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流域综合规划决策支持系统的概念设计

D.G. JAMIESON

摘要：
“WaterWare”是Eureka EU487计划的成果，这是个合作研究计划，以开发一套全面的、简单易用的流域综合规划决策支持系统为目的。其意义在于帮助政府机关、流域委员会等部门从水量和水质方面有效管理水资源时进行决策。结合地理信息系统技术、数据库技术、模拟技术、最优化方法和专家系统，该计划是为提高日益复杂的决策活动的质量而实施的。本文的开头部分介绍了开发WaterWare软件的目的和基本原理。随后简要叙述了系统结构、设计特点和分析工具。最后详细介绍了所选组件的规划功能。

1. 简介
尽管许多国家都在探求流域综合管理的原则，但这种管理往往仍然被当作一项零散的工作。部分原因可能是在于缺乏全面的分析能力，来适应多功能需求。过去开发的分析功能大都是在单功能环境中表示的，比如水的供给、水力发电、洪水的削减、河流污染控制等等，往往只反映出所感兴趣的某一方面的主要管理问题。在这种管理下，将水量问题与水质问题分离开来是很平常的，所考虑的二者之间的相互作用只是是否允许供应，这样就使得在特殊情况下管理的弹性很小或者没有弹性了。于是会产生一个问题：怎样将已有的方法用来满足流域综合管理的要求。这种管理是基于多目标的决策活动，包括了整个流域而不是某一个特定的位置。显然，这种管理比起过去来说要困难得多，而且还意味着要在多功能环境下对流域管理的基本原理进行重新思考。
到目前为止，人们越来越多的兴趣放在了应用决策支持系统（DSS）来解决这类问题，以达到提高决策质量的目的。在一个决策支持系统（DSS）中，数学模型的运用不再局限于在某种假定条件下预测将要发生的事情，而是为正确的决策行为提供专家意见。这不是一个新概念，它的提出可以追溯到20年前。但是直到现在，其实际应用仍然只是在流域管理的某一方面，比如污染控制，而没有在与流域综合管理有关的较大的范围内得到应用。同时，地理信息系统（GIS）越来越受人们的重视。水资源固有的空间变异特性使得GIS在河流及流域管理方面，尤其是当它与包含非空间及时间序列的地理数据库相关联时，更具有魅力。增加预测数学模型的分析功能，与辅助决策功能一样，都只是为了提高模型本身的魅力。
根据以上背景，开发一套比较全面的DSS来实现流域综合规划，这个构思是在1990年提出的，并在1992年1月开始启动。各国的国务部长共同签署文件，制定了体现欧洲风格的EUREKA计划（即Eureka EU487）。最初的目标是到1994年完成被称为“基础”的系统构建。基础系统并不包括最初设计的所有功能，但是必须能够解决流域规划中通常会遇到的问题。

2. 用户需求
该项计划的目标是开发一套完整的用于流域综合规划的DSS，解决的问题范围很广，包括：
· 确定可开发的范围；
· 评价新的环境法规或标准的影响；
· 决定新的水资源的开发方式、地点和开发时间；
· 评估与水有关的开发活动的环境影响；
· 描述河流及地下水污染控制计划的策略；
· 其它相关问题。
由于问题的复杂性，使得设计一套全面的、可用于处理每一件可能发生的事情的软件程序变得十分困难。因此，系统采用灵活的、模块化的软件包来处理，这种软件包允许用户根据某一特定的应用要求而选择适当的模块，从而避免了对整个软件包的调用。由于不存在两个完全相同的流域，这种“选择－组合”的方法尤其适合流域规划。但是仍需一定的努力，因此整个系统设计中又包含着软件工程的概念。无论怎样，这种方法所固有的弹性使得系统更易于在某一特定流域上应用。所作的选择或是根据基本原理预先建立系统，或是根据一系列独立的软件包来组装系统的问题，二者对于对多重应用来说则都不适用。就用户而言，关心的是这个定制的系统应当是无缝连接的，即解决这个问题的时候可以转换到另一个问题上，而不会使得用户错误地认为应当根据不同的目的来转换不同的模型。
理想情况下，对于一个不具备深奥数学模拟知识的人，也应当能胜任这种分析工作，这样就必须要求模型是健全的、易于掌握的，并尽可能具备用户所看不到的灵活性。当然它也有不利之处，因为那些没有经验的用户并不需要懂得分析方法的限制条件。但是，在可以预见的将来，随着计算机技术用于弥补用户的经验，软件工程的优势即使不会使这种可能性消失，也将会使之削弱。这样看来，似乎模拟技术的重要性就会低于DSS的核心即分析功能了，其重点放在了决策的质量上，而不再是模型的精确性了。如果用户对研究范围内的对象很熟悉的话，在规定的约束条件下得到最优化解的方法在很大程度上就显得不是很重要了。

