基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)在水資源管理中的應(yīng)用

仇鈺婷 陳華偉 吳振 李福林

摘 要：綜述了決策支持系統(tǒng)（DSS）與基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)（Web-basedDSS）在水資源管理中的應(yīng)用概況，通過對(duì)二者進(jìn)行比較，指出Web-basedDSS具有便于系統(tǒng)更新維護(hù)、降低用戶使用門檻、擴(kuò)展用戶溝通渠道等優(yōu)勢(shì)。對(duì)Web-basedDSS涉及的基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)、多源信息采集與集成、多模塊并行耦合、決策效果評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，探討了Web-basedDSS在多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)環(huán)境下面臨的問題與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：決策支持系統(tǒng)；基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)；智慧水利；水資源管理

中圖分類號(hào)：TP315；TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)在水資源管理中的應(yīng)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(dòng)對(duì)水資源影響的不斷深入，水資源管理不僅涉及水文學(xué)問題，而且涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、大氣、生態(tài)以及政治等多學(xué)科交叉問題。為此，跨行業(yè)、跨區(qū)域甚至跨國(guó)界的合作需求愈發(fā)迫切，建立多樣化的科技信息平臺(tái)以擴(kuò)展信息共享渠道勢(shì)在必行。奧地利科學(xué)家Fedra[1]首先將DSS的思想引入水資源管理中，該系統(tǒng)的核心是通過水文學(xué)家建立的物理模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)水資源管理的決策問題進(jìn)行定量表達(dá)，決策者可以科學(xué)把握決策過程，提高決策效能[2]。20世紀(jì)80年代后期，DSS的思想、方法和技術(shù)逐漸在我國(guó)發(fā)展起來[3]，有關(guān)學(xué)者相繼開發(fā)了京津唐水資源規(guī)劃決策支持系統(tǒng)[4]、柴達(dá)木盆地水資源決策支持系統(tǒng)[5]、沿海圍墾區(qū)水資源決策支持系統(tǒng)[6]等。然而傳統(tǒng)DSS存在封閉性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本高、水資源管理效率低、操作復(fù)雜、缺乏普適性等缺點(diǎn)，縱觀近35a來DSS的發(fā)展趨勢(shì)可知，已開發(fā)的DSS不計(jì)其數(shù)，但在水資源管理中廣泛應(yīng)用的屈指可數(shù)。

現(xiàn)如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于快速發(fā)展階段，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)等新一代信息技術(shù)對(duì)水利行業(yè)的影響正在不斷深化，傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代智能化水利轉(zhuǎn)型已是必然趨勢(shì)。當(dāng)前國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略和治水方略做出了重大調(diào)整，“十三五”規(guī)劃對(duì)水利信息化建設(shè)提出了新要求，即推動(dòng)信息化與水利現(xiàn)代化深度融合，打造泛在感知能力、資源集約化服務(wù)能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力，建設(shè)“智慧水利”。與此同時(shí)出現(xiàn)了Web-basedDSS，該系統(tǒng)既發(fā)揮了DSS以模型計(jì)算為核心的解決定量分析問題的特點(diǎn)，又提供了用戶在線溝通平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多部門的信息共享與協(xié)同管理，為水資源管理決策提供了技術(shù)支撐。

筆者通過對(duì)比DSS與Web-basedDSS，概述了Web-basedDSS的優(yōu)勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)，分析了其在大數(shù)據(jù)時(shí)代所面臨的新需求與新挑戰(zhàn)，并對(duì)未來Web-based為滿足這些新需求的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2 Web-basedDSS的優(yōu)勢(shì)與在水資源管理中的應(yīng)用

