智慧水利应用体系及其应用梳理评价研究

2022-01-12程益联

水利信息化 2021年6期

程益联，曾焱

（水利部信息中心，北京 100053）

1 研究背景

1.1 水利应用现状

近年来，国家防汛抗旱指挥、国家水资源管理、国家地下水信息、全国河长制管理信息、农村水利信息管理、水土保持管理信息等系统，以及水利督查工作、水利部在线政务服务、水利部 12314监督举报等平台，水利综合办公等一系列水利业务和行政管理应用得到全面建设与使用，有效提高了水利业务和行政管理的信息化水平。水利一张图在7 个流域管理机构及省级以上水利部门得到全面应用，有效提高了水利数据和应用的整合共享水平。

《2020 年度全国水利网信发展报告》指出：“水利应用系统方面，全国省级以上水利部门共有应用系统 1 853 个，比 2019 年增长了 23.12%，其中，应用范围延伸到地市的系统有 332 个、延伸到县的系统有 310 个、延伸到乡的系统有 21 个、延伸到村的系统有 38 个；纳入统一应用门户的系统有 445 个，上云的系统有 450 个，使用地图的系统有 447 个，其中；使用水利一张图的系统为 39 个、使用流域一张图的系统为 51 个、使用省级一张图的系统为 133 个、使用自建地图服务的系统为 224 个，具备移动应用功能的系统为 412 个，系统整合成效明显。”[1]

由此可见，虽然水利业务和行政管理应用在整合共享方面取得明显进展，但按照构建智慧水利体系的要求仍有差距，尤其需要明确智慧水利应用的类型与目标，并给出对智慧水利应用梳理和体系评价的方法，保障水行政管理部门和水利管理单位能有效根据自身特点，构建符合自身需要的智慧水利应用体系。

1.2 相关信息技术

智慧水利应用除开展传统数据收集、汇总统计、决策支持及泛在化移动应用，更重要的是应在传统应用基础上，开展对新知识的发现并在此基础上运用新知识，从而提升智慧水利应用的水平和能力。在这个过程中，新一代信息技术将在智慧水利应用建设和使用中发挥关键作用。

降水量、蒸发量、水位、流量、工程运行与安全状况等的自动监测，极大提高了对相关特征信息采集的水平和能力，有可能揭示更详细的时空分布规律。卫星遥感、图片、视频等人工智能识别，有效改变了信息获取手段，可以从不同角度审视问题，使不可能变得可能。互联网技术，尤其是泛在网络互联技术的使用，提升了信息汇聚和使用的方式与能力，可以说改变了人类的生活方式，同样也深刻改变着水利业务和行政管理方式。数据库、大数据等数据技术，为海量数据采集与管理提供了可能，同时也为在此基础上的知识发现奠定了坚实基础。机器学习、人工智能、数据挖掘、知识图谱等知识管理与发现技术，为智慧水利应用迈上新台阶，提供了有效的技术手段。

总而言之，新一代信息技术的飞速发展，为不同类型智慧水利应用发展奠定了良好的基础，在交通、金融等公共事务中的使用，为智慧水利应用发展提供了示范，指明了方向。

2 应用体系

按照水利工作领域和智慧水利实际需要，智慧水利应用可分为水利业务、行政管理、决策支持和知识发现等应用。就智慧水利应用而言，前 3 类应用是基础，为水利知识发现应用形成有效数据积累，第4 类应用才是实现智慧水利应用升华的关键。就智慧水利所支撑的水利工作来讲，智慧水利应用体系可归纳为“2 +N”，2 指流域防洪、水资源管理与调配 2 项核心应用，N指支撑其他水利工作的应用。

2.1 水利业务应用

水利业务应用，是用来线上完成水利业务工作的应用。水利业务主要包括水文、水资源、水环境水生态、水利工程、农村水利、水灾害（防汛抗旱）、水土保持和移民等[2]。根据水利业务应用与水利数据的产生方式，水利业务应用又可以分为水利对象[3]特征监测类，如水文、水利工程运行状况、水利工程安全、水土流失等监测业务应用；水利管理活动过程类，如水资源取水许可、生产建设项目水土保持监督管理业务应用等。按照水利业务应用与水利数据使用关系和程度，水利业务应用又可以分为预警类，如河道、水库等水情告警业务应用；预报类，如洪水预报业务应用；汇总统计分析类，如水利统计业务应用。

