于 翔，解建倉，姜仁貴，梁驥超，張 璇，孫小梅

(西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等新一代信息技術的發(fā)展以及智慧城市建設，各行各業(yè)對“智慧”的理念認知逐漸加強，分別提出了智慧電網(wǎng)、智慧交通、智慧醫(yī)療等概念[1-4]。5G、無人駕駛汽車、智能電網(wǎng)運行調(diào)度代表著通信網(wǎng)、能源網(wǎng)、交通網(wǎng)3種基礎網(wǎng)絡正逐步實現(xiàn)智慧化[5-7]。但水網(wǎng)作為基礎網(wǎng)絡中重要的一部分,智慧化程度并不高。目前全國各地都已逐步開展智慧水網(wǎng)的建設[8-10]，如北京、上海建設的“水務聯(lián)網(wǎng)”，通過物聯(lián)網(wǎng)技術與水務管理業(yè)務相結合構建前端監(jiān)測平臺，支撐水環(huán)境治理和水資源管理等工作[11-12]；山西省的“大水網(wǎng)”建設，主要以水域連通為基礎建設輸配水管道和控制節(jié)點來實現(xiàn)水量調(diào)配，實現(xiàn)了自動化控制，但是與水利業(yè)務結合不夠緊密[13]；江蘇無錫在太湖治理過程中提出“感知太湖”，構建了太湖智慧水網(wǎng)的決策系統(tǒng)，實現(xiàn)太湖及周邊的污染防治、水量調(diào)配、防汛抗旱等業(yè)務管理[14]；山東省以流域內(nèi)的河湖連通、供排蓄泄為目標，構建了集防洪、供水、生態(tài)等多功能水網(wǎng)于一體的現(xiàn)代化水網(wǎng)，來實現(xiàn)區(qū)域水資源統(tǒng)一調(diào)配[15-16]。目前智慧水網(wǎng)的建設大多數(shù)以工程建設為主，實現(xiàn)了工程控制的自動化，并且以“水利一張圖”模式為基礎實現(xiàn)了信息服務，但是并不能發(fā)揮出智慧水網(wǎng)的業(yè)務應用價值。為了實現(xiàn)智慧水網(wǎng)的可視化，本文借鑒國內(nèi)不同地區(qū)智慧水網(wǎng)建設與實踐的經(jīng)驗，將實體水網(wǎng)的對象和過程數(shù)字化，通過數(shù)字水網(wǎng)的可視化表達及業(yè)務融合應用，為智慧水網(wǎng)的發(fā)展提供新的思路與解決方案。

1 數(shù)字水網(wǎng)的可視化表達

數(shù)字水網(wǎng)依托實體水網(wǎng)，包括江河湖庫水網(wǎng)、水文氣象站網(wǎng)、供排水管網(wǎng)、水利工程設施網(wǎng)等，針對不同主題分類分層，用二維和三維GIS、拓撲關系圖、工藝流程圖將實體水網(wǎng)的對象和過程數(shù)字化，在不同應用場景下組合服務，并與相關主題關聯(lián)后滿足業(yè)務服務需求。本文將數(shù)字水網(wǎng)劃分為空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)、拓撲關系水網(wǎng)和工藝流程水網(wǎng)3種表現(xiàn)形式。

1.1 空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)

空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)是基于實體水網(wǎng)的空間特征和屬性特征的數(shù)字描述，以遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、基礎要素矢量數(shù)據(jù)以及水利普查的多種地理空間數(shù)據(jù)為基礎，通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)將所有與地理信息和水利業(yè)務相關的信息資源進行跨部門的交換，按照統(tǒng)一標準對地理空間數(shù)據(jù)進行處理后存儲于空間數(shù)據(jù)庫中，并面向不同主題進行數(shù)據(jù)集成、組織與管理，最終將二維GIS和三維GIS技術融合來構建可視化的空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)。空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)的可視化表達如圖1所示，將京津冀地區(qū)多種地理空間數(shù)據(jù)矢量化與數(shù)字化后，以二維和三維GIS來呈現(xiàn)實體水網(wǎng)的空間特征和屬性特征。

