水利业务流程可视化及其在水资源配置中的应用

刘 军,李建勋,解建仓,佟 瑞

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048)



·信息科学·

水利业务流程可视化及其在水资源配置中的应用

刘 军,李建勋,解建仓,佟 瑞

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048)

在分析水利业务流程需求的基础上,采用组件技术、服务组合、工作流等技术,给出一个业务系统流程可视化及组件化编排框架,并在水资源配置中加以应用。在以知识图为核心的业务逻辑描述中,建立知识可视化服务模式,通过业务组件化封装和工作流方式的业务系统构建,更加有效地表征业务活动的相关信息,降低水利业务系统开发的复杂度,为其规范化建立和快速搭建提供基础支撑。

业务流程;可视化;水资源配置

水利行业有其自身的特殊性与复杂性,涉及面宽,专业众多。水利信息化的内容十分广泛,建设项目的专业性、技术性强,常常需要专业性应用软件作为辅助工作,然而专业性应用软件的开发难度大、投入大、风险大、失败率高,这就要求分析设计与开发人员必须懂得水利行业领域和计算机领域的大量知识。加之水利业务系统更新换代快,业务流程复杂多变,特别是高精度系统模型则需要动态参数率定,个性化特征强烈,应用者经常需要根据自身需要或设想来设定应用的逻辑过程和算法模型,从而导致业务系统不能一成不变地遵循一种规则化的建设模式,水利行业需要一种灵活性和扩展性较强的业务系统服务平台,在该平台中重点提供简单易用的可视化开发和应用模式,降低业务系统开发所需的知识门槛,实现业务系统的快速搭建和服务。然而在此方面的研究大多集中于行政审批、项目管理、工程设计等方向。如Porse[1]使用可视化网络理论,分析水利基础系统网络的连通性和弹性,通过移除连接性部件评估了网络退化对系统的影响,揭示了连通性、效率和中心管控之间的复杂关系,并在加州旧金山湾区子系统进行了应用。Yldlrlm[2]采用Multi-flowCAD开展了次干线管道的可视化设计,探讨了其计算方法、可视化模型及其实现方法,为进行细粒度的水资源传输提供了一个可行方案。彭昌义[3]则结合水利水电工程造价及招标管理的实际,归纳了系统的业务流程和信息流程,提出了系统结构框架和功能模型。考虑到水利工程设计环节之间相互耦合,张照辉[4]把面向功能处理模式转变为面向设计流程的处理模式,建立了具备业务流程管理能力的系统体系。刘海瑞[5]则探讨了水利国际合作业务、科技业务、技术监督业务的流程梳理和表单格式,总结了目前水利部电子政务系统的总体架构,并建立了管理业务流程。在业务服务上,Villanueva[6]以智慧城市为应用场景,运用不同符号来标识水量供给和水利灌溉等,为水利业务服务的可视化提供了部分解决方案。王慧敏[7]则提出了一种基于面向对象工作流网的枢纽抽水站业务过程模型,解决了状态转换图与语言的转化问题。将工作流技术与水利网格作业注册相结合,杨明祥[8]以水利行业对计算资源的需求为背景,阐述了可视化作业注册组件的设计开发方法。丁建新[9]还结合水利统计工作的层次和环节,对统计业务流程进行了分析,提出了水利统计软件的设计框架及功能设计。另外,在系统软件方面,Horsburgh[10]在开源ODM工具的支持下,还开发了Python脚本，提供了时序数据处理可视化方案,有效地解决了水质数据的监测、收集和后处理问题。

纵观现有研究,在水文预报、水库调度、水资源配置、应急响应等方面业务流程的探讨十分匮乏,包括近年颁布的《水利信息化业务流程设计方法通用指南》[11]也主要是对业务流程的业务调研、建模准则、建模操作和模型评估进行了规范,还未深入到灵活、可扩展的业务系统建设以及业务流程快速搭建方面。为此，文中在分析水利业务流程要求的基础上,采用组件技术、服务组合、工作流等技术,建立了一个业务流程可视化服务框架。

1 水利业务流程分析

在水利行业中,水利工程建设管理、水资源配置、水库调度、水文预报等众多工作均是业务流程的集合。业务流程赋予了水利信息化服务的逻辑过程和任务界定,人们通过业务流程的层次性，由上至下、由整体到部分、由宏观到微观、由抽象到具体等方面逐步剖析工作任务的逻辑关系。在当前的水利信息化进程中,各流域机构和行政部门业已建立了多种具有业务流程管控能力的业务系统,但随着信息化技术的提高以及对更加直观、具有丰富表现力的可视化系统的需求,水利行业迫切地需要一种能够更加贴近决策者和管理者需求的业务流程可视化服务系统,使决策层、管理者、使用者可以清晰地查看到系统所内含的业务逻辑和数据流程,并可以融入个人知识进行修改、完善。其主要体现在以下3个方面:

1)业务流程可视化程度不足:众多水利信息系统将业务流程内嵌在系统内部,并不开放,水利数据在业务系统处理方案中的各个活动均被整合在模块化结构或者面向对象的类中,且作为一种非可视化算法附着于水利系统而存在,单个的业务活动并不具有可视化能力,用户可查看的是水利系统运行结果,而无法观察各活动的状态特征,特别是活动临时信息，在一次使用后即刻抛弃,破坏了对系统结果的可追溯性。

2)业务流程难以扩展和完善:由于构成业务流程的活动被内嵌在系统中,因此所建设的业务流程则被固化,难以从水利系统软件中剥离,有的水利系统只能采用插件的方案来提高系统的可扩展性,但这种扩展性还不够灵活,难以改变业务流程的方向,尤其是在算法更换、逻辑变化、参数调整等状况出现时,则不能通过灵活的更换或完善业务流程中的活动，来响应这些需求的变化,从而导致系统服务的僵硬,无法跟随技术更新和业务应用需求的提升,难以为决策服务提供深入的支持。

3)业务流程中的各个活动难以共享:大多数水利业务系统均面向特定的工作需求,各自为政,独立完成一个特定的信息处理任务,每个活动在系统分析和设计时虽然采用相对独立的建设思路,但在水利系统完成后则被紧紧聚合在一起,无法从系统中拆分,从而具有共性的活动不能够共享,也无法被其他水利系统或平台加以重用。

2 业务流程组件化及编排

为了在业务系统运行期能够实现业务活动状态的可视化,将业务活动以组件为单元进行封装形成业务组件。业务组件可以是简单的算法过程,也可以是提供决策支持服务的数据挖掘、人工智能、优化算法等方面的处理模块。在组件封装过程中将可视化元素置入到用于描述业务活动的组件中,建立业务组件的可视化表示图元,每个业务组件以一个形象的可视化图像来描述,各业务组件拥有输入和输出属性,并对输入输出的数据信息资源加以分类,每种类型均单独制作表现组件来完成其信息内容的展示。然后给业务流程中的各业务组件建立事件监听机制,接收来自交互式操作的事件源,在部署时将业务组件的事件处理机制与表现组件相连接,从而使得在业务系统运行期对业务组件的事件操作即可触发展示组件的调用,通过展示组件来查看业务互动的相关信息。其次对各业务组件建立状态表,将业务组件运行期的运行时长、所使用的计算节点、运算程度等状态信息加以存储,通过状态列表方式便于用户在业务系统运行过程中查看。最后将业务组件运行的历史记录以日志方式存储,按用户定制要求定时或定期性规范化管理,为各业务组件所采用的输入、输出和运行期的状态信息提供查询环境和可追溯方案,一方面使得业务用户可以追溯系统结果的计算流程与来源,另一方面在保存系统处理或运算成果的同时保存了业务流程信息,实现了处理模式经验的积累。

基于业务组件,业务系统的开发采用图形化编程方式,把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成菜单或图标提示的模式,通过选择带有可视化描述特征的组件,并用线条把各种业务组件连接起来,如图1所示,建立工作流程,形成业务服务,以更加直观的方法可以降低大量系统开发时间。更重要的是图形化的程序逻辑更符合人们以往的工作习惯,清晰易懂,并对于开发过程中的质量控制以及技术档案的管理,特别是业务人员的个性化定制和二次开发都有很大帮助,可快速应对决策需求的变更,具有良好的可扩展性。在实现上,图形化编程方式采用可视化的逻辑图来组织内部的计算任务和业务编排[12],将业务进行封装,构建具有标准交互接口和独立算法核心的业务组件,把服务组合框架引入到应用框架中,通过业务编排形成与服务对应的作业模型,以数据流作为水利业务的编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序(图标表示任务,连线表示数据流向,产生的程序为框图形式),以混搭方式建立一个可编辑、可重用、机制灵活的业务服务环境,从而形成一种以专业主题为特色、以个性化服务为特征，可编辑、可重用、机制灵活的业务服务环境,一个按需构建的空间信息服务平台,进而合理化部署业务应用,便于业务节点调度方案的实现,也有利于展开水利业务应用的细化研究和分层研究。