Web-basedDSS主要具有以下優(yōu)勢(shì)：①簡(jiǎn)化了客戶端，易于系統(tǒng)更新維護(hù)。Web-basedDSS中的服務(wù)器端通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）與計(jì)算機(jī)客戶端建立網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)的所有功能均部署于服務(wù)端，便于直接對(duì)系統(tǒng)及后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新與維護(hù)。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(yīng)用均采用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)，管理者或利益相關(guān)者僅通過操作網(wǎng)站頁(yè)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(dòng)渠道擴(kuò)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(shí)隨地進(jìn)行線上交流與信息共享，降低了頻繁召開線下會(huì)議帶來的人力與財(cái)力成本。③架起了多部門統(tǒng)一溝通水資源管理問題的橋梁。由于Web-basedDSS操作簡(jiǎn)易，管理者在使用過程中能夠自主分析模型結(jié)果，做出科學(xué)合理的決策，技術(shù)人員也能更加深入了解水資源管理問題，有利于后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與升級(jí)，確保模型結(jié)果與實(shí)際情況更加接近?，F(xiàn)代水資源管理需要多學(xué)科、多部門的合作，基于Web平臺(tái)的在線交流功能，各部門管理者可以從不同角度、不同專業(yè)對(duì)水資源管理問題進(jìn)行討論與權(quán)衡，有助于加強(qiáng)對(duì)水資源的協(xié)同管理。

基于以上優(yōu)勢(shì)，Web-basedDSS被廣泛應(yīng)用于水資源管理領(lǐng)域中。例如，Salewicz等[7]建立了針對(duì)跨境河流恒河管理的Web-basedDSS概念模型，指出具有強(qiáng)大功能的網(wǎng)絡(luò)信息共享平臺(tái)更有利于制定集成政治、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多學(xué)科的跨境流域管理方案；Booth等[8]將SPARROW模型與Web-basedDSS耦合，以網(wǎng)站為載體，用戶可以在線查看SPARROW模型的水質(zhì)模擬結(jié)果，有針對(duì)性地選擇水質(zhì)治理方案并模擬方案結(jié)果，為流域水質(zhì)治理方案提供輔助決策依據(jù)；Zeng等[9]將實(shí)時(shí)水文模型、城市水資源供需預(yù)測(cè)模型以及水資源管理模型與Web-basedDSS耦合，基于ARCGIS Engine、SQLServer2000數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，用戶能夠獲取實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的水文信息，提高了決策者查詢處理空間數(shù)據(jù)和優(yōu)化決策的能力。

3 Web-basedDSS的結(jié)構(gòu)框架與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)框架

Web-basedDSS摒棄了傳統(tǒng)的客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）單項(xiàng)信息傳遞模式，采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)模式，將客戶端瀏覽器與服務(wù)器建立連接，用戶可以在簡(jiǎn)易的人機(jī)交互界面獲取有利信息，還可以直接向該界面提交數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器接收用戶請(qǐng)求后進(jìn)行處理，再將結(jié)果反饋給用戶。

服務(wù)器通常包括測(cè)量系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、分析系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。①測(cè)量系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)（衛(wèi)星遙感氣象、水文數(shù)據(jù)）和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。②信息系統(tǒng)包括地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)，其中：地理信息系統(tǒng)可處理水系分布、土壤類型和城鄉(xiāng)布局等地理空間數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)主要是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、編輯、重組和輸出；專家系統(tǒng)包括專家知識(shí)庫(kù)和專家支持模塊，負(fù)責(zé)與專家溝通咨詢及線上查詢。③模型系統(tǒng)以解決水資源問題所需的水文模型為主，負(fù)責(zé)模型的調(diào)入、修改及耦合。④分析系統(tǒng)以DSS為主，主要采用多準(zhǔn)則決策（MC DA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等數(shù)學(xué)方法為用戶決策提供參考。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

Web-basedDSS的開發(fā)階段主要涉及人機(jī)交互界面、系統(tǒng)后端服務(wù)器的開發(fā)以及DSS組件的分布式應(yīng)用。

對(duì)于人機(jī)交互界面的開發(fā)，水資源管理Web-basedDSS主要面向水資源管理者和利益相關(guān)者，人機(jī)交互界面應(yīng)適用于不同知識(shí)階層的用戶。在用戶操作時(shí)，客戶端須幫助用戶輸入有效數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)，提示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，呈現(xiàn)直觀明確的輸出數(shù)據(jù)。在開發(fā)過程中，涉及的技術(shù)主要有HTML5、JavaApplets、Ac tiveX、AJAX等[10-11]。

