基于組件式GIS的城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

閆駿霞　叢方杰

【摘 要】本文首先進(jìn)行城市水資源管理決策支持系統(tǒng)總體框架的設(shè)計(jì)，基于B/S和C/S混和模式將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)資料管理、業(yè)務(wù)管理、合理配置、水質(zhì)管理、用水合理性評(píng)價(jià)和信息發(fā)布六個(gè)子系統(tǒng)，建立了基礎(chǔ)資料庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、模型方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。研究了集成式的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，將GIS組件技術(shù)以及其它工具軟件的功能與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有效集成，可以縮短開(kāi)發(fā)周期。

【關(guān)鍵詞】城市；水資源配置；復(fù)雜適應(yīng)；主體

0 引言

城市化進(jìn)程的不斷加快導(dǎo)致水資源供需矛盾日益突出，迫切需要加強(qiáng)城市水資源的科學(xué)管理。城市水資源管理涉及的內(nèi)容十分廣泛，需要收集和處理大量的水文地質(zhì)、環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面信息，而在復(fù)雜的信息中又需要及時(shí)提出合理的管理方案，因此，有必要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)城市水資源管理決策支持系統(tǒng)，輔助城市水資源的日常管理和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水資源的集成規(guī)劃和智能管理。

水資源管理涉及大量水資源信息，除具有時(shí)間性和動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)外，還具有空間分布的特點(diǎn)。目前，地理信息系統(tǒng)（GIS）已經(jīng)成為水資源管理和決策的重要輔助工具，將GIS與傳統(tǒng)的城市水資源管理決策支持系統(tǒng)結(jié)合已經(jīng)成為目前水資源管理決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的主流。

1 城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)是結(jié)合水資源管理迫切需要解決的問(wèn)題，將GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和水文水資源的專(zhuān)業(yè)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水資源信息管理的數(shù)字化、GIS化、網(wǎng)絡(luò)化，提高城市水資源的管理水平。系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)城市水資源日常管理的辦公自動(dòng)化，可以對(duì)水資源的屬性信息和空間信息進(jìn)行有效管理；系統(tǒng)應(yīng)能夠應(yīng)用GIS的空間分析等功能，結(jié)合城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等情況對(duì)供需水資源量進(jìn)行預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)生成水資源配置方案、對(duì)方案進(jìn)行智能優(yōu)選，為水資源的科學(xué)管理提供技術(shù)支持服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)的功能及子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在需求分析的基礎(chǔ)上，以實(shí)用性、先進(jìn)性和可擴(kuò)展性等為設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)劃分成基礎(chǔ)資料管理、業(yè)務(wù)管理、合理配置管理、水質(zhì)管理、用水合理性評(píng)價(jià)和信息發(fā)布六個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 基礎(chǔ)資料管理子系統(tǒng)

基礎(chǔ)資料管理子系統(tǒng)由降雨量管理、地表水管理和地下水管理三部分組成。降雨量管理實(shí)現(xiàn)降雨量數(shù)據(jù)的輸入、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析功能，具體包括統(tǒng)計(jì)分析降雨量及其變化趨勢(shì)以及雨量站、降水量分布和降水量等值線(xiàn)等的圖形化顯示。地表水管理實(shí)現(xiàn)地表水資源相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析功能，具體包括統(tǒng)計(jì)計(jì)算徑流量及其變化趨勢(shì)以及河流水系分布、水庫(kù)和水文站分布、徑流量等值線(xiàn)等的圖形化顯示。地下水管理實(shí)現(xiàn)地下水資源相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析功能，具體包括統(tǒng)計(jì)分析地下水位變化趨勢(shì)，進(jìn)行地下水資源量的相關(guān)計(jì)算，觀(guān)測(cè)井分布、地下水埋深等值線(xiàn)等的圖形化顯示等。

1.2.2 業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)包括供水調(diào)度管理、取水許可管理和水資源費(fèi)征收管理三部分。供水調(diào)度管理實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的管理，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)報(bào)警與分析、調(diào)度方案的生成等，另外，還實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水情等的實(shí)時(shí)水情的查詢(xún)、供水需求平衡計(jì)算及統(tǒng)計(jì)報(bào)表的生成等功能。取水許可管理實(shí)現(xiàn)地表水和地下水取水許可業(yè)務(wù)的辦公自動(dòng)化以及地表水取水口、地下水開(kāi)采井等空間信息的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)和分析。水資源費(fèi)征收管理主要實(shí)現(xiàn)水資源費(fèi)征收管理的辦公自動(dòng)化，包括對(duì)水資源費(fèi)繳納情況、單井開(kāi)采量以及單位取水量等的統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.3 合理配置子系統(tǒng)