圖1 空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)的可視化Fig.1 Visualization of spatial data water network

1.2 拓撲關系水網(wǎng)

拓撲關系水網(wǎng)是采用知識圖譜技術[17]將業(yè)務的相關關系和邏輯關系數(shù)字化，并將管理單元的過程邏輯和對象進行拓撲化，以圖元的方式用拓撲圖對復雜業(yè)務可視化、對經(jīng)驗和知識描述形式化，用知識圖譜來表達業(yè)務應用的抽象關系與過程。在平臺中將復雜業(yè)務按不同主題分類分層后，以問題為導向通過流程化對業(yè)務進行梳理，而且拓撲關系水網(wǎng)和空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)、工藝流程水網(wǎng)相互關聯(lián)，從而實現(xiàn)宏觀形式上水網(wǎng)的管理應用。拓撲關系水網(wǎng)的可視化表達如圖2所示，將河流水系、湖泊、水庫通過圖元方式進行拓撲化，以可視化形式來表達之間的相互關系，進一步與水利業(yè)務相關聯(lián)。

圖2 拓撲關系水網(wǎng)的可視化Fig.2 Visualization of topological water network

1.3 工藝流程水網(wǎng)

工藝流程水網(wǎng)采用知識圖譜技術將用水的工藝及原理進行流程化描述，并將用水工藝及原理中的各個環(huán)節(jié)進行概化，提取主要節(jié)點并建立可視化圖元庫，用知識圖譜來可視化的表達用水工藝的原理及過程，而且工藝流程水網(wǎng)和空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)、拓撲關系水網(wǎng)相互關聯(lián)，從而實現(xiàn)了微觀形式上水網(wǎng)的管理應用。工藝流程水網(wǎng)的可視化表達如圖3所示，將海水淡化的原理通過圖元和知識圖譜以可視化形式來呈現(xiàn)處理的工藝與流程，進一步與具體業(yè)務相關聯(lián)。

圖3 工藝流程水網(wǎng)的可視化Fig.3 Visualization of water network in process flow

2 可視化業(yè)務環(huán)境搭建

采用3S集成技術、知識圖與組件技術，基于綜合集成平臺搭建數(shù)字水網(wǎng)可視化的業(yè)務環(huán)境。3S集成技術實現(xiàn)對各種地理空間信息的快速采集、處理、管理、分析與應用。通過空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)的發(fā)布與調(diào)用，實現(xiàn)地理空間信息與水利信息融合與應用。知識圖是以圖表方式來管理知識和經(jīng)驗，通過知識圖的繪制來描述水利業(yè)務的流程、邏輯以及模型計算的過程；組件是對模型計算方法的封裝，使用組件可以實現(xiàn)快速編程與處理；知識圖與組件技術是實現(xiàn)水利業(yè)務化的核心，使得計算的過程與結果可視、可用、可信。基于綜合集成支持平臺，通過知識圖的繪制表達水利業(yè)務流程關系，以組件的開發(fā)和定制來實現(xiàn)具體業(yè)務功能，平臺可以靈活地搭建業(yè)務，為用戶提供個性化服務，從而為數(shù)字水網(wǎng)的可視化業(yè)務環(huán)境提供基礎技術支撐與保障[18-22]。

2.1 空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)發(fā)布與調(diào)用

通過收集研究區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等地理空間數(shù)據(jù)，并對其進行融合、裁剪、投影、分級處理；然后將處理后的空間數(shù)據(jù)存儲到地理云服務器中，以XML、GML文件配置各圖層的樣式，并通過Geoserver地理服務器進行數(shù)據(jù)的管理與發(fā)布[23]；最后二維和三維GIS通過Web Map Service(WMS)、Web Feature Service(WFS)、Web Map Tiles Service(WMTS)網(wǎng)絡服務接口調(diào)用與讀取，空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)的發(fā)布與調(diào)用流程如圖4所示。將研究區(qū)內(nèi)的水庫、湖泊、行政區(qū)劃、水利工程等實體水網(wǎng)的地理空間數(shù)據(jù)進行處理與發(fā)布，綜合集成平臺定制二維、三維GIS組件，將江河湖庫的位置及連通關系進行可視化呈現(xiàn)。根據(jù)用戶實際需求來調(diào)用所需的水網(wǎng)，便可快速搭建形成符合業(yè)務需求的空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)，并且在空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)上添加相關業(yè)務組件進行決策分析。