2.2 水利行政管理应用

水利行政管理应用，是用来线上完成水利行政管理工作的应用。水利行政工作主要包括综合办公、政策与法规、财务与审计、人事与教育、国际合作、科技管理、安全监督、纪检与监察和机关管理等。根据水利行政管理应用与水利数据的关系，水利行政管理应用又可分为管理过程类，如公文流转、财务报销、财政预算项目申报、科技项目申报、人事干部管理等应用；预警类，如财务支出风险、水利工程运行安全、技术人员与领导干部队伍等预警应用。

2.3 水利决策支持应用

水利决策支持应用，是在利用已知知识和数据基础上，在微观、中观、宏观等不同类型决策中提供关键信息，保障决策科学。其中，面向流域防洪、水资源管理与调配、水利工程安全运行、河流湖泊空间监管、水土保持监管和农村供水保障等水利业务，根据预报、预警及现状的汇总统计分析成果，开展业务化及时决策支撑服务；面向综合办公、政策与法规、财务与审计、人事与教育、国际合作、科技管理、安全监督、纪检与监察和机关管理等水利行政管理，根据汇总统计分析成果，开展及时有效的行政管理决策支持服务；面向水利工程建设、高质量发展规划等，根据国家发展战略，开展水利发展规划决策支持服务。

2.4 水利知识发现应用

知识发现，是从各种信息中，根据不同的需求获得知识的过程。知识发现的目的是向使用者屏蔽原始数据的繁琐细节，从原始数据中提炼出有效的、新颖的、潜在有用的知识，直接向使用者报告[4]。水利知识发现应用，就是在水利业务、行政管理和决策支持应用等积累的真实过程和成果数据基础上，根据偏差型、预测型、关联型、分类型和广义型等知识类型，采用偏差分析、趋势分析、关联规则、分类与聚类、知识总结和信息可视化等方法，帮助人们发现蕴藏于水利数据中的新知识。

水利行政管理与其他部门或其他行业的行政管理大同小异，相关知识发现也无特殊之处，只有水利业务是水利部门或单位所特有的，因此，水利知识发现应用应着重关注水利业务知识的发现。根据水利业务属于强时空和社会经济基础支撑的特点，水利知识发现应用应着重在时空及相关水利业务领域进行知识发现，如流域防洪、水资源管理与调配、水利工程安全运行、河流湖泊空间监管、水土保持监管和农村供水保障等。

3 应用目标

智慧水利应用目标的核心是提高水利业务和行政管理工作的质量和效率，主要体现在提升服务质量、节约服务成本、提高工作效率，通过水利知识发现和进一步使用，在更高层次上达成目标，这一过程的循环往复，将客观形成智慧水利应用持续发展的局面，但水利业务、行政管理、决策支持和知识发现等应用因服务工作领域不同，他们的目标也有所区别。