對(duì)于系統(tǒng)后端服務(wù)器的開發(fā)，雖然B/S結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了客戶端，但B/S處理語言為超文本標(biāo)記語言（HTML），HTML存在的編程限制使客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)無法直接交互，因此必須在二者之間采用數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)關(guān)“接口”確保其順利交互。目前，應(yīng)用于水資源管理Web-basedDSS的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)主要有CGI、ASP、JDBC等。

對(duì)于DSS組件的分布式應(yīng)用，分布式的DSS需要對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的多層次決策提供技術(shù)支持（如個(gè)體支持、群體支持和組織支持），為各節(jié)點(diǎn)間提供交流機(jī)制和手段，以確保各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸送。其中涉及的技術(shù)主要有CORBA、JavaRMI、EJB等。

3.2.2 多源信息采集與集成技術(shù)

Web basedDSS中決策支持功能的實(shí)現(xiàn)需要從多源數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)獲得的觀測(cè)類、工程類信息等。多源數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)主要有空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、聯(lián)機(jī)分析處理和聯(lián)機(jī)分析挖掘技術(shù)等。如Fang等[13]利用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置高級(jí)聯(lián)機(jī)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)，開發(fā)了集合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息學(xué)和云服務(wù)的新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)提供的決策方法，提高了融雪洪水模擬和預(yù)警過程的有效性；袁昊等[14]基于粗糙集數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開發(fā)了用水量計(jì)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠幫助管理者發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)表中的關(guān)聯(lián)規(guī)則，從而提供決策支持。

隨著衛(wèi)星測(cè)量水文數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的建立對(duì)缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地區(qū)的流域管理決策支持提供了幫助。如美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局建立了區(qū)域暴洪指引系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用LDAS/LIS輸出數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，可對(duì)某區(qū)域產(chǎn)生的實(shí)時(shí)洪水提供決策支持[15]；Weerts等[16]建立的Delft-FEWS系統(tǒng)適用于處理多尺度的地理空間數(shù)據(jù)，可為季節(jié)性洪水預(yù)報(bào)提供決策支持。

3.2.3 多模塊并行耦合技術(shù)

復(fù)雜的水資源管理問題需要水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)讀取、模型模擬、水資源配置調(diào)度、管理方案選擇、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等多模塊在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布并行處理，因此為了將不同模塊相互銜接構(gòu)建成一個(gè)完整的服務(wù)器，各模塊之間的接口尤為重要。目前已開發(fā)的Web-basedDSS接口較為簡(jiǎn)單，各模塊間多以數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)更高級(jí)的接口，解決不同模塊在模擬物理量、數(shù)據(jù)處理機(jī)制、編程接口語言等方面存在的交互困難問題，英國(guó)生態(tài)水文中心、丹麥水利研究所、英國(guó)Wallingford水力研究所以及荷蘭Delft水力學(xué)研究所聯(lián)合研發(fā)了一套開放式模型接口標(biāo)準(zhǔn)（OpenModeling Interface，簡(jiǎn)稱OpenMI）以解決模型耦合問題，實(shí)現(xiàn)了不同獨(dú)立模塊同步交互數(shù)據(jù)的有效性[17]。該成果以其先進(jìn)性和實(shí)用性引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究，例如周玉文等[18]利用OpenMI對(duì)管網(wǎng)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(jìn)行了耦合，基于GIS平臺(tái)研發(fā)了城市暴雨洪水控制系統(tǒng)；Shrestha等[19]利用OpenMI將SWAT模型和暴雨管理模型（SWMM）耦合，對(duì)比利時(shí)某地區(qū)的河流水質(zhì)和水動(dòng)力進(jìn)行了交叉研究，評(píng)估了廢水管理計(jì)劃對(duì)河流生態(tài)功能的影響。

3.2.4 決策效果評(píng)估技術(shù)

