国内水利决策支持系统SLDSS开发与应用的现状研究

苗俊岭

【摘要】进入21世纪以后，关于决策支持系统的研究大幅度加快，而国内的各项水利项目依次开发出各种基于不同技术上的决策支持系统，这些水利决策支持系统（SLDSS）大多是基于水利部948项目的背景下形成的，所以虽然其核心技术纷杂不同，但是有必要对各项SLDSS的子系统做一个统和整理以便于系统开发者和部门领导能更好的整合理解各个系统中的数据关系，和整个SLDSS的系统框架。

【关键词】水利 决策支持系统 SLDSS GIS

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）50-0012-02

1.背景

1.1 决策支持系统应用于水利工程的由来

早在1947年英国就有了SLDSS的雏形，当时在英国成立的HR Wallingford是英国客工部的政府水利研究机构。1982年HR Wallingford 从环境部私有化，1987年成为了软件有限公司，致力于为水工业开发世界领先的软件工具。并于2003年初打入中国市场。此后中国的水利决策支持系统进入了快速发展阶段。

1.2 SLDSS简介

由于水利的包含内容较广所以SLDSS的内容也较繁多，包括水资源实施调控、水资源灌溉、洪水预报和防洪调度、水与生态管理、水质调节、船闸运营等各项内容，虽然各项子系统之间的联系紧密，但由于各自的模型选用有极大差别，影响因素也难以统和，故而子系统的开发应用极为不平衡，其中防洪系统是SLDSS整个系统的核心，其开发也趋近于完善，这其中以黄河小浪底以下河段的防洪系统为代表，而水资源灌溉和水质调节也有很多完善实例，而水生态管理的开发最为缓慢，现停留在理论分析和尝试阶段，还没有完善的代表系统出现。

2.子系统概述

2.1防洪预报和防洪调度

该模块是SLDSS中开发最完善的模块，主要用于实现防洪预警，水位调控。辅助功能有水灾模拟和风险分析。这里介绍两种基于最新技术的防洪系统。

2.1.1工作流程基于事例推理CBR方法的防洪系统

通过检索相似事例来辅助决策。系统结构由人机系统、调度事例库系统、知识库系统、推理系统、模型库系统、多库协同器组成。其系统的关键是事例检索模型的构建，这其中又以事例属性相似度模型和事例整体相似度模型的选择最为困难。

2.1.2基于数据仓库和OLAP技术的防洪系统

该系统原型是“多数据库+数据仓库+OLAP+数据挖掘+结果展示”的分析模型系统，在此基础上进行优化又加入了数据集市，进一步提高了数据的利用程度。此系统的运用更加灵活，可以配合GIS进行洪险预测和模拟。

2.2水资源灌溉与资源优化配置

关于灌溉决策系统其实是SLDSS中比较简单的一部分，因为影响灌溉决策的条件相对于SLDSS其他子系统的因素相对较少，这是由于虽然环境复杂，但是特定的地区环境不同，所以一般都会单独根据自身情况去设计自己的灌溉决策系统以实现水资源的优化配置。例如青狮潭灌区灌溉决策支持系统，还有霍泉灌区灌溉用水决策支持系统。不过虽然其种类较多，但是总结起来其模型构建确实大同小异，根据其影响原因的偏重点不同大致可以分为从节水方面考虑和从客观环境考虑两种类型。

2.3水生态管理与水质调节

20世纪70年代起，国际上开始研究环境决策支持系统，即（EDSS），21世纪后随着地理信息系统（GIS）的迅速发展，GIS在EDSS构建中发挥了也来越重要的作用，而最新的水生态综合调控决策支持系统其实就是由早期的EDSS结合近年发展起来的GIS系统，而完成的一种综合性的生态环境决策系统。

2.3.1水生态管理

该系统主要功能包括：水生态安全预警和应急、水量调控、污染物控制、淀区净化、综合调控、查询知识库。目前国内该类系统在水文过程的模拟方面还不完善，并且由于水生态环境决策影响因素复杂繁多，没有固定的决策模型可以套用。比较成功的只有白洋淀水生态综合调控决策支持系统，柴达木盆地水资源决策支持系統。

