基于网格平台的水文预报集成应用模式

2011-04-30张永进李建勋

水利信息化 2011年1期

蔡阳，汪妮，张永进，李建勋

（1.水利部水利信息中心, 北京 100053；2.西安理工大学水利水电学院, 陕西西安 710048）

0 引言

洪水预报的现代化进展紧密伴随着新技术，如信息、网络、空间科学等技术；伴随着新理论，如系统论、信息论、控制论等的应用，这些新技术、新理论的发展和应用已大大改变了水文情报预报的技术面貌；同时，信息、网络、软件等技术的不断进步，也推动着洪水预报工作向自动化、智能化和集成化方向发展。由此，多学科交叉渗透所形成的现代化洪水预报技术是洪水预报发展的总趋势，也是洪水预报系统的发展方向。

随着国内外洪水预报模型和方法的研究，我国的洪水预报技术也取得了长足的发展。但是洪水预报在实际应用上仍然存在着许多问题，主要表现如下：常用的预报模型、方法及软件标准不统一；系统低水平重复开发严重；制定预报方案过程复杂，没有方便、强大、通用的模型率定系统，预报方法单一；预报系统的输入、输出不独立，文件格式和标准不统一，图形功能不强；预报模型应用程度不高，系统功能不全，系统开发因人而异，大量现有预报方案没有计算作业等。因而导致全国各地不同程度地低水平重复开发、研制，新技术应用起点低，预报方案、系统功能不全，应用不便，扩充性不强[1]。造成目前这种状况的主要原因是缺少统一规划、集中开发、推广应用的管理机制。因此，研究和探索洪水预报的综合集成应用模式是解决上述问题的有效途径。

1 洪水预报的集成应用模式

水文预报就是据已知的信息对未来一定时期内的水文状态做出定性或定量的预测[2]。随着信息技术的发展，水文预报几经发展到基于洪水预报系统的阶段。洪水预报系统是各项洪水预报技术的集成，是 1 项重要的防护减灾的非工程措施[3]。虽然经过多年的努力，洪水预报系统的设计、开发及应用水平在一定程度上有了进步和提高，但还存在许多问题。这些问题使得现有的预报方法、模型和软件系统推广使用难，相互交流难，预报成果对比分析难，正确评估难，进而阻碍了洪水预报的进一步发展与提高。

针对洪水预报中存在的问题，本文提出了面向服务，基于平台、组件、主题、可视化的洪水预报集成应用模式，即平台支持下的洪水预报：由组件、主题、知识图快速组织应用，丰富的多元信息可视化表现直观应用。洪水预报集成应用模式以事件为驱动，通过事件形成应用主题，在主题牵引下，通过组件实现预报模型，通过 Web 服务发布预报模型，通过知识图和洪水预报模型组件组织应用，通过平台搭建洪水预报系统。

洪水预报集成模式具有以下特点：1）面向服务，是指洪水预报平台是基于面向服务的体系架构（SOA），预报模型基于 Web 服务。2）基于主题，是指洪水预报集成应用采用主题驱动，围绕主题来组织信息和资源，根据主题快速搭建预报应用。3）基于知识图，是指洪水预报集成应用模式采用知识图来组织应用，描述事件、主题、业务过程、应用流程、逻辑关系及相关知识。通过知识图将洪水预报与相关的信息关联起来，实现面向主题的洪水预报。通过知识图组织洪水预报可实现洪水预报的应用集成。4）基于组件，是指洪水预报集成应用模式通过将洪水预报模型及参数估计方法组件化、标准化，形成洪水预报模型和参数估计方法标准组件，通过 Web 服务的方式对外发布这些组件，采用组件搭建的方式构建洪水预报业务应用。通过组件可实现洪水预报模型标准化和应用集成。5）基于平台，是指洪水预报集成应用模式采用知识图、组件组织和搭建应用，基于平台构建洪水预报系统。

2 洪水预报综合集成服务平台框架

随着水利信息化发展，水利正在从传统走向现代。信息资源的快速增加、系统间的数据交换、异构库的数据访问、资源的高效利用、系统间的协同工作、软件的复用等技术越来越受到水利界的关注。采用“物理分散，逻辑集中，按需获取，分布处理，统一调度”的网格技术平台方案，是解决水利业务应用的关键技术，它以 SOA 为基础[4]，以服务能力描述、注册与发现、动态绑定、组合功能实现机制为核心，以安全通信、单点登录、多方协作的信任传递机制为保障，在虚拟的组织结构中，实现信息共享资源、可配置的动态信息服务、协同分布式支撑应用、知识化的集成决策服务。

