王 亮

(廣東省防汛保障與農(nóng)村水利中心，廣州 510000)

0 引 言

20世紀(jì)70年代至今，水利建設(shè)智能配置、水利信息資源整合一直是我國的重點(diǎn)工程任務(wù)。隨著社會經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，水利行業(yè)受洪水災(zāi)害、水污染、水資源短缺、水利信息人工采集、加工、管理和使用等問題的挑戰(zhàn)越來越大，不僅制約了水利行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)可持續(xù)保護(hù)[1]。

提高水利信息使用/管理價(jià)值，以高效、合理的實(shí)現(xiàn)水利工程調(diào)度決策工作。2012年初，Google提出了知識圖譜技術(shù)，其核心是通過組建實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體的數(shù)據(jù)關(guān)系組[2]，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)狀的信息工程體系，對不同區(qū)域內(nèi)水利信息具有相似關(guān)系特征值進(jìn)行聯(lián)結(jié)，以進(jìn)行水資源合理調(diào)度、水工程智能監(jiān)管[3]。

為破解北江流域水利改革發(fā)展的難題，實(shí)現(xiàn)智能、合理且準(zhǔn)確的調(diào)度北江流域水工程，文章基于江北流域水利基礎(chǔ)信息，構(gòu)建智能化知識圖譜，實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”(預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)功能，優(yōu)化北江流域水工程聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘知識圖譜中水利資源，以提高流域內(nèi)洪水、旱情、地下水沉降和水污染的監(jiān)測、預(yù)警、防護(hù)能力，達(dá)到區(qū)域水工程高質(zhì)量調(diào)度總目標(biāo)，落實(shí)防災(zāi)減災(zāi)的重要指示。通過知識圖譜智慧化調(diào)度系統(tǒng)，充分發(fā)揮北江流域水利工程防災(zāi)、供電、生態(tài)等綜合經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)水利智能化監(jiān)控調(diào)度、區(qū)域高質(zhì)量建設(shè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的任務(wù)。

1 設(shè)計(jì)北江流域水利知識圖譜體系

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省境內(nèi)的北江流域，地理位置為E111°52′-114°41′，N23°10′-25°25′，流域北接南嶺和長江分界，南接分水嶺最高點(diǎn)畫眉山，平均海拔約1752m。北江流域地勢北高南低，上游陡，而中游順直，下游相連珠江三角洲地區(qū)，流域支流眾多，其中，集雨面積超過1000km2的支流13條，且各條支流呈現(xiàn)葉脈狀排列，支流口接近，加之每年降雨量大，易造成洪水大面積集中爆發(fā)、山體滑坡等現(xiàn)象。在春夏之際，北江流域多暴雨，常引發(fā)洪水危機(jī)，造成經(jīng)濟(jì)和生活損失。

1.2 水利知識組成

流域性水利知識包括事實(shí)類知識和認(rèn)知類知識，因此，詳細(xì)的掌握水利綜合知識，對北江流域水工程知識圖譜構(gòu)建研究有極為關(guān)鍵的幫助。通過描述水利知識組成單元和概念[4]，實(shí)現(xiàn)不同類型水利知識的關(guān)聯(lián)特征，以構(gòu)建完善的水利綜合知識圖譜，見表1。

表1 水利知識組成單元和基本概念

由表1可知，事實(shí)類水利知識一般分為自然、工程和社會對象，分別指在自然界天然存在的流域、湖泊等，人工修建的水庫、灌溉渠、水電站、泵房等人為安全措施和水利管理人員對水文、水域地理位置、職責(zé)等類的管理，其特點(diǎn)是具備抽象性、認(rèn)同性和普適性等，也是目前水利學(xué)科知識和預(yù)防措施的關(guān)鍵點(diǎn)；認(rèn)知類知識主要是指在通過科學(xué)理論、原理、方法、數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)特征等對水利知識進(jìn)行相關(guān)研究。

1.3 水利知識圖譜框架

表1為水利知識圖譜體系，其核心是水利知識表示、水利抽取、水利查詢存儲、水利推算和水利交融五部分。其中，水利知識圖譜體系主要通過結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化方式抽取水利知識；水利知識查詢和存儲主要以數(shù)據(jù)劃分、查詢優(yōu)化和分布式查詢?yōu)橹?；水利知識主要通過可視化和信息推薦進(jìn)行展示，而水利知識則通過實(shí)體對齊、屬性對齊等完成水利知識交融。最終，通過不同特征水利知識單元構(gòu)建智能化、可視化和調(diào)度信息精準(zhǔn)化的水利知識圖譜體系，實(shí)現(xiàn)高效、合理的江北流域水工程調(diào)度系統(tǒng)。

