何欣欣，罗军刚，解建仓

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安710048)

水资源是最重要的基础性自然资源和战略性经济资源，严峻的水资源问题已成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈。2011年中央一号文件《中共中央、国务院关于加快水利改革发展的决定》提出实行最严格的水资源管理制度，确立水资源开发利用控制红线，建立取用水总量控制红线指标体系[1]。2012年1月国务院印发《关于实行最严格水资源管理的意见》明确提出“三条红线”的主要目标，建立水资源管理责任和考核制度，要求加强水资源开发利用控制红线管理，将取用水总量控制指标体系覆盖至流域和省市县三级行政区域[2]。用水量考核是水资源考核管理的“三条红线”中的主要内容[3]，涉及农业、工业等不同用水部门的考核工作。因此，建立一套完善的用水量考核管理系统，将水资源考核管理工作落到实处，是一项必不可缺的工作。

据查阅相关文献可知，国外对于水资源考核的研究较为缺乏，主要是针对责任考核制度[4-5]、法律法规[6]、实施考察情况[7-8]的一些研究。然而国内关于用水量考核的研究已经起步。汪党献等[9]探讨了用水总量控制指标制定的原则、依据、方法和技术流程，并提出了相关对策建议。甘泓等[10]建立了以用水量特性曲线为基础的年度用水总量考核方法。阿依古丽·艾科拜尔等[11]提出了城市工业用水总量的核算方法。孟江丽[12]确定了一套符合新疆实情的用水总量考核指标体系和评分方法。但总的来看已有研究尚缺乏信息化手段的支撑，针对用水量考核的管理系统研究也比较少。虽然国务院出台了《国务院办公厅关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》[13]，明晰了各省、自治区、直辖市用水总量控制目标，各地区也进行了积极的响应。随后颁布的《实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案》[14]也针对31个省级行政单位，就考核内容、考核程序、评分方法及结果运用做出了详细规定，但现有相关研究都是围绕省级行政区来进行，缺乏对市级、县(区)级行政区用水量考核的系统研究。基于上述研究背景，本研究以综合集成平台为支撑[15]，通过组件技术和系统网络知识图构建面向用水总量考核管理的多级主题嵌套模式，旨在为利用水利信息化手段实现用水量考核工作的系统化和流程化管理提供技术支持。

1 多级主题嵌套模式

1.1 多级主题嵌套模式的内涵

多级主题嵌套模式是面向水资源业务应用的一种服务模式，可系统地对用水量进行考核管理。该模式以业务功能为出发点，依据业务活动建立应用主题，以主题为向导，通过灵活搭建组件、系统组织知识图，在综合集成平台的支撑下，构建一种从上至下、逐级分层的用水量考核管理服务模式，进而实现控制指标的定性化与定量化考核，使业务功能的实现具有可操作性、普遍性与灵活性。具体特征如下：

(1)与信息化技术融为一体。该模式以信息化技术为支撑，将考核业务转化为应用服务，为决策者提供信息一体化服务，是业务功能与信息化的融合体，运用Web Service技术[16]、SOA架构[17]、J2EE[18]、知识图技术[19]、组件技术[20]，通过大数据、云计算及水利数字化等信息化思想的融入[21]，基于综合集成平台，实现用水量考核业务应用的信息化服务。

(2)面向业务主题，应用服务到位。该模式以业务应用为驱动，依据业务需求的主体与核心提取考核主题，围绕业务功能组织所需信息资源，展开面向业务应用的个性化主题服务，将用水量考核管理业务应用功能服务到位。

(3)多级主题嵌套，分层逐级考核。该模式通过不同层级业务主题的相互嵌套，以结构化的形式表达各级应用主题之间的逻辑关系，从而实现不同服务机制下的用水量考核管理，满足考核业务需求。

(4)基于组件，灵活搭建。该模式是将用水量考核的模型、方法拆分并封装成功能独立、输入输出标准的组件，通过考核模型和方法的组件化，在综合集成平台提供的可视化环境下，可快速搭建出业务所需流程，对业务需求变化有较强的适应性，使其具有适应性、灵活性和可扩展性。

1.2 多级主题嵌套模式的研究思路

应用钱学森提出的综合集成思想[21]，结合最先进的软件开发技术及严格水资源考核管理的要求，以水利信息化综合集成平台为支撑[22]，将考核体系、数据和信息进行有机结合，以信息化手段，通过组件技术、知识图可视化技术、Web Service等技术，采用J2EE、SOA架构，将考核方法、模型组件化封装，运用组件和系统网络知识图构建一个人机结合系统化的最严格水资源考核管理模式。因此，多级主题嵌套模式的服务对象是业务应用，围绕用水量考核业务应用，该模式的实现思路如下：

(1)业务应用主题化。以应用主题为主线，描述、组织及开展应用，按照主题提供信息服务、计算服务和决策服务。用水量考核管理涉及到较为广泛的业务面，应该提取有利于显示区域水资源空间分布要求的业务主题，有利于数据的采集、整理、统计、分析，有利于计算结果的校准和验证等，将业务功能条理化，使主题个性化服务于业务应用。依据上述要求，将考核主题抽取为按行政区分级的水资源考核管理模式，有利于资料的收集和统计；按服务对象分级的水资源考核管理模式，有利于考核业务个性化处理；按考核业务应用分级的水资源考核管理模式，有利于突出分析重点。图1所示为面向用水量考核管理的主题分类图。

图1 面向用水量考核管理的主题分类图Fig.1 Subject classification of water consumption assessment management