在水利信息化综合服务体系指导下，采用中间件[5-6]、网格[7-9]、综合集成研讨厅[10]等技术构建洪水预报综合集成服务平台，平台的总体框架如图 1 所示。

洪水预报综合集成服务平台具体组成如下：

1）采集传输层，负责各类水利数据的采集与传输，通过建立数据采集与传输系统可实现信息的高效采集和传输。

2）通信网络层，包括各层级用户所在地的局域网和将各层次局域网互连的广域网。

3）数据资源层，是信息汇集的目的地，是数据存储与管理的基础，包括多个基础、专用、主题、元信息库等。

4）平台层，包括面向资源整合的网格平台、基于中间件的应用支撑平台和洪水预报综合集成服务平台。这 3 个平台共同构成洪水预报应用支撑平台，分别提供资源整合、应用支撑和集成服务功能。面向资源整合的网格平台主要通过数据、信息及计算等网格实现数据和资源整合，同时，提供数据、信息和计算服务。基于中间件的应用支撑平台可有效隔离下层数据与上层应用之间的直接联系，方便系统灵活扩展、建立与业务系统之间的数据共享通道和业务协同关系。洪水预报综合集成服务平台的主要功能是通过应用知识图库、预报模型及参数估计组件库和主题服务标准库，快速搭建洪水预报系统。

从图 1 可以看出，洪水预报综合集成服务平台框架与传统的平台框架有很大不同，传统的平台框架一般还包含业务应用层。洪水预报综合集成服务平台是基于面向服务的体系架构，所有的业务应用都是以组件的方式被实现，通过 Web 服务的方式对外提供服务，并且可通过服务组合的方式搭建具体的业务应用系统，所以，洪水预报综合集成服务平台框架下就不再有业务应用层了。也就是说，在支持服务的洪水预报综合集成服务平台体系下，已经不用再去设计和开发具体的洪水预报系统，而是在综合集成服务平台上，通过搭建的方式快捷构建洪水系统。

3 综合集成应用模式实现的关键技术

3.1 洪水预报模型组件化

3.1.1 模型组件化

图1 洪水预报综合集成服务平台总体框架

洪水预报模型之间有很多共同之处，为了提高模型的利用效率，利用组件技术把这些洪水预报模型拆分成各个独立的组件，实现更小粒度的软件重用。例如，三水源新安江模型主要由三层蒸发、蓄满产流、三水源划分、流域汇流 4 个计算过程组成，具体划分如图 2 所示。因此可以将 4 个计算过程开发成具有固定访问接口的独立组件，由这 4 个组件可以构建出三水源新安江模型的主要计算过程。基于 Web Service 技术将模型组件发布成服务，形成洪水预报模型库。通过不断积累和完善，最终可形成 1 个通用的洪水预报模型库，通过服务的方式调用模型库中的模型来构建洪水预报系统，避免重复开发。

3.1.2 参数率定方法组件化

模型参数率定是洪水预报中的 1 项重要内容。参数的好坏直接决定着洪水预报的精度，因此，关于洪水预报模型参数率定问题一直是洪水预报研究的 1 个重点和热点。参数率定方法大体上可分为人工试错法和自动优选法 2 种。人工试错法是根据人的分析和判断使目标函数达到最小；自动优选法是借助一定的数学方法实现模型参数的自动优选，如最小二乘法、单纯形法，以及近年来出现的遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。基于Web Service 技术将各种参数估计方法组件化，形成模型参数估计方法库，实际应用中可根据需要选用 1 种或多种率定方法进行模型参数的估计。

3.2 洪水预报服务中心

为了让更多的组件使用者及开发者有机会发现并使用组件库中的组件服务，需要使用 UDDI 统一描述、发现和集成技术将每个 Web 服务注册到 UDDI 中心，供用户使用。洪水预报模型组件库的建设目标是建立 1 个基于 Web 服务的组件库系统。洪水预报模型组件库是面向洪水的专用组件库，组件库中存放的是提供洪水预报服务的组件，与在 UDDI 中注册的 Web 服务不同，洪水预报模型组件库中的 Web 服务是受控组件，其注册、使用都是在有限的范围内使用。因此，需要构建 1 个面向洪水预报的专用 Web 服务注册中心。