3.1 水利业务应用目标

水利业务应用除实现线上完成水利业务工作目标外，就智慧水利而言，还应主要实现以下 4 个目标：

1）实现水利业务数字化，完成对相关水利对象、业务过程和成果的数字化；

2）实现水利业务输入数据的自动采集、人工录入数据的自动验证或原始材料的图片影像资料采集；

3）实现智能化的输入、过程、成果等数据的相互印证和质量控制；

4）实现水利业务输入（验证）、过程、成果（评价）等数据的关联关系建立。

3.2 水利行政管理应用目标

水利行政管理应用除实现线上完成水利行政管理工作目标外，就智慧水利而言，还应主要实现以下 4 个目标：

1）实现水利行政管理数字化，完成对相关水利对象、行政管理过程和成果的数字化；

2）实现水利行政管理输入数据的自动收集、人工录入数据的自动验证或原始图片影像资料采集；

3）实现智能化输入、过程、成果等数据的相互印证和质量控制；

4）实现水利行政管理输入（验证）、过程、成果（评价）等数据的关联关系建立。

3.3 水利决策支持应用目标

水利决策支持应用除实现线上完成水利决策支持工作目标外，就智慧水利而言，还应主要实现以下 3 个目标：

1）实现水利决策支持数字化，完成对水利决策支持相关水利对象、过程、结论、执行结果等的数字化；

2）实现智能化水利决策支持各环节数据的相互印证和质量控制；

3）实现水利决策支持各环节数据的关联关系建立。

3.4 水利知识发现应用目标

水利知识发现应用是智慧水利应用体系中的核心关键应用，其目标就是在水利业务、行政管理、决策支持应用积累数据基础上，通过各种数理分析方法，发现其中蕴含的未被认识的新知识。除此之外，就智慧水利而言，还应主要实现以下 3 个目标：

1）实现水利知识发现数字化，完成对水利知识、发现过程等的数字化；

2）实现新、旧水利知识共同构成知识图谱的构建；

3）实现智能化水利知识图谱逻辑一致性检查与纠错。

4 应用梳理方法

某一项智慧水利应用侧重特定解决一项水利业务、行政管理或决策支持等工作的线上办理问题，总体而言，智慧水利应用随着水利工作的变化与发展也应处于不断变化和发展中。为开发建设有效的智慧水利应用，应从其需要支持水利工作的目标、流程、指标，以及进一步开展流程优化与再造等方面对其进行梳理，并在此基础上进行布局。

4.1 应用分解

水利部门或单位的智慧水利应用，一般来讲，应该至少由 1 组水利业务、行政管理和水利决策支持等应用组成，智慧水利应用应该与水利工作目标一一对应。智慧水利应用分解应在一定范围内全局中考虑以下 3 个因素：

1）水利工作目标唯一性；

2）水利工作目标原子性；

3）水利工作目标排他性。如取水许可证申领业务，根据其工作目标可分为申请、审批和发放等 3 个独立的，不可再分的，具有唯一性的工作目标，其智慧水利应用应分解为取水许可证申请、审批和发放等 3 个应用。

4.2 流程梳理

智慧水利应用流程通常应按照水利业务、行政管理和决策支持工作实际依次进行梳理。每个智慧水利应用流程有且仅有 1 个开始和结束。智慧水利应用流程中，每个输入、处理等操作后，应对其操作结果的正确性进行判断，并根据判断结果决定是否进入下一步或返回上一步，所有流程结束前还应根据所有操作结果对整个流程的有效性进行判断，决定该智慧水利应用某次操作的有效性并进行适当处理。

智慧水利应用流程梳理除了完成本应用从开始到结束之间的内部流程梳理外，还应将该智慧水利应用的前延和后续应用梳理清楚。

4.3 指标拟定

智慧水利应用指标拟定主要按照以下 3 个阶段进行：

1）对该智慧水利应用流程中各环节涉及的所有对象进行梳理，通过对象去重后，形成统一的对象名录清单；

2）对该智慧水利应用流程中各环节涉及的所有对象指标进行梳理，根据智慧水利应用相应工作和管理目标理出所有指标，通过指标去重后，形成统一的指标名录清单；

3）对指标进行归一化处理，主要包括指标的定义、量纲、精度、取值范围，获取途径、频次等，并给出该指标的示例、违例。

智慧水利应用指标拟定除了完成对象指标梳理外，还应梳理在流程各环节需要建立的对象之间特别关系。

4.4 流程优化和再造

各自、分散、独立梳理的智慧水利应用流程，难免存在流程不合理，造成信息重复收集或不一致等问题，为此，应在各自智慧水利应用流程梳理基础上，主要通过以下 4 种途径开展流程优化和再造：