1.4 水利知識圖譜構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 實(shí)體關(guān)系獲取

水利實(shí)體關(guān)系獲取是指在非結(jié)構(gòu)化水利數(shù)據(jù)中，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)矩陣確定水利實(shí)體間的關(guān)系特征。通過統(tǒng)計(jì)分析法獲取不同水利實(shí)體數(shù)據(jù)在文本中出現(xiàn)的次數(shù)，隨后，尋找數(shù)據(jù)共性，以分析不同數(shù)據(jù)中水利實(shí)體所占的比例，當(dāng)共同出現(xiàn)的比例高于某一標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，知識圖譜系統(tǒng)則認(rèn)定兩者間存在某種聯(lián)系，進(jìn)而對不同水利實(shí)體(流域、河流、湖泊、管理機(jī)構(gòu))類型關(guān)系定義，以抽取實(shí)體關(guān)系、實(shí)體和屬性指標(biāo)，通過相似算法將這些抽取數(shù)據(jù)連接至知識圖譜概念模型中，實(shí)現(xiàn)水利實(shí)體推薦和共享，以大量水利數(shù)據(jù)幫助水利工程領(lǐng)域進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度工作。

圖1 水利領(lǐng)域知識圖譜體系框架

1.4.2 多類型水利知識融合

融合是指將不同的數(shù)據(jù)源、概念、特征和事物基本點(diǎn)有機(jī)的統(tǒng)一起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識圖譜信息相互溝通的目的。文章水利知識融合分為實(shí)體、數(shù)據(jù)屬性等層面進(jìn)行。實(shí)體融合是以此通過不同流域內(nèi)水利數(shù)據(jù)源的語意關(guān)聯(lián)，將不同外界環(huán)境、影響因素等關(guān)聯(lián)后，便捷獲悉各領(lǐng)域內(nèi)的水利知識信息，經(jīng)進(jìn)一步確定相互水利關(guān)系，進(jìn)而有效的避免水利工程出現(xiàn)的危害。水利知識屬性融合是不同源數(shù)據(jù)中屬性一致的問題，以實(shí)現(xiàn)同一屬性水利信息的相互聯(lián)系，形成多層次、全方位的知識圖譜系統(tǒng)。

2 水利知識圖譜體系構(gòu)建實(shí)現(xiàn)

2.1 知識圖譜總體架構(gòu)

水利知識圖譜的構(gòu)建不僅有利于北江流域水利信息的便捷采集、查詢和分析，而且能夠有機(jī)的實(shí)現(xiàn)不同轄區(qū)水利信息資源共享，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水工程聯(lián)合調(diào)度的基本職能。文章通過設(shè)計(jì)一種高可靠性和低耦合性的多層次、多功能的水務(wù)知識圖譜模塊：

1)水利信息資源模塊：

該模塊主要功能是采集水利信息數(shù)據(jù)源，按照結(jié)構(gòu)化體系抽取水利原始文本數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)等，半結(jié)構(gòu)化中抽取IE和維基百度中水情況、旱情和氣象等的水利知識和信息數(shù)據(jù)，最后在抽取水利業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)。

2)水工程聯(lián)合調(diào)度數(shù)據(jù)模塊：

知識圖譜是集成各類有效性數(shù)據(jù)的中心，為此，將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用與北江流域水工程聯(lián)合調(diào)度中，通過預(yù)報(bào)和調(diào)度專業(yè)計(jì)算模型庫、水工程聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控業(yè)務(wù)庫構(gòu)建專題數(shù)據(jù)庫，形成一套集數(shù)據(jù)采集、分析、計(jì)算、預(yù)報(bào)和聯(lián)合調(diào)度應(yīng)用的流程，如圖2所示。

圖2 北江流域水工程聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

2.2 性能設(shè)計(jì)

