務(wù)，基于平臺(tái)、組件、主題、可視化的洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用模式，即平臺(tái)支持下的洪水預(yù)報(bào)：由組件、主題、知識(shí)圖快速組織應(yīng)用，豐富的多元信息可視化表現(xiàn)直觀應(yīng)用。洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用模式以事件為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)事件形成應(yīng)用主題，在主題牽引下，通過(guò)組件實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)模型，通過(guò) Web 服務(wù)發(fā)布預(yù)報(bào)模型，通過(guò)知識(shí)圖和洪水預(yù)報(bào)模型組件組織應(yīng)用，通過(guò)平臺(tái)搭建洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

洪水預(yù)報(bào)集成模式具有以下特點(diǎn)：1）面向服務(wù)，是指洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)是基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA），預(yù)報(bào)模型基于 Web 服務(wù)。2）基于主題，是指洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用采用主題驅(qū)動(dòng)，圍繞主題來(lái)組織信息和資源，根據(jù)主題快速搭建預(yù)報(bào)應(yīng)用。3）基于知識(shí)圖，是指洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用模式采用知識(shí)圖來(lái)組織應(yīng)用，描述事件、主題、業(yè)務(wù)過(guò)程、應(yīng)用流程、邏輯關(guān)系及相關(guān)知識(shí)。通過(guò)知識(shí)圖將洪水預(yù)報(bào)與相關(guān)的信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)面向主題的洪水預(yù)報(bào)。通過(guò)知識(shí)圖組織洪水預(yù)報(bào)可實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)的應(yīng)用集成。4）基于組件，是指洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用模式通過(guò)將洪水預(yù)報(bào)模型及參數(shù)估計(jì)方法組件化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成洪水預(yù)報(bào)模型和參數(shù)估計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)組件，通過(guò) Web 服務(wù)的方式對(duì)外發(fā)布這些組件，采用組件搭建的方式構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過(guò)組件可實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)模型標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用集成。5）基于平臺(tái)，是指洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用模式采用知識(shí)圖、組件組織和搭建應(yīng)用，基于平臺(tái)構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2 洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)框架

隨著水利信息化發(fā)展，水利正在從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代。信息資源的快速增加、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換、異構(gòu)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)、資源的高效利用、系統(tǒng)間的協(xié)同工作、軟件的復(fù)用等技術(shù)越來(lái)越受到水利界的關(guān)注。采用“物理分散，邏輯集中，按需獲取，分布處理，統(tǒng)一調(diào)度”的網(wǎng)格技術(shù)平臺(tái)方案，是解決水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它以 SOA 為基礎(chǔ)[4]，以服務(wù)能力描述、注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)綁定、組合功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制為核心，以安全通信、單點(diǎn)登錄、多方協(xié)作的信任傳遞機(jī)制為保障，在虛擬的組織結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)信息共享資源、可配置的動(dòng)態(tài)信息服務(wù)、協(xié)同分布式支撐應(yīng)用、知識(shí)化的集成決策服務(wù)。

在水利信息化綜合服務(wù)體系指導(dǎo)下，采用中間件[5-6]、網(wǎng)格[7-9]、綜合集成研討廳[10]等技術(shù)構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)的總體框架如圖 1 所示。

洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)具體組成如下：

1）采集傳輸層，負(fù)責(zé)各類(lèi)水利數(shù)據(jù)的采集與傳輸，通過(guò)建立數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息的高效采集和傳輸。

2）通信網(wǎng)絡(luò)層，包括各層級(jí)用戶(hù)所在地的局域網(wǎng)和將各層次局域網(wǎng)互連的廣域網(wǎng)。

3）數(shù)據(jù)資源層，是信息匯集的目的地，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理的基礎(chǔ)，包括多個(gè)基礎(chǔ)、專(zhuān)用、主題、元信息庫(kù)等。

4）平臺(tái)層，包括面向資源整合的網(wǎng)格平臺(tái)、基于中間件的應(yīng)用支撐平臺(tái)和洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)。這 3 個(gè)平臺(tái)共同構(gòu)成洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用支撐平臺(tái)，分別提供資源整合、應(yīng)用支撐和集成服務(wù)功能。面向資源整合的網(wǎng)格平臺(tái)主要通過(guò)數(shù)據(jù)、信息及計(jì)算等網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源整合，同時(shí)，提供數(shù)據(jù)、信息和計(jì)算服務(wù)?；谥虚g件的應(yīng)用支撐平臺(tái)可有效隔離下層數(shù)據(jù)與上層應(yīng)用之間的直接聯(lián)系，方便系統(tǒng)靈活擴(kuò)展、建立與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享通道和業(yè)務(wù)協(xié)同關(guān)系。洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)的主要功能是通過(guò)應(yīng)用知識(shí)圖庫(kù)、預(yù)報(bào)模型及參數(shù)估計(jì)組件庫(kù)和主題服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，快速搭建洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