合理配置子系統(tǒng)由需水預(yù)測(cè)管理、可供水量預(yù)測(cè)管理、優(yōu)化配置及方案評(píng)價(jià)管理三部分組成。需水預(yù)測(cè)管理基于歷史年份、現(xiàn)狀年以及規(guī)劃年的相關(guān)信息分別預(yù)測(cè)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境需水量?？晒┧款A(yù)測(cè)管理將城市水源工程概化為蓄水、提水、地下水、中水、海水、外調(diào)水以及其它水源等，對(duì)城市在不同水平年、不同保證率情況下的可供水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。水資源優(yōu)化配置及方案評(píng)價(jià)管理基于需水量預(yù)測(cè)和可供水量預(yù)測(cè)的結(jié)果，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行水資源供需平衡分析，生成水資源配置情景方案，對(duì)配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，推薦在不同發(fā)展目標(biāo)下的最優(yōu)配置方案。

1.2.4 水質(zhì)管理子系統(tǒng)

水質(zhì)管理子系統(tǒng)由地表水水質(zhì)管理和地下水水質(zhì)管理兩部分組成。地表水水質(zhì)管理實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，一是，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；二是，進(jìn)行排污口或污染源的空間查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)、緩沖區(qū)分析等；三是，對(duì)污染物在水中的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并以專(zhuān)題圖或空間分布圖可視化表達(dá)污染物的擴(kuò)散過(guò)程。地下水水質(zhì)管理主要對(duì)城市地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入、修改和評(píng)價(jià)。另外，該部分還提供對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的模擬功能，對(duì)地下水開(kāi)采進(jìn)行輔助決策。

1.2.5 用水合理性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)

用水合理性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)采用人機(jī)交互的方式對(duì)城市水資源利用的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括評(píng)價(jià)指標(biāo)體系管理、評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值管理、評(píng)價(jià)模型管理、評(píng)價(jià)結(jié)果顯示與調(diào)控管理四部分。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系管理采用與決策者交互的方式建立用水合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值管理確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分及各等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。評(píng)價(jià)模型管理一方面為用戶(hù)提供添加評(píng)價(jià)模型的接口，另一方面，為用戶(hù)提供已有的評(píng)價(jià)模型列表，由決策者選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)模型進(jìn)行用水合理性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示與調(diào)控管理部分首先根據(jù)已有信息對(duì)用水合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后與決策者交互，對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，模擬在不同調(diào)控措施下的用水水平，為決策者制定水資源可持續(xù)利用的對(duì)策提供參考。

1.2.6 信息發(fā)布子系統(tǒng)

該部分基于廣域網(wǎng)向公眾發(fā)布與水資源管理相關(guān)的信息。主要包括三方面內(nèi)容：一是，與水資源管理相關(guān)的政策、法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)章等的發(fā)布；二是，水資源管理成果的發(fā)布；三是，基于GIS的專(zhuān)題地圖查詢(xún)。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)分成基礎(chǔ)資料庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、模型方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。

基礎(chǔ)資料庫(kù)存儲(chǔ)水文地質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、業(yè)務(wù)管理、水資源開(kāi)發(fā)利用等不與空間數(shù)據(jù)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)。水文地質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括降雨、徑流、地下水等；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)基本情況、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等；業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)包括與供水管理、取水許可管理和水資源費(fèi)征收有關(guān)的數(shù)據(jù)，如登記單位、取水水源等；水資源開(kāi)發(fā)利用數(shù)據(jù)包括各行業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)以及水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃中各項(xiàng)數(shù)據(jù)等。

GIS數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用GIS軟件處理過(guò)的、可由GIS組件直接調(diào)用的數(shù)字化產(chǎn)品。主要包括全市的基礎(chǔ)地理信息、水利要素分布信息等，如地形地質(zhì)、地面高程、河流水系、觀(guān)測(cè)井、水利工程、行政區(qū)劃、降雨等數(shù)據(jù)。

模型方法庫(kù)存儲(chǔ)輔助決策所需的各種數(shù)學(xué)模型，這些模型均以源程序和可執(zhí)行程序的形式存放，主要包括水量評(píng)價(jià)模型、水質(zhì)評(píng)價(jià)模型、水資源預(yù)測(cè)模型、水資源多目標(biāo)決策模型、配置方案評(píng)價(jià)模型和水流運(yùn)動(dòng)模擬模型等。

知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)主要包括與相關(guān)法律法規(guī)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及其它各項(xiàng)有助于決策分析的基礎(chǔ)資料。法律法規(guī)包括水法、城市供水管理辦法等，專(zhuān)業(yè)知識(shí)包括水文地質(zhì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)知識(shí)等，其它基礎(chǔ)資料包括由專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得到的啟發(fā)式知識(shí)等。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題研究