對文章構(gòu)建的知識圖譜在水利聯(lián)合調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，首先系統(tǒng)平臺滿足可擴(kuò)展性，通過修改系統(tǒng)各模塊與組件間的關(guān)系，增加數(shù)據(jù)存儲量和構(gòu)建更為完善知識圖譜，其次平臺穩(wěn)定性和簡單操作性，保證數(shù)據(jù)檢索、分析和變更影響較小，在保證操作穩(wěn)定的同時(shí)滿足高功能性和易操作性。最后，保證平臺兼容性，一方面解決水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理位置和社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性較低，無共享的問題，另一方面提高流域水利工程檢索效率，將知識圖譜采集、模擬的數(shù)據(jù)應(yīng)用在水利管理信息中。

2.3 系統(tǒng)核心模塊

2.3.1 水利數(shù)據(jù)抽取

水利數(shù)據(jù)抽取是指在類別中采集、篩選、分析后并存儲有關(guān)水利知識數(shù)據(jù)。目前，知識圖譜技術(shù)中的核心模塊則是對水利數(shù)據(jù)抽取的設(shè)計(jì)，面對結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類別進(jìn)行。如百度數(shù)據(jù)則通過Xpath語句進(jìn)行抽取，文本數(shù)據(jù)聽過語句抽取法進(jìn)行，而對于水利內(nèi)部信息數(shù)據(jù)，則抽取為RDF格式文件，對不同抽取數(shù)據(jù)匯總，以構(gòu)建足量、多方面、多層次和多理論性的水利知識圖譜。

2.3.2 可視化數(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)可視化是以簡單、直觀且明了的形式將水利信息數(shù)據(jù)呈列形式和表現(xiàn)形式的科學(xué)研究，通過可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像、計(jì)算機(jī)視覺和用戶視角界面的有機(jī)溝通。文章大量水利數(shù)據(jù)儲存于知識圖譜，以此提取不同區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)以立體、動畫的形式呈現(xiàn)，對北江流域水工程聯(lián)合調(diào)度工作的及時(shí)性、高效性和準(zhǔn)確性有重要意義。

3 知識圖譜技術(shù)在北江流域水利聯(lián)合調(diào)度中的應(yīng)用

3.1 功能應(yīng)用

知識圖譜是水利領(lǐng)域的技術(shù)手段，同時(shí)也是水利領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)庫，目前知識圖譜技術(shù)的日常應(yīng)用主要包括以下3個(gè)方面：①數(shù)據(jù)運(yùn)營服務(wù)，對北江流域一張圖所提供的各項(xiàng)基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)、展示影像數(shù)據(jù)等進(jìn)行更新維護(hù)；對防洪、水資源、水工程安全等各項(xiàng)監(jiān)測信息的接入服務(wù)情況進(jìn)行監(jiān)視，及時(shí)記錄及反饋數(shù)據(jù)接入異常情況；②預(yù)警體系維護(hù)，對北江流域防洪、水資源、水工程安全等預(yù)警指標(biāo)體系在系統(tǒng)中的各種閾值進(jìn)行更新和維護(hù)；③功能設(shè)置與調(diào)整，針對系統(tǒng)中涉及深度專業(yè)交互計(jì)算分析、業(yè)務(wù)流等變化的應(yīng)用需求，及時(shí)進(jìn)行了解和記錄，與水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生支撐服務(wù)運(yùn)營共同進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷恼{(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)需求分析

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于對本項(xiàng)目從外部匯聚和系統(tǒng)自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，表2為知識圖譜技術(shù)水利中心數(shù)據(jù)管理結(jié)果，按照數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，將水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利行業(yè)單位)、空間型數(shù)據(jù)庫(地理信息數(shù)據(jù))兩部分。其中關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是穩(wěn)定水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)系統(tǒng)上線后，數(shù)據(jù)存儲和處理容量不斷上升，因而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要具備擴(kuò)容能力，使關(guān)系型數(shù)據(jù)庫儲存系統(tǒng)隨著水利信息量的增加而增加，同時(shí)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)還應(yīng)具備維護(hù)成本低、可靠、易使用和技術(shù)開放的特點(diǎn)。

由于水利工程調(diào)度中涉及到大量的地理信息數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫針對基礎(chǔ)水利數(shù)據(jù)，無法對空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，為此，在數(shù)據(jù)庫類型中增加空間型數(shù)據(jù)庫，將知識圖譜采集轉(zhuǎn)化的屬性和空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理，其特點(diǎn)是不僅能存儲空間矢量數(shù)據(jù)，而且提高了相關(guān)水利數(shù)據(jù)的處理能力，強(qiáng)化了北江流域水工程調(diào)度速度和信息獲取能力。