1）同一指标仅在智慧水利应用流程的 1 个环节中输入，减少重复；

2）收集信息指标最小化；

3）归并同一个智慧水利应用内部流程中的相同环节；

4）归并不同智慧水利应用之间各流程中的相同环节。

5 应用体系评价

水利部门或单位开展智慧水利应用体系评价是智慧水利建设和运行管理的重要环节。通过智慧水利建设前的评价，可以减少建设的盲目性，提高智慧水利建设的水平和效率；通过后评价，可以为进一步完善智慧水利应用指明方向。智慧水利建设前评价主要是进行智慧水利应用体系的应用完备性、应用科学性、流程与指标科学性等方面的评价；后评价主要根据智慧水利应用运行使用情况进行评价。

5.1 体系完备性

智慧水利应用体系完备性评价的是体系中所有智慧水利应用是否能够覆盖所有水利工作，其数据处理和分析流程如图1 所示。

图1 智慧水利应用体系完备性数据处理分析流程图

智慧水利应用体系完备性可以描述为所有水利工作业务清单中被标记为覆盖的数量占总数的百分比，完备性的理论值介于 0～100% 之间，0 表示完备性最差，100% 表示完备性最好。

5.2 体系科学性

智慧水利应用体系的科学性应从智慧水利应用的重复性和独立性等 2 个方面进行评价，所谓重复性是指不同智慧水利应用在支撑水利工作目标方面存在重复；所谓独立性是指不同智慧水利应用之间存在依赖关系，即某智慧水利应用水利工作业务流程中需要另外 1 个智慧水利应用的支撑才能完成该智慧水利应用全流程。

针对重复性评价，要做到以下 4 点：

1）编制智慧水利应用清单（不重复）；

2）编制水利工作目标清单（不重复）；

3）采用类似图1 中的双循环过程对智慧水利应用进行标记；

4）进行汇总统计分析，最后用发生重复标记的智慧水利应用数量占总数的百分比描述重复性，重复性的理论值介于 0～100% 之间，0 表示没有重复，100% 表示完全重复，实际情况通常介于两者之间。

针对独立性评价，要做到以下 3 点：

1）编制智慧水利应用清单（不重复）；

2）逐一进行流程独立性分析判定，并根据判定结果对该智慧水利应用进行标记；

3）进行汇总统计分析，最后用发生依赖性标记的智慧水利应用数量占总数的百分比描述独立性，独立性的理论值介于 0～100% 之间，0 表示没有依赖完全独立，100% 表示完全依赖不独立，实际情况通常介于两者之间。

智慧水利应用体系科学性综合评价结果 = 100% -（重复性评价结论+独立性评价结论）/2。当科学性综合评价结果为 100% 时，表示智慧水利应用体系科学；当科学性综合评价结果为 0 时，表示智慧水利应用体系不科学；当科学性综合评价结果为期间的 1 个百分数，表示智慧水利应用体系科学性达到该百分数所描述的程度。

5.3 应用流程与指标科学性

智慧水利应用流程与指标设置的科学性，至少包含以下 2 个方面：

1）某个智慧水利应用所支撑的水利工作业务的内部流程与指标设置的科学性；

2）若干智慧水利应用所支撑的水利工作业务的整体流程与指标设置的科学性。

就流程本身而言，很难评价其科学性，但最终将通过对象特征指标的输入表现出来。理想的情况是每个对象特征指标仅在某个智慧水利应用的某个环节输入，而不再在该智慧水利应用的其他环节或其他智慧水利应用的某环节重复输入，即对象特征指标在整个水利工作业务流程中仅输入 1 次。由此，可以利用对象特征指标重复输入的情况进行相关科学性评价。具体评价流程为：

1）编制智慧水利对象特征指标清单（不重复）；

2）编制智慧水利应用清单（不重复）；

3）双循环标记对象特征指标输入情况；

4）进行汇总统计分析，计算出对象特征指标重复输入占总数的百分比。

智慧水利应用流程与指标设置的科学性评价结果 = 100% - 评价流程第4 步计算出的百分数。当评价结果为 100% 时，表示智慧水利应用流程与指标设置科学；当评价结果为 0 时，表示智慧水利应用流程与指标设置不科学；当评价结果为期间的 1 个百分数，表示智慧水利应用流程与指标设置的科学性达到该百分数所描述的程度。