從圖 1 可以看出，洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)框架與傳統(tǒng)的平臺(tái)框架有很大不同，傳統(tǒng)的平臺(tái)框架一般還包含業(yè)務(wù)應(yīng)用層。洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)是基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)，所有的業(yè)務(wù)應(yīng)用都是以組件的方式被實(shí)現(xiàn)，通過(guò) Web 服務(wù)的方式對(duì)外提供服務(wù)，并且可通過(guò)服務(wù)組合的方式搭建具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，所以，洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)框架下就不再有業(yè)務(wù)應(yīng)用層了。也就是說(shuō)，在支持服務(wù)的洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)體系下，已經(jīng)不用再去設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具體的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，而是在綜合集成服務(wù)平臺(tái)上，通過(guò)搭建的方式快捷構(gòu)建洪水系統(tǒng)。

3 綜合集成應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 洪水預(yù)報(bào)模型組件化

3.1.1 模型組件化

圖1 洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)總體框架

洪水預(yù)報(bào)模型之間有很多共同之處，為了提高模型的利用效率，利用組件技術(shù)把這些洪水預(yù)報(bào)模型拆分成各個(gè)獨(dú)立的組件，實(shí)現(xiàn)更小粒度的軟件重用。例如，三水源新安江模型主要由三層蒸發(fā)、蓄滿產(chǎn)流、三水源劃分、流域匯流 4 個(gè)計(jì)算過(guò)程組成，具體劃分如圖 2 所示。因此可以將 4 個(gè)計(jì)算過(guò)程開(kāi)發(fā)成具有固定訪問(wèn)接口的獨(dú)立組件，由這 4 個(gè)組件可以構(gòu)建出三水源新安江模型的主要計(jì)算過(guò)程。基于 Web Service 技術(shù)將模型組件發(fā)布成服務(wù)，形成洪水預(yù)報(bào)模型庫(kù)。通過(guò)不斷積累和完善，最終可形成 1 個(gè)通用的洪水預(yù)報(bào)模型庫(kù)，通過(guò)服務(wù)的方式調(diào)用模型庫(kù)中的模型來(lái)構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)。

3.1.2 參數(shù)率定方法組件化

模型參數(shù)率定是洪水預(yù)報(bào)中的 1 項(xiàng)重要內(nèi)容。參數(shù)的好壞直接決定著洪水預(yù)報(bào)的精度，因此，關(guān)于洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定問(wèn)題一直是洪水預(yù)報(bào)研究的 1 個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。參數(shù)率定方法大體上可分為人工試錯(cuò)法和自動(dòng)優(yōu)選法 2 種。人工試錯(cuò)法是根據(jù)人的分析和判斷使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最??；自動(dòng)優(yōu)選法是借助一定的數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)選，如最小二乘法、單純形法，以及近年來(lái)出現(xiàn)的遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等?；赪eb Service 技術(shù)將各種參數(shù)估計(jì)方法組件化，形成模型參數(shù)估計(jì)方法庫(kù)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選用 1 種或多種率定方法進(jìn)行模型參數(shù)的估計(jì)。

3.2 洪水預(yù)報(bào)服務(wù)中心

為了讓更多的組件使用者及開(kāi)發(fā)者有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)并使用組件庫(kù)中的組件服務(wù)，需要使用 UDDI 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成技術(shù)將每個(gè) Web 服務(wù)注冊(cè)到 UDDI 中心，供用戶(hù)使用。洪水預(yù)報(bào)模型組件庫(kù)的建設(shè)目標(biāo)是建立 1 個(gè)基于 Web 服務(wù)的組件庫(kù)系統(tǒng)。洪水預(yù)報(bào)模型組件庫(kù)是面向洪水的專(zhuān)用組件庫(kù)，組件庫(kù)中存放的是提供洪水預(yù)報(bào)服務(wù)的組件，與在 UDDI 中注冊(cè)的 Web 服務(wù)不同，洪水預(yù)報(bào)模型組件庫(kù)中的 Web 服務(wù)是受控組件，其注冊(cè)、使用都是在有限的范圍內(nèi)使用。因此，需要構(gòu)建 1 個(gè)面向洪水預(yù)報(bào)的專(zhuān)用 Web 服務(wù)注冊(cè)中心。

圖2 新安江模型組件劃分

基于 JUDDI 的洪水預(yù)報(bào) Web 服務(wù)專(zhuān)業(yè)注冊(cè)中心可面向整個(gè)水利行業(yè)，提供各種洪水預(yù)報(bào) Web 服務(wù)的注冊(cè)和發(fā)布功能。不同地域、部門(mén)可通過(guò)該中心注冊(cè)和發(fā)布自己的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)。對(duì)于不同地域、部門(mén)的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)，洪水預(yù)報(bào)服務(wù)注冊(cè)中心可通過(guò)創(chuàng)建不同節(jié)點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布的 Web 服務(wù)的注冊(cè)和管理。