圖4 空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)發(fā)布與調(diào)用流程Fig.4 Publishing and calling flow of spatial data water network

2.2 知識圖的定制與繪制

拓撲關系和工藝流程水網(wǎng)采用知識圖將其相互關系、邏輯關系進行抽象與概化，將管理的對象實體進行邏輯化與拓撲化，以圖元的形式將復雜業(yè)務進行可視化和知識化的描述。在綜合集成平臺中，以問題為導向，通過對業(yè)務的需求和流程進行梳理并劃分不同主題，對于不同的主題定制和繪制新的知識圖，通過流程和節(jié)點的概化將業(yè)務梳理成流程化可執(zhí)行的程序，將宏觀和微觀層面上的業(yè)務邏輯關系以及工藝流程關系進行數(shù)字化呈現(xiàn)，而且可以快速修改，實現(xiàn)業(yè)務動態(tài)化響應，為水利個性化服務提供支持[24]。以知識圖的定制與繪制來描述拓撲關系水網(wǎng)與工藝流程水網(wǎng)的搭建過程，如圖5所示。在用知識圖來描述拓撲關系和工藝流程時，首先定制新的知識圖，通過節(jié)點創(chuàng)建與組件綁定來實現(xiàn)計算流程的可視化；同時知識圖是互相嵌套的，用來體現(xiàn)業(yè)務之間的聯(lián)系[25]。

圖5 知識圖定制與繪制Fig.5 Customization and drawing of knowledge map

2.3 業(yè)務組件開發(fā)應用

組件技術實現(xiàn)了軟件復用性，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，采用組件技術和工作流技術來實現(xiàn)業(yè)務計算及決策服務等功能。組件開發(fā)是通過編程將計算模型和方法實現(xiàn)后打包上傳，然后通過定制不同的計算服務組件與知識圖中的節(jié)點綁定后進行應用[26]。組件開發(fā)應用過程主要包括4個步驟：模塊劃分、組件封裝、組件搭建、組件應用。

a. 模塊劃分。根據(jù)水利業(yè)務具體需求劃分不同的模塊，一般按照模型計算過程進行劃分，其中每個模塊可以獨立完成運算過程，也可以按照模型的邏輯結構來劃分。

b. 組件封裝。運用Web Service技術、面向SOA架構將劃分好的模塊進行封裝，組件開發(fā)遵循一定的約束與標準。組件封裝后包含輸入和輸出兩個接口，輸入接口主要控制參數(shù)和數(shù)據(jù)的流入，通過組件計算后在輸出接口輸出計算結果。

c. 組件搭建。封裝后的組件存入組件庫中，用戶從組件庫中定制新的組件來搭建業(yè)務系統(tǒng)，其中一個模型可能會需要一個或多個組件進行組合來搭建，從而實現(xiàn)了組件的復用性和可移植性。

d. 組件應用。通過知識圖繪制構建可視化的拓撲關系與工藝流程的水網(wǎng)，其業(yè)務流程以可視化圖元表達，將知識圖中的各節(jié)點與業(yè)務組件相互綁定，從而建立事件監(jiān)聽機制。在水網(wǎng)進行交互操作時，接收其事件源并通過組件調(diào)用其業(yè)務所需的相關數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)組件的業(yè)務應用。