2.3.2水质调节

现今国内的水质调节决策支持系统多是为水质预警和饮水安全评价构建的，因为地理信息不同，预测目的不同，所以设计出的系统模型相差非常大。例如一些模型仅仅将NH4和COD（化学需氧量）浓度作为水质评价标准，还有一些则以EFDC-WASP为核心模型。由于模型不同，所以水质调节决策系统的构架也有很大区别。

3.各模块的核心技术群

3.1 GIS（地理信息系统）

地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，GIS是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。

SLDSS系统的模型建立离不开对于地理信息的分析测量，按照模型与GIS的集成紧密程度一般可分为外联式集成、半紧密内嵌式集成和紧密内嵌式集成三种方式。 如今已经在很多系统中实现了外联式和半紧密式内嵌集成。而紧密内嵌式集成实现较为困难，目前还需进一步研究。

3.2层次化设计技术

由于在SLDSS中系统，各子系统模块之间、子系统内部模块之间的联系非常紧密，所以需要很好的安全保障机制，目前可以采用层次化设计技术使各数据层具有数据隔离和类似于防火墙的效果。

3.3 ES系统

专家系统（Expert System，ES）的概念是基于这样的一种假设：专家们的知识——即解决问题的方法与方式，可被保存和习得，它可被保存放在计算机设备中，并可被别人需要时使用。之所以这种系统在SLDSS中如此重要是应为SLDSS涉及到一个极大群体的水资源安全，涉及到众多群众的生命，所以不论是对于防洪预洪，还是灌溉决策亦或是水生态调节，在系统辅助决策之后往往也不能在决策者群体中达成定论。此时ES系统将能对于SLDSS的辅助决策结果进一步推理，完善决策，这样才能使决策结果更让人放心。

4.SLDSS系统设计

大多数的DSS系统都是由三大部分组成，即数据库系统，模型库系统，人机交互系统。但是SLDSS系统和普通的DSS系统由于在功能定位上的不同，在每层结构的细节设计上还是有极大差别的。

4.1 SLDSS设计特点

首先SLDSS是一个DSS系统集团的概念。并非单只应用于某个组织内部的单独系统，例如单独的防洪预洪系统决策系统只是SLDSS系统的一部分，虽然其本身也是完整的DSS系统。所以SLDSS设计中关键要解决的就是多个DSS系统数据的共享，并将其赋予适当的权重，综合各方面的数据来源作出决策。

而且由于多个子模块之间的数据经常会有重复的决定项，例如在灌溉决策系统和防洪预洪系统中的数据关键项中都有汛期水位这个数据项，季度降雨量这些数据项，那么单独作业的DSS系统是否可以不必重复的向各自的数据库录入相同的数据呢？完善的SLDSS即是为了解决这类重复作业而产生的系统。

4.2系统设计方向与实现目标

系统设计的目标有有四个，分别是：（1）通过类似集成化的设计来提高部门之间的信息流通速度。（2）通过建立工作组模式来使模型和相应的仿真方案能为水务机构提供长期决策支持服务。（3）将多个DSS系统通过关键数据项连接来提高系统可靠性。（4）实现对多个DSS系统交互的数据精简。

4.3设计详情

由于SLDSS可以看做是多个DSS的整合，所以这里就按照DSS的系统结构来详细说明。

4.3.1数据层设计

数据层主要包括三个方面：（1）数据源的数据收集，包括各个子系统所有需要的无重复数据项，将水利基础信息归纳为：水文数据、供水数据、气象数据、工情数据、社会经济数据等等，每一类的数据都可来源于不同的数据库。（2）数据仓库：数据仓库是集成的，数据仓库的数据有来自于分散的操作型数据源，将所需数据从原来的数据中抽取出来，进行加工与集成，统一与综合之后才能进入数据仓库。（3）数据集市（重要）：简单的来说数据集市就是一个从操作的数据和其他的为某个特殊的专业人员团体服务的数据源中收集数据的仓库。这里加入数据集市是应为SLDSS面向的是同一领域的不同行业的人群，在数据交换上难免会出现交流障碍，所以必须加入数据集市。