洪水預(yù)報(bào) Web 服務(wù)注冊(cè)中心有以下 2 種部署方式：1）部署在水利部門(mén)內(nèi)部，面向部門(mén)內(nèi)部提供Web 服務(wù)的注冊(cè)和發(fā)布功能。例如，可將洪水預(yù)報(bào)服務(wù)注冊(cè)中心部署在各省、流域的水利信息中心，為各省、流域水利部門(mén)及其下屬各部門(mén)提供洪水預(yù)報(bào)服務(wù)的注冊(cè)與發(fā)布服務(wù)。2）部署在水利部水利信息中心，面向全國(guó)所有水利單位提供洪水預(yù)報(bào)服務(wù)的注冊(cè)與發(fā)布服務(wù)。通過(guò)水利電子政務(wù)專(zhuān)網(wǎng)，全國(guó)各水利部門(mén)都可以通過(guò)洪水預(yù)報(bào)服務(wù)注冊(cè)中心實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)服務(wù)的注冊(cè)與發(fā)布。

3.3 洪水預(yù)報(bào)模型搭建

3.3.1 基于知識(shí)圖的知識(shí)可視化

知識(shí)圖是一種以圖表方式表達(dá)的知識(shí)管理方法。知識(shí)圖有不同種類(lèi)，大抵包括概念圖、腦圖 2 種，也有稱(chēng)為語(yǔ)義圖、組織圖，此外，專(zhuān)門(mén)針對(duì)推理的知識(shí)圖稱(chēng)為推理圖。知識(shí)圖是描述洪水預(yù)報(bào)事件、主題、業(yè)務(wù)過(guò)程、應(yīng)用流程、邏輯關(guān)系及相關(guān)知識(shí)的工具。通過(guò)知識(shí)圖將洪水預(yù)報(bào)與相關(guān)的信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)面向主題的預(yù)報(bào)應(yīng)用；通過(guò)知識(shí)圖組織洪水預(yù)報(bào)模型，可實(shí)現(xiàn)多模型多方案的綜合集成預(yù)報(bào)。

3.3.2 洪水預(yù)報(bào)模型可視化搭建

基于知識(shí)圖和洪水預(yù)報(bào)模型組件可以快速搭建洪水預(yù)報(bào)模型和應(yīng)用，單模型搭建按模型的工作流程，將洪水預(yù)報(bào)模型的各個(gè)子組件通過(guò)知識(shí)圖組織和描述。同時(shí)，也可以通過(guò)知識(shí)圖組織多模型組合或集成的洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用。單模型洪水預(yù)報(bào)模型搭建及應(yīng)用組織如圖 3 所示。

3.4 洪水預(yù)報(bào)的綜合集成服務(wù)平臺(tái)

基于 SOA 和 J2EE 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，采用中間件、網(wǎng)格、Web Service、綜合集成研討廳等技術(shù)構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)。按照主題提供信息服務(wù)，按照需要提供計(jì)算服務(wù)，按照個(gè)性化組織應(yīng)用提供決策服務(wù)。通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、模型、方法的綜合集成；采用知識(shí)圖來(lái)關(guān)聯(lián)信息，組織應(yīng)用過(guò)程中的信息，描述事件和應(yīng)用主題，并開(kāi)展工作流程管理和服務(wù)組合；通過(guò)知識(shí)圖和洪水預(yù)報(bào)組件實(shí)現(xiàn)多模型集成預(yù)報(bào)；由豐富的多元信息可視化方式直觀表現(xiàn)應(yīng)用；通過(guò)平臺(tái)的綜合集成，構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水文預(yù)報(bào)的集成應(yīng)用。

圖3 新安江模型組件搭建實(shí)例

4 洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用實(shí)例

流域斷面單模型預(yù)報(bào)有很大弊端，首先不能確定預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性，其次只有單預(yù)報(bào)單方案，沒(méi)有可選性，使領(lǐng)導(dǎo)很難做決策，不理性。應(yīng)采用多個(gè)模型同時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，將各個(gè)模型預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)確定預(yù)報(bào)方案。例如對(duì)陜西安康水庫(kù)可以同時(shí)采用新安江、陜北、薩克拉門(mén)托、水箱、多輸入單輸出等模型進(jìn)行水庫(kù)水文預(yù)報(bào)，通過(guò)這 5 個(gè)預(yù)報(bào)模型，產(chǎn)生 5 種預(yù)報(bào)方案。

多模型洪水預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)實(shí)例如圖 4 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)水文預(yù)報(bào)中存在的問(wèn)題，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的信息、軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，依據(jù)綜合集成思想，采用組件、Web Service 等技術(shù)將洪水預(yù)報(bào)模型和參數(shù)率定方法劃分為功能相互獨(dú)立的組件并發(fā)布為服務(wù)，形成通用的預(yù)報(bào)模型組件庫(kù)和參數(shù)率定方法庫(kù)。通過(guò)知識(shí)圖、業(yè)務(wù)組件組織應(yīng)用，采用可視化技術(shù)、GIS 等多元信息展示模式表現(xiàn)應(yīng)用?；?SOA 和 J2EE 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建面向服務(wù)洪水預(yù)報(bào)綜合集成服務(wù)平臺(tái)，在平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)的集成應(yīng)用。在該集成應(yīng)用模式下，根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，可迅速搭建出洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。這種面向服務(wù)的、可增長(zhǎng)的，由平臺(tái)、組件、知識(shí)圖、可視化工具組成的新的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)和多模型集成應(yīng)用模式將具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖4 多模型洪水預(yù)報(bào)集成應(yīng)用實(shí)例

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