图2 新安江模型组件划分

基于 JUDDI 的洪水预报 Web 服务专业注册中心可面向整个水利行业，提供各种洪水预报 Web 服务的注册和发布功能。不同地域、部门可通过该中心注册和发布自己的洪水预报服务。对于不同地域、部门的洪水预报服务，洪水预报服务注册中心可通过创建不同节点的方式，实现对分布的 Web 服务的注册和管理。

洪水预报 Web 服务注册中心有以下 2 种部署方式：1）部署在水利部门内部，面向部门内部提供Web 服务的注册和发布功能。例如，可将洪水预报服务注册中心部署在各省、流域的水利信息中心，为各省、流域水利部门及其下属各部门提供洪水预报服务的注册与发布服务。2）部署在水利部水利信息中心，面向全国所有水利单位提供洪水预报服务的注册与发布服务。通过水利电子政务专网，全国各水利部门都可以通过洪水预报服务注册中心实现洪水预报服务的注册与发布。

3.3 洪水预报模型搭建

3.3.1 基于知识图的知识可视化

知识图是一种以图表方式表达的知识管理方法。知识图有不同种类，大抵包括概念图、脑图 2 种，也有称为语义图、组织图，此外，专门针对推理的知识图称为推理图。知识图是描述洪水预报事件、主题、业务过程、应用流程、逻辑关系及相关知识的工具。通过知识图将洪水预报与相关的信息关联起来，可实现面向主题的预报应用；通过知识图组织洪水预报模型，可实现多模型多方案的综合集成预报。

3.3.2 洪水预报模型可视化搭建

基于知识图和洪水预报模型组件可以快速搭建洪水预报模型和应用，单模型搭建按模型的工作流程，将洪水预报模型的各个子组件通过知识图组织和描述。同时，也可以通过知识图组织多模型组合或集成的洪水预报应用。单模型洪水预报模型搭建及应用组织如图 3 所示。

3.4 洪水预报的综合集成服务平台

基于 SOA 和 J2EE 平台技术架构，采用中间件、网格、Web Service、综合集成研讨厅等技术构建洪水预报综合集成服务平台。按照主题提供信息服务，按照需要提供计算服务，按照个性化组织应用提供决策服务。通过平台实现数据、信息、知识、模型、方法的综合集成；采用知识图来关联信息，组织应用过程中的信息，描述事件和应用主题，并开展工作流程管理和服务组合；通过知识图和洪水预报组件实现多模型集成预报；由丰富的多元信息可视化方式直观表现应用；通过平台的综合集成，构建洪水预报应用系统，实现水文预报的集成应用。

图3 新安江模型组件搭建实例

4 洪水预报集成应用实例

流域断面单模型预报有很大弊端，首先不能确定预报结果的可靠性，其次只有单预报单方案，没有可选性，使领导很难做决策，不理性。应采用多个模型同时进行洪水预报，将各个模型预报的结果进行对比分析来确定预报方案。例如对陕西安康水库可以同时采用新安江、陕北、萨克拉门托、水箱、多输入单输出等模型进行水库水文预报，通过这 5 个预报模型，产生 5 种预报方案。

多模型洪水预报的实现实例如图 4 所示。

5 结语

针对传统水文预报中存在的问题，在以往研究成果的基础上，结合当前先进的信息、软件开发技术，依据综合集成思想，采用组件、Web Service 等技术将洪水预报模型和参数率定方法划分为功能相互独立的组件并发布为服务，形成通用的预报模型组件库和参数率定方法库。通过知识图、业务组件组织应用，采用可视化技术、GIS 等多元信息展示模式表现应用。基于 SOA 和 J2EE 平台技术架构，构建面向服务洪水预报综合集成服务平台，在平台下实现洪水预报的集成应用。在该集成应用模式下，根据业务的需求，可迅速搭建出洪水预报系统。这种面向服务的、可增长的，由平台、组件、知识图、可视化工具组成的新的洪水预报系统建设和多模型集成应用模式将具有很好的推广价值和应用前景。