劉 梅，閆健卓，于涌川

（1.北京市水務信息管理中心，北京 100038 ；2.北京工業(yè)大學，北京 100124）

北京“智慧水務”框架下的數(shù)據資源體系研究

劉 梅1，閆健卓2，于涌川2

（1.北京市水務信息管理中心，北京 100038 ；2.北京工業(yè)大學，北京 100124）

分析北京市水務局“數(shù)字水務”的建設現(xiàn)狀和“智慧水務”的發(fā)展目標，提出水務數(shù)據資源建設方法，即在現(xiàn)有綜合數(shù)據庫和水務普查數(shù)據的基礎上，構建一套整合、開放、高效的水務數(shù)據資源體系。通過研究發(fā)現(xiàn)，在水務數(shù)據資源體系的建設過程中，引入面向對象的數(shù)據組織方法，將數(shù)據對象的屬性值與數(shù)據對象間關系統(tǒng)一于數(shù)據對象的抽象概念內，可以使水務基礎、空間、業(yè)務數(shù)據及各種數(shù)據間的多維度復雜關系整合為直觀有序的有機整體，以便于數(shù)據的管理、共享與業(yè)務支持。

智慧北京；智慧水務；框架；水務數(shù)據；數(shù)據資源；體系

0 引言

從“十五”到“十二五”，北京市水務信息化工作按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施；平臺公用、資源共享；應用先導、務求實效”的原則，建設完成 1 個基礎設施平臺、1 個中心綜合數(shù)據庫、6 個業(yè)務應用體系、3 個保障環(huán)境，在“信息水務、數(shù)字水務和智慧水務”的 3 個階段發(fā)展規(guī)劃中，目前已經基本完成“信息水務”階段的發(fā)展任務，形成了“數(shù)字水務”的基本成果，已經初步具備向“智慧水務”發(fā)展的條件。

隨著信息技術的發(fā)展，水務信息資源體系建設的逐步展開，北京水務數(shù)據資源建設從最初的零散、獨立模式發(fā)展到現(xiàn)今標準化的集中與分散相結合的模式，發(fā)布了數(shù)據庫建設標準和要求，建設了中心綜合數(shù)據庫，水務數(shù)據資源管理得到有效推進，為水務信息資源的開發(fā)利用奠定了良好基礎，支撐了北京水務的可持續(xù)發(fā)展，水務信息化建設進入“整合共享、深化應用”的發(fā)展階段。為此，有必要明確北京市水務數(shù)據資源建設的關鍵點，選擇合適的技術方案，構建整合、高效的水務數(shù)據資源體系。

1 北京智慧水務對數(shù)據資源體系的需求

隨著水務改革發(fā)展的不斷深化，各項水務業(yè)務對信息化提出了新的需求，作為“智慧北京”建設的重要組成部分，北京市水務局提出了“智慧水務”的發(fā)展目標：運用智慧方法，借助新一代信息技術，改進水務部門與其它各級政府部門、企業(yè)和公眾交互的方式，提高服務的效率、靈活性和響應速度，在電子政務、水務業(yè)務管理、信息監(jiān)測、水安全等各個領域提供智能化的服務與支撐。

對照北京智慧水務的發(fā)展目標，北京水務數(shù)據資源建設還存在以下一些迫切的問題需要解決：

1）需要進一步統(tǒng)籌集約和充分利用現(xiàn)有資源。現(xiàn)有數(shù)據資源和基礎空間信息資源分別管理，集約化程度不高，相互之間關系不明晰，綜合利用效益不高，需要進一步加強數(shù)據資源的集成。

2）需要進一步提升輔助決策和公共服務能力。在政務公開、水務便民服務、政民互動、科學用水指導、汛情發(fā)布、提高用水效益保障等各項業(yè)務中，需要數(shù)據資源的進一步整合、共享，提升對領導決策的輔助支持能力，強化公共服務能力。

3）需要進一步加強對業(yè)務協(xié)同和資源共享的支持能力。在防汛、水資源、水環(huán)境管理的工作中，更有效地支撐水務局與氣象、交通、市政、環(huán)保等部門的業(yè)務協(xié)同和資源共享。

2 北京水務數(shù)據資源體系設計

針對北京智慧水務數(shù)據資源建設的需求，北京市水務局在現(xiàn)有綜合數(shù)據庫和水務普查數(shù)據的基礎上，擬構建一套整合、開放、高效的水務數(shù)據資源體系。

2.1 水務數(shù)據資源的邏輯劃分

按數(shù)據類型劃分，水務數(shù)據資源可分為屬性和空間 2 種數(shù)據。根據數(shù)據存儲結構的不同，屬性數(shù)據又分為結構和多媒體 2 類數(shù)據。結構數(shù)據是整個智慧水務數(shù)據資源的主體，按照更新頻率的不同又可分為監(jiān)測、基礎和業(yè)務等數(shù)據，具體如圖1 所示。