在Web-basedDSS中，Web服務(wù)器完成用戶的身份驗(yàn)證后，可以向用戶提供分析數(shù)據(jù)，收集并發(fā)布決策過程中的動(dòng)態(tài)資料，對(duì)用戶的決策方案進(jìn)行評(píng)估并反饋，用戶訪問網(wǎng)站即可參與討論、投票表決等活動(dòng)。例如Evers等[20]開發(fā)了城市洪水風(fēng)險(xiǎn)管理決策支持系統(tǒng)，利益相關(guān)者通過網(wǎng)站提交個(gè)人制定的洪水管理方案，該系統(tǒng)利用TOPSIS算法可以為每位用戶的方案自動(dòng)評(píng)價(jià)得分并匯總，方便用戶綜合比較各方案的優(yōu)劣。除TOPSIS算法外，聚類分析、模糊識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DEA、AHP、ELECTRE、SAW等多屬性決策分析方法被廣泛應(yīng)用于水資源管理中，為決策效果提供了較為全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4 Web-basedDSS面臨的挑戰(zhàn)

2018年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了《美國(guó)未來水資源科學(xué)優(yōu)先研究方向》，針對(duì)美國(guó)未來25a內(nèi)水資源科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，提出將加強(qiáng)數(shù)據(jù)收集、研發(fā)更直觀的數(shù)據(jù)可視化分析工具作為美國(guó)水資源領(lǐng)域的優(yōu)先研究方向。由此可見，面對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時(shí)代的到來，Web-basedDSS的發(fā)展在獲得良好契機(jī)的同時(shí)，也迎來了更多新的問題與挑戰(zhàn)。

（1）全局決策能力不足。已開發(fā)的Web-based DSS大都致力于解決防洪、供水、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等單一問題，針對(duì)流域綜合水資源管理的相關(guān)系統(tǒng)仍較罕見，在復(fù)雜的大數(shù)據(jù)環(huán)境下，無法滿足全局性事項(xiàng)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。因此，提高Web-basedDSS的全局決策支持能力是其發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（2）無法滿足實(shí)時(shí)決策、情景分析需求。水資源系統(tǒng)是一種具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于提出的多種不確定性方案，利用Web-basedDSS獲得最優(yōu)響應(yīng)方案是一種可能的解決方法。然而在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，數(shù)據(jù)更新速度極快，特別是防汛系統(tǒng)中的降水?dāng)?shù)據(jù)具有無序性、突發(fā)性和易失性，數(shù)據(jù)的價(jià)值會(huì)隨時(shí)間的推移而急速流失，這就要求Web-basedDSS對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，幫助決策者進(jìn)行實(shí)時(shí)決策。當(dāng)前大多數(shù)Web-basedDSS對(duì)實(shí)時(shí)決策情景分析及實(shí)時(shí)決策效果評(píng)估的技術(shù)支持明顯不足，即便部分Web-based DSS已具備了實(shí)時(shí)決策功能，但采用的算法技術(shù)較為傳統(tǒng)，計(jì)算效率不足，也很難滿足當(dāng)前嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)性要求。因此，如何讓W(xué)eb-basedDSS滿足實(shí)時(shí)決策和事后決策協(xié)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(jié) 語

Web-basedDSS克服了傳統(tǒng)DSS開發(fā)維護(hù)成本高、信息交互功能弱、對(duì)使用者的技術(shù)要求高等缺點(diǎn)，打破了水資源管理者之間、管理者和開發(fā)者之間的溝通壁壘，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與關(guān)聯(lián)分析、水資源協(xié)同管理等方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)水資源管理事業(yè)的發(fā)展，Web-basedDSS在基礎(chǔ)理論和算法技術(shù)方面存在的不足使其無法與大數(shù)據(jù)環(huán)境相適應(yīng)，下一步應(yīng)繼續(xù)提高Web-basedDSS在全局綜合決策、效果實(shí)時(shí)評(píng)估方面的效能，以順應(yīng)水資源管理信息化的發(fā)展趨勢(shì)。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】