1.4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，常用的體系結(jié)構(gòu)可以分為Client/Server（C/S）和Browser/Server（B/S）模式，其中C/S結(jié)構(gòu)又可以分為兩層C/S結(jié)構(gòu)和三層C/S結(jié)構(gòu)。兩層C/S結(jié)構(gòu)將應(yīng)用程序分成客戶(hù)端應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主要缺點(diǎn)是維護(hù)和升級(jí)成本較高。三層C/S結(jié)構(gòu)將業(yè)務(wù)處理部分從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶(hù)端獨(dú)立出來(lái)，由應(yīng)用服務(wù)器來(lái)完成，客戶(hù)端完成顯示和交互的工作，這樣大大減輕了維護(hù)升級(jí)的復(fù)雜性。B/S結(jié)構(gòu)是三層C/S結(jié)構(gòu)在Web應(yīng)用上的特例，將客戶(hù)端簡(jiǎn)化為瀏覽器，主要缺點(diǎn)是客戶(hù)端的數(shù)據(jù)操縱能力有限。在城市水資源管理決策支持系統(tǒng)中，基礎(chǔ)資料管理、合理配置、水質(zhì)管理和用水合理性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)的用戶(hù)相對(duì)比較固定，一般為局域網(wǎng)內(nèi)的管理者，基本使用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性和操作的交互性要求比較高，因此，上述四個(gè)子系統(tǒng)采用三層C/S結(jié)構(gòu)；業(yè)務(wù)管理和信息發(fā)布子系統(tǒng)面向的是廣域網(wǎng)內(nèi)的用戶(hù)，并且以瀏覽和簡(jiǎn)單錄入等操作為主，因此采用B/S體系結(jié)構(gòu)。

1.4.2 GIS開(kāi)發(fā)模式的選擇

目前GIS開(kāi)發(fā)主要有三種模式：獨(dú)立開(kāi)發(fā)模式、宿主型二次開(kāi)發(fā)模式以及基于組件技術(shù)的開(kāi)發(fā)模式。

獨(dú)立開(kāi)發(fā)模式無(wú)須依賴(lài)任何GIS工具軟件，所有的算法都由開(kāi)發(fā)者獨(dú)立設(shè)計(jì)，投資大、開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，不適于一般的開(kāi)發(fā)用戶(hù)。宿主型二次開(kāi)發(fā)模式是以原GIS軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)象的應(yīng)用程序，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但不能脫離原系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，效率低。組件式GIS是指基于組件對(duì)象平臺(tái)，以一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口的、允許跨語(yǔ)言應(yīng)用的組件提供的GIS。大多數(shù)GIS軟件產(chǎn)商都提供商業(yè)化的GIS組件，這些組件具備GIS的基本功能，開(kāi)發(fā)人員可以基于通用軟件開(kāi)發(fā)工具，如Delphi、Power Builder等，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。組件式GIS的開(kāi)發(fā)成本低，易于集成，已經(jīng)成為GIS開(kāi)發(fā)的主流方式。

對(duì)比GIS的三種開(kāi)發(fā)模式，城市水資源管理決策支持系統(tǒng)宜采用組件式開(kāi)發(fā)模式。業(yè)務(wù)管理和信息發(fā)布子系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象是廣域網(wǎng)內(nèi)的所有用戶(hù)，可以通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器進(jìn)行水資源管理相關(guān)信息的綜合查詢(xún)，因此，采用Web GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、合理配置、用水合理性評(píng)價(jià)和水質(zhì)管理子系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象是局域網(wǎng)內(nèi)的管理者，可以將更適合局域網(wǎng)內(nèi)開(kāi)發(fā)的MapObjects、MapX等GIS組件嵌入到系統(tǒng)中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

1.4.3 集成式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方式

城市水資源管理決策支持系統(tǒng)是一個(gè)具有復(fù)雜功能的大型軟件系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)盡可能地集成已有工具軟件的功能，縮短開(kāi)發(fā)周期。

以水資源合理配置管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為例，配置方案的生成涉及到大量的矩陣計(jì)算，如果直接在VB或VC等開(kāi)發(fā)環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)，需要花費(fèi)很大的精力進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算等功能，很容易實(shí)現(xiàn)配置方案的生成，因此可以將VB或VC等通用軟件開(kāi)發(fā)工具與Matlab有效地集成起來(lái)，首先，在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算功能，然后借助ActiveX技術(shù)或動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)將其集成到VB或VC開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序中。這樣可以將Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能和VB或VC等在圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2 小結(jié)

城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)有助于加速水資源合理開(kāi)發(fā)利用和科學(xué)管理的進(jìn)程。根據(jù)城市水資源管理的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)資料管理、業(yè)務(wù)管理、合理配置、水質(zhì)管理、用水合理性評(píng)價(jià)和信息發(fā)布六個(gè)子系統(tǒng)，建立了基礎(chǔ)資料庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、模型方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)采用C/S與B/S混合的體系結(jié)構(gòu)，其中業(yè)務(wù)管理和信息發(fā)布子系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，其它子系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)?？紤]到系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜性，采用集成式的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方式，將GIS和其它工具軟件已有的功能嵌入到系統(tǒng)中，可以縮短開(kāi)發(fā)周期。

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