2.2 水務數(shù)據庫的總體框架

根據數(shù)據資源邏輯劃分成果，在保護現(xiàn)有建設成果（綜合庫）的基礎上，突出水務數(shù)據資源體系業(yè)務支撐關系，構建層次合理、結構穩(wěn)定、有效應對上層需求變化的數(shù)據庫總體框架，構建的數(shù)據庫框架如圖2 所示。

圖2 水務數(shù)據庫框架圖

在總體框架下，根據水務業(yè)務形成不同的主題數(shù)據庫，各主題數(shù)據庫必須建立互通互聯(lián)的邏輯關系，才能發(fā)揮支撐決策分析的功能，建立的主題數(shù)據組織圖如圖3 所示。

圖3 主題數(shù)據組織圖

新構建的數(shù)據庫系統(tǒng)既要充分繼承和利用過去十余年水務信息化建設的已有成果，又要有機地集成水務普查產生的新成果，即能補充和完善信息資源，可擴展和豐富共享服務，充分運用動態(tài)水務數(shù)據資源，向水務局局機關、局屬單位、區(qū)縣水務局及外部單位提供一套簡明，便捷，多樣的數(shù)據服務模式，以多種方式讓用戶獲得數(shù)據，形成水務數(shù)據資源的長效應用服務。

2.3 水務數(shù)據資源體系的構建方法

設計科學的水務數(shù)據資源架構，既保證數(shù)據管理的有序、安全，又保證資源利用過程的便捷、高效，將基礎信息、空間數(shù)據、實時業(yè)務數(shù)據有效地整合，使水務數(shù)據與水務業(yè)務關系信息、水務數(shù)據與空間關系信息有機結合，成為體系建設過程中的關鍵。

面向對象方法將具體事物視為不同的客觀實體，將事物的屬性和對事物的處理方法統(tǒng)一研究，是人們認識和表示客觀事物的習慣性的方法，符合人們實際進行的認識機理和實踐過程。采用此種方法，可以通過可構造的手段將客觀對象分層次地表示出來，用有限的構造手段與有限步驟建立起一個客觀模型[1]。

在水務數(shù)據資源體系的建設過程中，引入面向對象的數(shù)據組織方法，將數(shù)據對象的屬性值與數(shù)據對象間關系統(tǒng)一于數(shù)據對象的抽象概念內，使水務基礎、空間、業(yè)務等數(shù)據及各種數(shù)據間的多維度復雜關系整合為直觀有序的有機整體，以便于數(shù)據的管理、共享與業(yè)務支持。

在面向對象的方法中，類是對具有共同屬性和方法的對象的抽象和概括的描述模型，類給出了屬于該類全部對象屬性與行為的抽象定義[1]，現(xiàn)實中的各種實體對象是類定義的一個實例。

基于“類”的定義，對象可以實現(xiàn)封裝性、隱蔽性和穩(wěn)定性，較好地滿足水務數(shù)據資源架構所應滿足的有序、安全、便捷、高效的需求。

2.4 水務數(shù)據資源體系的建設方法

為了有序地組織多維度的、包含復雜業(yè)務和空間關系的水務數(shù)據，在建設水務數(shù)據資源體系的過程中，基于面向對象的思想進行水務數(shù)據的組織管理，使系統(tǒng)可以更好地對各種復雜業(yè)務和空間關系的查詢、統(tǒng)計操作提供支持。水務資源架構的基礎是對各種水務對象統(tǒng)計、分類、抽象后形成的水務對象類描述。對象類的組成包含對象的屬性、關系及處理對象的方法。由系統(tǒng)復雜度和工作量限制，在資源體系建設的第 1 階段，水務對象類的組成只包括對象的屬性及關系。由于面向對象方法的可構造性，處理對象方法的集成工作可以在后續(xù)工作中分布實施。

對象的屬性類似關系型數(shù)據模型的表與字段，可以和現(xiàn)有成熟的關系型數(shù)據庫管理系統(tǒng)及信息化建設積累下來的海量歷史數(shù)據實現(xiàn)良好的兼容。在水務對象分類的基礎上，具體的水務數(shù)據以水務對象類的實例形式，采用數(shù)據表的形式在關系數(shù)據庫中存儲，對象類與對象之間，利用對象類映射表，實現(xiàn)面向對象方法的數(shù)據管理與組織。

水務管理和各種應用過程中涉及到的各種數(shù)據間存在著相關性，這種相關性產生的水務數(shù)據關聯(lián)關系在數(shù)據資源體系建設中尤為重要。傳統(tǒng)的基于關系型數(shù)據庫的數(shù)據管理系統(tǒng)，側重對象的具體屬性值的存儲管理，在關系處理上，簡單依賴于數(shù)據庫系統(tǒng)的檢索功能，導致在各種管理、統(tǒng)計應用中，數(shù)據系統(tǒng)的支持效率低下。為了加強對業(yè)務的支撐，提高復雜的多維數(shù)據之間的組織，對不同對象類之間的關系進行抽象，形成對象關系類，對象關系類以繼承的形式包含在不同的對象類中，可以理解為一種特殊的關系屬性數(shù)據。