4.3.2 模型层设计

SLDSS的模型层和传统的DSS模型层没有较大差别，在OLAP模块和和数据挖掘模块只需要结合自身需求特点设计即可。但是由于不同地域和环境的学者对于洪水、灌溉、水生态环境决策的标准不同，数学模型的建立常常有很大差异，故而在导入数学模型的时候不能将其他地域的同类型模型照搬。但是可以集成多个不同的同类型决策模型来根据用户需要调用。例如同样是灌溉决策系统，在曾芳芳的《水库灌区管理决策支持系统的研究与开发》中提及灌区模型应该包括“灌溉配水子模型，排涝子模型，灌区农作物优化种植比自模型和灌区抗旱预报子模型”。而在张洋，韩文霆《作物灌水量决策支持系统开发》一文中则提到灌溉模型是由蒸腾蒸发量模型和灌水量模型两个模型决定的。这是由于决策者偏重点不同在对待同样的问题的时候，采取了不同的决策模型，故而无法讨论不同模型的优劣，所以将同领域的不同问题模型集成进SLDSS的模型层的数学模型库中士非常必要的。

这样集成的大量模型如果按子模块来区分大类的话可以分成防洪预洪模型、灌溉决策模型、水资源优化模型、水质管理模型、水库船闸水闸管理模型五个大类。

4.3.3 人机交互层

该层不能像通常的DSS一样只是分为客户端浏览器和GIS系统两个部分。因为完整的SLDSS面向的对象是不同组织，不同专业的人员，故而GIS系统的输出结果面向的是更广的人群。要达到这样的要求需要统一或者分类。而如果进行一个统一的标准化，将使系统的普及难度加大，故而这里选择用权限分类和身份识别相结合，辅助集成多类GIS系统。

详细的来说，首先将对用户进行分类，并设置行业身份识别系统，并附加上对应行业的GIS辅助系统，其次将同一行业的用户分为管理层和客户层以此来确保系统数据的安全性和真实性。最后管理层中除了可以统一设置的系统管理员、模型管理员、数据管理员可依据不同子系统划分更详细的管理员类别，例如水資源优化系统的管理层就可单独设立水质监测管理员，生态环境监测员。这样详细的划分是为了使不同行业的人不能轻易的修改单项的数据。以通过系统的上下核对确保所有数据的安全，避免大范围的混乱。用户层则只能查阅权限范围内的数据，并且通过身份识别为其选用的GIS进行数据的处理。另外该层要有一个GIS类别库，根据身份识别和权限系统对GIS库进行不同程度的调用。最后将经过GIS处理后的最终的结果，放入ES系统中进行专家决策，并且充实知识库（该库在数据源中），作出辅助决策。

4.4工作流程

首先数据仓库从数据源中抽取整理众多数据，然后再由数据集市将统和过的数据进行对于不同行业人员的翻译整理，分别输入模型层，模型层中根据本文4中的数据制约关系，在带入各个模型的时候选择约束过后的数据进行数学模型计算，并且在该层进行OLAP分析和数据挖掘。将结果传递到下一层，首先在身份识别和权限系统授权之后选择可用的GIS模型来结合模型层给出的数据，然后可选择性的决定是否根据ES系统作出辅助决策，最终将结果传递到浏览器接口。

5.结语

水资源是最底层的自然资源，是生态环境维持的决定因素，同时又是可持续发展战略的经济资源。水资源短缺、水污染严重，水资源分配不均，还有洪涝灾害等等迫切需要解决的问题已经成为我国可持续发展的重要制约因素，因此开发水资源综合管理决策支持系统对于我国未来发展有着重要的现实意义。本文从对国内目前SLDSS的开发现状上进行初步探究提出了一种开发方向。但是在细节上还不够完善，比如用大量数据源的自动录入代替人工录入、远程GIS结果分享技术的实现。这些还有待进一步的研究。完善的SLDSS系统开发不仅依靠水资源管理部门，还必须有防洪预警部门、林业部门、水质监测部门、农业部门等众多部门的参与，这些部门的协同工作才是SLDSS系统完善的保证。

参考文献：

[1]严伏朝，解建仓，秦涛.基于事例推理的水库防洪调度决策支持系统研究，西北农林科技大学学报第39卷第10期：215-211

[2]郭羽，贾海峰.水污染预警 DSS系统框架下的白河水质预警模型研究，环境科学31卷12期：2865-2867