图1 业务组件编排示意图Fig.1 Arrangement of business components

3 知识可视化服务模式

为了提高业务流程的可扩充和表述能力,在引入服务组合思想的基础上[13],采用工作流方式,以数据流作为衔接各个业务组件的重要环节,规范化输入/输出格式,实现上级业务组件的输出流与下级业务组件的输入流的对接,以数据流模式完成业务组件之间的数据信息交换,通过业务组件内部的算法来处理数据信息。最终服务组合编排完成的业务流程将以一个图的方式体现,称之为知识图，其定义如图2所示。

图2 知识图定义Fig.2 The definition of knowledge map

采用XML方式对知识图要素加以保存,并重点将数据的流向、组件信息、展示方案等内容分块单独详细描述,完成文件信息向知识图的解析,使得用户可以根据XML重现业务系统的工作流程,便于通过更换、修改知识图中业务组件来实现业务系统的变更和完善。并且由于用户或专家根据个人需要或自身掌握的专业技能所建立业务流程具有一定的经验性质和知识特色,因而知识图的文件存储方式也使得这种知识得以保存,进而提供决策支持服务。随着业务系统数量的增多,知识图将逐步以可反向解析的文件方式积累,也可以依靠业务组件的修改、更换使得业务系统得以完善,从而在提高系统的灵活性和可扩展性的同时,为水利业务服务积累大量业务知识。与此同时,知识图中的业务组件还具有可视化特征,为用户提供了多样性的业务活动状态信息和数据流信息的展示方案,实现了知识内容的可视化和知识产生过程的可视化,丰富了决策成果的直观表现。

4 配水业务综合集成开发

在综合集成环境[14-15]的支撑下,配水业务应用系统的开发则采用“分散开发,集中搭建”模式,在硬件采集系统及通信网络建设的基础上,通过数据集成和云计算屏蔽物理层的异构性和分散性,实现信息的按逻辑映射和集成化安全处理,并在建设展示环境和分析计算环境的同时,提供对组件技术、知识图技术、可视化技术的可信服务支撑,形成对业务服务的解决方案,实现资源共享服务、动态配置服务、协同分布式服务和集成决策服务,进而将水利业务系统建设问题转化为综合集成环境下的业务组件开发和应用系统搭建问题,使得含有严格管理制度和红线约束的业务系统开发只需要实现服务的展现,而不必去实现具体的业务,更不用去关心数据的结构及其存储位置。进而在配水业务系统的开发过程中,通过水资源业务需求主题化,逐步建立最严格的水资源管理主题库;按照服务组合思想,实施业务流程和行为操作的组件化,逐步建立业务组件库;以主题应用模式为基础,将业务逻辑、流程、组织知识图化,逐步完善知识图库。在流程管理中,逐步实现制度标准化、知识化,从而形成基于组件、知识图、主题、可视化的综合集成服务模式。在该模式中,业务系统开发的核心将是面向服务,由组件、知识图、主题快速组织和搭建应用(而不是重新开发应用),开发过程如图3所示,从而在更高层面、更大力度上实现知识的积累与重用,促进配水知识的管理、存贮、组织和使用,进而构建出具有较强的自主性、灵活性的业务应用系统。

经过长期的积累,知识图和业务组件将形成一个可共享、可重用的业务资源库,分别称之为知识库和组件库,同时把应用于同类工作任务的知识图进行聚集,形成特定应用服务的主题库,诸如:预报主题、调度主题、配置主题等,在大多数应用系统服务时,通过组件库、知识库、主题库的共享,用户可直接通过主题库获得一个特定知识图的复制品,即可形成业务系统,而不需要自主开发或者依靠业务组件来搭建,从而大大降低低层次业务系统的重复建设。

5 水资源配置应用实例

柞水县地处西安以南,商州以西,总面积2 366.0km2,年均降雨量742.0mm。“十二五”时期是柞水县经济社会发展的重要转型期,随着“推进农业产业化、加快工业化步伐、加快服务业发展、做大做强旅游业、加大招商引资力度、优化发展环境、壮大劳务经济、推进新农村建设”工作的推进,如何合理地利用现有的水资源,为经济建设服务,则成为柞水县一个重要的研究课题。

为了提高配水结果的可操作性、直观性,我们使用知识图来刻画配水过程,建立可嵌套式的计算单元,通过算法组件和可视化图元为基本要素的系统概化图，建立水量传输关系脉络,表述供水源、用水户和水利工程之间的网络关系,给出供、用、耗、排相关的路线描述,最终形成县、村两级嵌套式水资源系统网络概化图,如图4所示,利用3S信息集成技术,对水源、水库、引水渠道、测站、调水线路、输水管道、重要用水户、污水处理设施进行可视化图标标示,将供水源、调水设施、用水户更紧密地联系起来,为供水水源优化调度提供高效的信息支持,并在图中重点针对水库、引水工程、污水处理厂、输水管线、用水户等建立动态信息更新机制,有效地概化柞水县水资源配置的相关信息资源,以便对水资源进行有效、合理的调配。