3. 系统的构建
WaterWare，作为Eureka EU487计划的最终成果，综合了GIS、数据库管理系统、模拟技术、最优化方法以及专家系统等各项功能。它采用了完全开放式的、模块化的体系，根据集合程度的不同，具有不同的层次和结构。系统给用户提供了一个公共框架和逻辑结构，以便进行交互式分析和信息的获取，并充分利用彩色制图。从根本上来讲，这个软件系统包含一套保证兼容性以及连贯性协议的标准件、显示结果的共享工具以及描述问题的通用语言，避免了所有的私人软件环境，因此对系统将来的更新和继续开发提供了很大的灵活性。

系统的基本结构包括：
· 主菜单程序，用以协调各项独立的任务，并通过菜单操作，对一个请求或者一个组件的单屏触发，或者在更复杂的情况下为特殊问题特殊处理而组合成的专家系统提供入口；
· 地理信息系统（GIS），用以存储、显示所有的地理信息（如卫星影像图、地图等），它可以是私人产品，比如选择ArcInfo或者GRASS。该系统是为了某一特殊用途开发的，只支持一种有效的选择；
· 普通的数据库管理系统（DBMS），提供除了空间数据之外的非空间数据（如关于对象的详细资料，时间序列数据等）。该系统可以是商业软件包或者某种特殊应用中专门的文件处理系统；
· 至少一个或者更多的模拟模型、最优化模型、专家系统模型，具备从GIS和DBMS中获取数据的接口，可以提供分析功能；
· 一套前处理和后处理程序，主要支持输入数据的编辑、输出的可视化或者结果分析模型，另外还可以处理每一个模型的多种方案；
· 一套效用函数，用于数据准备和管理。

4．设计特点
WaterWare包含了一套为系统的实施和连续使用而开发的工具。采用的模块化方法可以在一个特定的流域上，对所需组件进行选择，然后组合在最初为该流域定制的系统里。河网编辑器可以用来形成实际河网的示意图，在某种程度上可以保证不同的地表水模型之间的协调性。在使用该系统时，可以利用内置的专家系统来确定单个模型中表征该位置的输入变量的值。同时，如果需要更进一步的帮助，则可以采用超文本格式作为在线用户指南。这样，就可以提供不同层次的用户支持，以方便系统的安装和应用。
在作实际河网的示意图时，河网编辑器以独立于模型的方式来形成节点，从而使得不同的模型可以共享节点的数据，并且一个模型的输出可以作为另一个模型的输入。这些节点对应于自然实体，包括有不同的形式：
· 起始节点（泉水口，上游集水区，地下水的主要出口等）；
· 转折节点（分叉口，取水口，溢流槽等）;
· 汇合节点（分叉的末端、支流末端、排水道的末端等）；
· 取水节点（灌溉、市政/工业等所要求的取水点）；
· 贮水节点（水库，湖泊等）
· 控制节点（可承受的最小流量，限制的最大流量等）
· 终端节点（入海出流，下游集水区等）
· 辅助节点（使模型之间的河网具有连续性的占位节点）；
每一个节点都是与地理有关的，其连续性由上下游节点参数来描述。任何两个节点都是由一条有长度、高差、河床类型等性质的河段连接起来。在作示意图时，通常的方法是从河网的最高一端开始，然后逐渐向下进行，包括所有可能的节点。随后，将从这一系列节点中选出合适的节点与模型相连接。
Eureka EU487计划的目的是建立一个DSS，在这个系统中，将一个一个的组件连接起来的结构对于用户来说是看不见的。尽管对一个特定流域来说，定制一个DSS需要时间和精力，但是该系统的使用却是尽可能的简化了。通过友好的交互界面，扩大了超文本在线指南的使用，以及表达结果时的彩色制图的应用。如果用户对系统十分熟悉，就可以直接调用合适的模型；如不然，可以利用专家系统来选择合适的模型，设定边界条件，估计参数值（目前这项工作还需手工完成）。无论哪种方法，其实际操作都设计得非常简单。通常用不着键盘，因为大部分工作都是通过表示特定组件或要素的图标按钮来完成。同样，对模型运行的控制也十分熟悉，因为那些图标按钮是模仿了视频播放器来设计的，即包括播放，暂停和停止按钮。这样就使得用户和模型之间可以交互作用，并避免了通常数学模拟有关的困难。