在數(shù)據資源系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程中，根據實際需要，應將工作重點放在數(shù)據之間的業(yè)務和空間關系上。業(yè)務關系是指對象類之間在不同的業(yè)務應用中發(fā)生的各種關系，如管理、工程、取水、供水、流入、流出等；空間關系是指水務對象實體之間存在的一些具有空間特性的關系，包括距離、方向、拓撲等關系，空間關系是空間數(shù)據組織查詢分析推理的基礎[2]。目前，空間關系的定義方法沒有統(tǒng)一標準，常采用的空間關系包括相交、相接、重疊、包含、穿越等，不同的系統(tǒng)常根據系統(tǒng)應用的需求自行設定。

2.4.1 水務對象分類

在數(shù)據資源系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程中，參照水利部信息中心標準，對水務管理對象進行抽象、分類。具體按門類、大類、中類、小類 4 個級別，將水務對象分為 54 個具體對象類[3]，部分分類如表1所示。

表1 水務對象分類

2.4.2 數(shù)據之間的業(yè)務關系

在數(shù)據資源系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，根據具體的業(yè)務實際，歸納出具體的對象之間的關系類別，確定了37 種對象間關系，部分關系類別如圖4 所示。今后，還要根據業(yè)務需求不斷整理豐富。

對應到具體的對象類，確定具體對象之間的關系，應根據業(yè)務需求不斷整理豐富，部分對象間的關系如表2 所示。

2.4.3 數(shù)據之間的空間關系

考慮到業(yè)務應用的需求、系統(tǒng)建模的復雜性等因素，首先將水務對象歸納為點、線、面 3 種空間要素類型，然后將不同類型的對象間關系區(qū)分為包含、銜接、跨越、壓蓋、不相交等 5 種關系。如流域與水文站、渠道與灌區(qū)間、大流域與子流域等，前者在空間屬性上包含后者，形成了包含關系；堤防工程在空間屬性上是線狀要素，這類水務對象的空間屬性是其表達的水務對象的一端與另一線類型對象的一端相互銜接，形成了銜接關系；河流與渠道、渠道與渠道之間發(fā)生的一個對象從另一個對象的上方或下方穿越，形成了穿越關系；空間屬性中點類型對象落在線對象上，點對象落在面對象的邊線上，線對象和面對象的邊線重合等情況，在水務對象中主要表現(xiàn)為水電站河湖取水口或排污口等落在水系岸線等情況，形成壓蓋關系；對象的空間屬性中相互之間沒有相交約束，如堤防工程與水系岸線間不存在相交約束，這類對象之間就形成不相交關系。

對應到具體的對象類，部分對象空間關系如表3所示。

圖4 對象類別關系

表2 對象之間關系

表3 水務對象與空間對象關系

3 結語

針對北京市水務數(shù)據資源建設過程中的關鍵問題，引入面向對象的數(shù)據組織方法，使復雜的水務數(shù)據及其多維度關系整合為直觀、有序的有機整體。以一個水務對象為主體，從多維度對其進行描述，形成多個相互關聯(lián)的信息。在數(shù)據使用時，每一個數(shù)據不再是獨立的個體，找到一個對象就可找出與其相關的全部要素；同樣找到一個要素，就可以找到其描述的對象及其他相關信息。面向對象的數(shù)據組織方法在水務數(shù)據分析、統(tǒng)計、規(guī)劃、計算中，相對與傳統(tǒng)的基于關系的數(shù)據組織方法，更加全面、快速、有效，便于數(shù)據的管理、共享與業(yè)務支持。

這些工作已經在北京市“智慧水務”數(shù)據資源體系建設過程中進行了實踐驗證。目前，水務數(shù)據資源體系建設已完成了總體設計，并初步完成了面向對象的數(shù)據組織方法在關系型數(shù)據庫環(huán)境的功能實現(xiàn)，證明了此方法的可行性與有效性，能夠有效支撐“智慧水務”的應用體系建設。

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Research on Data Resources System under Beijing "smart water" Framework

LIU Mei1, YAN Jianzhuo2, YU Yongchuan2

(1.Beijing Water Authority Information Center, Beijing 100038, China; 2.Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The article analyzes the current situation of "digital water" construction and the goal of "smart water" of Beijing water authority.A water data resources construction approach is proposed, namely, building an integrated, open and efficient water data resources system on the basis of the existing integrated water database and water census data.It is found that in the process of construction of water data resource system, with the aid of object-oriented data organization method, attribute values and relationships are united in the abstract concept of data objects.The method can make foundation water data, spatial data, professional water data and the complex relationships between multi dimensional data as an organic whole intuitively and orderly, and facilitate data management, data sharing and professional work support.

smart Beijing; smart water; framework; water data; data resources; system

TV213.4

A

1674-9405(2014)04-0005-06

2014-06-18

劉 梅（1963－），女，北京人，高級工程師，研究方向：水務信息化。