3 實例應用

依托國家重點研發(fā)計劃項目“京津冀水資源安全保障技術研發(fā)集成與示范應用”，采用3S集成技術、知識圖與組件技術研發(fā)了基于數(shù)字水網(wǎng)的京津冀綜合調(diào)控平臺，構建京津冀可視化數(shù)字水網(wǎng)，以信息化的手段來解決京津冀地區(qū)水資源安全保障問題[27]。根據(jù)收集京津冀地區(qū)的基礎地理數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)，按不同主題將水網(wǎng)分類分層，如按省、市、縣行政區(qū)劃劃分；按工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)用水劃分；按保護區(qū)、緩沖區(qū)、開發(fā)利用區(qū)和保留區(qū)4類水功能區(qū)劃分；按再生水、微咸水、雨洪水、海水淡化的非常規(guī)水資源劃分不同的數(shù)字水網(wǎng)。下面以京津冀水功能區(qū)考核管理為實例來說明數(shù)字水網(wǎng)如何與具體業(yè)務融合應用。

根據(jù)水資源管理中“三條紅線”[28-29]之一“水功能區(qū)限制納污能力紅線”的要求與目標，在京津冀地區(qū)數(shù)字水網(wǎng)搭建的基礎之上，對京津冀地區(qū)水功能區(qū)進行可視化表達，通過水功能區(qū)納污能力計算對其進行考核管理。水功能區(qū)納污能力計算與考核管理系統(tǒng)主界面如圖6所示。圖6中包括兩種可視化的數(shù)字水網(wǎng)，左邊是在二維GIS上呈現(xiàn)的空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)，更加直觀地表現(xiàn)水功能區(qū)的地理位置等信息；右邊是將河流和水功能區(qū)概化的拓撲關系水網(wǎng)，從拓撲水網(wǎng)中能清楚地了解水系連通的關系。系統(tǒng)主要包括監(jiān)測信息、分析計算、考核管理等功能。監(jiān)測信息是對各水功能區(qū)在不同時間段內(nèi)的水質(zhì)信息(水溫、pH、COD、BOD等)和各斷面水量信息(水位、流量、降水量、蒸發(fā)量等)、排污量進行查詢展示。水功能區(qū)分析計算與考核結果展示界面如圖7所示，圖7左邊為排污量和納污能力計算結果展示，根據(jù)監(jiān)測信息對水功能區(qū)納污能力進行分析計算，在選取污染物類型、計算模型、時間、設計保證率后，計算每種模型對應的納污能力，為水功能區(qū)污染治理提供多種決策方案。圖7右邊為各水功能區(qū)斷面的評價結果及最終行政區(qū)的考核結果展示，以水功能區(qū)斷面所監(jiān)測的水質(zhì)信息為基礎，調(diào)用水質(zhì)信息對比分析其超標項目與超標量，統(tǒng)計其水質(zhì)不達標次數(shù)，并根據(jù)各水功能區(qū)的考核達標數(shù)、達標率及控制目標來評價行政區(qū)的最終考核結果。

圖6 水功能區(qū)納污能力計算與考核管理主界面Fig.6 Main interface for calculation, assessment and management of carrying capacity of water function area

圖7 水功能區(qū)分析計算與考核結果展示界面Fig.7 Interface for analysis, calculation and examination of water function area

實例應用結果表明，基于可視化數(shù)字水網(wǎng)的水功能區(qū)考核管理業(yè)務應用系統(tǒng)可以實現(xiàn)水功能區(qū)納污能力的動態(tài)計算，而且以知識圖、組件搭建而成的可視化數(shù)字水網(wǎng)具有很強的移植性和擴展性，為水功能區(qū)考核管理及水生態(tài)問題提供可視化的決策支持。

4 結 語

本文依托實體水網(wǎng)，采用二維和三維GIS、拓撲關系圖及工藝流程圖將實體水網(wǎng)的對象和過程數(shù)字化，搭建空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)、拓撲關系水網(wǎng)和工藝流程水網(wǎng)3種可視化的數(shù)字水網(wǎng)。通過3S集成技術、知識圖與組件技術，基于綜合集成平臺來構建數(shù)字水網(wǎng)可視化的業(yè)務環(huán)境，并在京津冀地區(qū)進行應用，在可視化數(shù)字水網(wǎng)基礎上，實現(xiàn)了京津冀水功能區(qū)納污能力計算與考核管理，為京津冀地區(qū)水資源的高效利用與管理提供決策支持。這種基于可視化的數(shù)字水網(wǎng)為智慧水網(wǎng)的發(fā)展提供了新的思路與解決方案。