5. 组件
WaterWare由GIS和DBMS组成，结合了越来越多的分析组件，比如水资源规划、地表水污染控制、地下水污染控制、水文过程等等。每一个组件都是由预报模型和决策模块组成。可以在系统中添加新的组件，也可以在已有组件中扩充另外的模型和模块。倘若新的组件是按照通用的界面设计的，那么系统对已有组件的替代或者增加新的组件时便没有限制。事实上，根据有效的数据和问题的复杂程度，许多的组件都有不止一个供选择的模型。比如，设想模型可能是一维、二维或者三维的，也许在空间上是集成式的、半分布式的，或者完全分布式的。同样，根据不同的环境，需要有不同的策略，比如对地下水补救（抽水处理、工程隔离、就地处理等）。与一个组件只包含一个决策模块的情况相比，这种做法是必要的。根据要解决的问题的性质和验证的复杂性，决策模块中应用到的方法也许包括了各种形式的最优化方法、专家系统、基于原理的推论以及定性的推理等等。关于选择组件的功能将在后面的讨论中详细叙述。

6. 结论
利用决策支持系统，除了在帮助用户更有效地制定将来的投资计划时有明显优势外，其它的可以看到的效益还包括：
· 使得数学模拟对终端用户更容易；
· 无需具备深奥的模拟技术知识便可以合理地运用分析工具；
· 提供了一个完整的结构体系，其中各个子模块可以共存并相互作用，避免了一系列独立模块之间出现矛盾；
· 包含了加入新知识或者加以改进的升级通道；
· 更容易向公众解释实施决议的方法；
· 其它。
显然，在这些技术方法成熟之前，人们对决策支持系统提供的决策建议的正确性将会有一定的怀疑。在应用模型之前保证所选模型是合适可靠的，并且经过了充分的验证，在某种程度上可以消除这种怀疑。减小出现意外错误的可能性，例如，在模型标定范围之外应用该模型，这也属于对模型运用的维护。另外一种减小可能出现错误的方法是在明确问题、建立输入参数和输出结果时得到用户的帮助。在作了这些准备并经过适当培训之后，一个称职的工作人员应当能够正确地运用DSS，不会在操作过程中出现错误。但是，要使得对每一个运用该系统的人都放心的话，就应当经过合理的检查测试，让使用者详细了解怎样获得建议。
在WaterWare这个软件中，建立DSS的目的是提出一个规划过程，而不是一系列单独的计划；随着时间的推移，当环境改变了或者是一些假定条件不能满足时，将产生新的计划，而不是让原有计划脱离现实。显然，即使模型所需的所有数据都可以在媒体中得到，尚未与实际流域结合的系统仍然是毫无价值的。在为某一特定的流域定制模型系统的过程中，必须配置相应的软件，提供选择的组件，完成所需空间数据、非空间数据及时间序列数据的输入。随后，在不同的子模型中估计参数，并在各种可能条件下进行检验，只有这样系统才能为我们所用。尽管还需要很多的努力，但在进行流域规划时，采用这种全面而综合的方法，取代流域分割的方式，其收益远远超过了最初的投入，由此证明该系统的应用价值。