图3 基于综合集成业务系统开发过程Fig.3 The developing process of business system based on meta synthesis

图4 柞水县水资源概化图Fig.4 Generalized figure of water resource for Zhashui County

在完成系统概化之后,根据业务需要,建立20个类别的水资源配置组件,如表1所示。基于业务组件,在水量平衡框架下,分别建立需水分析和供水分析业务流程,形成以调整柞水县产业结构为动力系统的目标函数,推进节水措施的实施和水资源的再利用;在供水方面则通过动力系统的平衡点来解决各企事业机构的用水冲突,借助水利工程的调节能力来优化水资源的时空布局。并分别建立控制水量分配、工程调度、水权转换的业务流程,辅助水资源配置决策,把动力学供、配水模型以知识图的形式展现出来,用来检测供、配水过程。在业务流程中,嵌入“3条红线”的考核,如图5所示,针对不同的供水水源设定不同的用户需水比例,同时确定水源应供水总量和应供各村镇水量的最低限值,根据输水工程与用户之间的供需状况,探讨城乡区域内水资源的时空分布不均匀性和水资源开发利用不平衡性对供需问题的影响,揭示水资源供需之间的矛盾，把复杂的供求关系进行更加精细地预测,根据评价指标分级临界值，计算各方案相对于评价总目标的评价等级,反映调度方案优劣程度,使决策者便捷地掌握决策条件变化对评价结果的改变情况,为水源调度方案评估和预警、应急处理等工作提供辅助。

表1 业务组件库中的水资源配置组件分类

Tab.1 The category of water resource allocation components in business component database

序号组件分类序号组件分类1用水户基本信息服务组件2污水处理厂基本信息服务组件3供水管道基本信息服务组件4排水管道基本信息服务组件5用水户总量控制指标组件6用水效率控制指标组件7纳污控制指标组件8来水预测组件开发组件9工业用水户需水预测组件10农村生活用水户需水预测组件11城镇生活及公共用水户需水预测组件12农林牧渔用水户需水预测组件13用水定额组件14水库水源供水信息组件15引水工程供水信息组件16水井水源供水信息组件17水资源优化配置组件18水资源供需平衡计算组件19配置方案评价组件20区域用水结构统计组件

图5 两河乡供、需、耗、排水信息状况及3条红线考核Fig.5 The condition of supply, demand, consumption, drainage and three red evaluation lines of two river township

6 结 论

为了解决水利软件系统中灵活化的业务服务问题,文中结合服务组合理论,采用组件化封装思想,给出了一个业务系统流程可视化及组件化编排的方案,在以知识图为核心的业务逻辑描述中,建立了知识可视化服务模式,通过业务组件化封装和工作流方式的业务系统构建,更加有效地表征了业务活动的相关信息,降低了系统开发的复杂度,为业务系统的规范化建立和快速搭建提供了基础支撑,方便人们对系统处理结果的分析和鉴定。目前文中所提出的水利业务流程可视化方法及其思想已经成功地运用到国家水资源监控能力建设项目陕西省技术方案中,并已投入使用,提供了一个丰富的水利业务展示平台,并支持了业务系统的快速可视化开发,为建立具备“散搭”能力的水利信息化系统提供了一个可借鉴经验。下一步的工作任务是:①集成数据资源、模型构建、组件封装、流程建立、知识图绘制、应用服务等功能,建立一体化的业务流程搭建环境,并将其应用在水文预报、水库调度、防汛管理等方向;②分析系统运行过程中组件的粒度大小问题,形成以操作人员开发能力和系统灵活性、稳健性为核心的粒度确定方法。

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(编 辑 李 静)

Visualization of water business process and its application in water resources allocation

LIU Jun, LI Jianxun, XIE Jiancang, TONG Rui

(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048， China)

Based on the analysis of the hydraulic business process demand, a framework of business process visualization and componentization orchestration is put forward by using component, service combination and workflow technology, then the framework is used in water resources allocation. In the description of business logic with knowledge graphs as the core, a visual service pattern of knowledge is built, which describes relevant information of business activity more efficiently by business component encapsulation and business system structure used workflow, reduces the complexity of hydraulic business system development, and provides a foundation for establishing business system standard and rapidly.

business process; visualization; water resources allocation

2016-09-05

“十二五”国家水体污染控制与治理重大专项课题基金资助项目(2012ZX07201-006); 陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2014JM9365, 2015JM5198);陕西省教育厅专项科研计划基金资助项目(16JK1569)

刘军，男，博士生，从事区域经济与水资源管理研究。

TP311

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-007