表2 基于知識圖譜水利數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)運(yùn)營

3.3 社會經(jīng)濟(jì)和安全分析

隨著智能化的知識圖譜技術(shù)發(fā)展革新，水利工程高效、智能化調(diào)度越發(fā)深入，基于知識圖譜的水利工程項(xiàng)目社會經(jīng)濟(jì)性和安全性隨著智慧化措施也形成了一定改變，如防洪經(jīng)濟(jì)安全措施日常運(yùn)營：①知識圖譜根據(jù)江北流域運(yùn)行現(xiàn)狀，收集更新江北流域各水庫、防洪區(qū)、堤壩、河段等控制目標(biāo)對象資料，對超出閾值的數(shù)據(jù)報(bào)警，以保證防洪安全；②聯(lián)合調(diào)度方案維護(hù)過程，針對水工程、控制目標(biāo)等情況變化，及時(shí)更新江北流域調(diào)度資料信息，協(xié)同水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生支撐服務(wù)運(yùn)營進(jìn)行實(shí)例調(diào)整；同時(shí)以知識圖譜智慧技術(shù)提前預(yù)防洪水災(zāi)害，確保社會經(jīng)濟(jì)和安全。文章通過Copula函數(shù)理論的貝葉斯預(yù)報(bào)處理器對水利信息進(jìn)行監(jiān)測，其公式如下：

貝葉斯概率水文預(yù)報(bào)方法理論基礎(chǔ)明確，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛，是目前概率水利超標(biāo)預(yù)報(bào)方法。

令Hk、Sk(k=1,2,…,K)分別表示待預(yù)報(bào)的實(shí)測流量和確定性預(yù)報(bào)流量，K為預(yù)見期長度；hk、sk分別為Hk、Sk的實(shí)現(xiàn)值。根據(jù)貝葉斯公式，預(yù)見期k的實(shí)測流量Hk的后驗(yàn)密度函數(shù)為：

(1)

式中：φk(hk|Sk)的后驗(yàn)密度函數(shù)；gk(hk)為流量先驗(yàn)概率密度，代表了實(shí)測流量過程的先驗(yàn)不確定性；對于確定的Sk=sk，函數(shù)fk(Sk|hk)為Hk的似然函數(shù)，反映了確定性預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)能力。1)Copula函數(shù)可以將多個(gè)隨機(jī)變量的邊緣分布連接起來構(gòu)造聯(lián)合分布。令Q(x1,x2,…,xn)為一個(gè)n-維分布函數(shù)，其邊緣分布分別為F1(x),F2(x2),…,Fn(xn)。由Sklar定理可知，存在一個(gè)n-Copula函數(shù)C，使得：

Q(x1，x2，…，xn)=C(F(x1)，F(xiàn)2(x2)，…，F(xiàn)n(xn))

(2)

借助Copula函數(shù)，Hk、Sk的聯(lián)合分布函數(shù)可以表示為：

Fk(hk,sk)=Cθ(Gk(hk)，F(xiàn)k(Sk))

(3)

式中：u=Ck(hk)，v=Fk(sk)分別為邊緣分布函數(shù)；θ為Copula函數(shù)的參數(shù)，采用Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ求解。

通過合理的知識圖譜信息技術(shù)，保障了北江流域內(nèi)因水利問題產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)和安全的問題。

4 結(jié)論與展望

文章通過對水利知識和知識圖譜技術(shù)特征進(jìn)行梳理分析，以結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為水利數(shù)據(jù)源，提出對不同類別數(shù)據(jù)的實(shí)體識別和關(guān)系抽取，設(shè)計(jì)集采集、分析、計(jì)算、預(yù)報(bào)和調(diào)度為一體的知識圖譜架構(gòu)體系。在水利知識圖譜基礎(chǔ)上，通過多源異構(gòu)水利數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以對不同類型水利數(shù)據(jù)挖掘和分析的能力，進(jìn)而通過知識圖譜實(shí)現(xiàn)水利工程智能化服務(wù)調(diào)度體系的目標(biāo)遵旨。