随着考核需求的不断变化，考核工作的不断开展，业务功能的不断拓展，主题不断更新和累积，形成主题全面、丰富的水资源考核主题库[23]，以适应业务需求的变化，增加系统的实用性、合理性、主动性，为以后的考核工作提供指导。

(2)业务应用组件化。采用组件技术，通过业务抽取和分类、组件拆分、组件开发、组件注册与发布等过程[24]，将用水量考核所涉及的计算方法、模型开发并封装成输入输出标准的组件[25]，建立业务应用组件库，为用水量考核管理系统构建提供支撑。

(3)业务应用可视化。以知识图为工具，将主题概念系统结构以知识图的形式进行表示。通过知识图来组织应用，描述用水量考核业务应用事件、主题、流程、应用过程及逻辑关系，以结构化的方式揭示各级主题业务之间的关系，用系统的拓扑结构抽象可视化实际应用系统，实现用水量考核业务应用的集成，形成一个大家都可以共享的环境。

知识图能有效地描述用水量考核业务主题概念系统结构，概化水量传输关系，是真正意义上的“人-机”结合[26]。根据用水量考核管理业务流程，划分考核主题，通过概化的各水源、用水户、水利设施之间的相互逻辑关系，以点、线链接的方式绘制系统网络知识图，建立系统用水关系网[27]。同时，基于知识图的形式化表示，可将考核计算方法按照计算步骤、计算逻辑以流程图的形式体现，相应计算节点之间以单向数据流的方式进行传送，实现考核业务组织功能。知识图构建是一个动态过程，不断地用新知识更新知识图，这样既可以清晰地描述实际用水量考核管理系统中考核业务之间的关系[28]，还可根据考核环境的变化来适时修改知识图，以适应用水量考核环境的动态性，增加系统的实时性。

2 多级主题嵌套模式的实现

2.1 分析方法

多级主题嵌套模式主要通过用水量考核管理来实现。本研究中所涉及基本概念分别为：①用水量。区域各行业将取用的地表水、地下水、跨流域调水和非常规水资源等用于生活、生产以及河道外生态的水量，称之为用水量，量值上等于区域供水量。②用水总量。用水总量(W总)指各类用水户取用的包括输水损失在内的毛水量，是用于衡量区域用水量是否超过区域水资源分配量的指标值，主要包括农业用水量(W农业)、工业用水量(W工业)、生活用水量(W生活)、生态用水量(W生态)4类，计算公式为：W总=W生活+W工业+W农业+W生态,其中生活、工业、农业用水量均采用定额法进行核算，而生态用水量在本研究对象中所占比重甚微，故并未涉及。

本研究将用水总量作为用水量考核指标，通过分析工业、生活、农业等行业的用水量情况，计算出区域用水总量，以国务院下发的用水量控制红线作为衡量标准，结合最严格水资源管理制度的考核要求，确定面向用水量考核管理的多级主题嵌套模式，对区域用水进行定量化的考核管理。

2.2 组织流程

基于水利信息化综合集成服务平台，根据用水量考核管理的业务流程，确定考核的主题模式，通过概化用水量考核管理系统中各取水水源、水利设施、取用水户相互之间的逻辑关系绘制知识网络图，在用水量考核管理组件库中定制与知识图节点相应的计算组件，以单向数据流的方式进行工业用水量、农业用水量、生活用水量以及用水总量的分析计算，通过在主题总图中相应节点添加子知识图的方式最终完成面向用水量考核管理服务的多级主题嵌套模式的构建。具体组织流程如2图所示。

图2 面向用水量考核管理服务的多级主题嵌套模式构建组织流程Fig.2 Organizational process of the multi-level thematic nested model for water consumption assessment management

2.2.1 系统网络知识图的建立 用水量考核系统网络知识图是概化的流域水资源系统图，即将水资源系统中各取水水源、水利设施、取水用户相互之间的逻辑关系以点、线、文字标注的方式进行可视化表示。知识图的绘制流程如图3所示。

图3 用水量考核系统网络知识图的绘制流程Fig.3 Knowledge drawing flowcharts of water consumption assessment

2.2.2 计算组件的开发、定制及添加 (1)组件的开发。在Eclipse软件中运用Java语言进行组件程序的开发。具体操作步骤如下：

STEP1：创建Project文件包，在该包的“scr”中编写开发组件的程序代码。

STEP2：新建、编辑JELLY文件。该文件主要用于控制用户定制组件时弹出的输入信息。

STEP3：确定JELLY中所需要的LOVEesponse对象，并实现getLOV()与getLOVSchema()两种方法。

STEP4：在ActionResponse中指定ActionCode。

STEP5：对(2)中JELLY的内容进行返回，至ActionResponse的actionHelper()中。

STEP6：编写SCHEMA，在ActionResponse的actionInputSchema()中返回。

STEP7：用XML返回execute()中编写的核心计算代码。

STEP8：将计算的结果用SCHEMA输出。

STEP9：在ActionResponse中的actionName()编写所开发组件的名字。

(2)组件的封装与发布。组件开发完成后，运用Web Service技术将组件封装成符合Web Service标准的形式，然后将其部署到服务器，通过在UDDI注册后发布。具体的流程如图4所示。

图4 用水量考核计算组件的封装与发布流程Fig.4 Encapsulation and releasion of the component flowcharts

(3)组建的定制及添加。组件经打包、上传、发布后，可在综合平台上依据业务需求在计算组件库选择相应的组件进行定制，定制完成的组件以.info的文件形式保存，最后，将定制好的组件添加到知识图中的相应节点上即可。具体流程如图5所示。

图5 用水量考核计算组件的定制及添加流程Fig.5 Components customization and addition flowchart

2.2.3 模式的组织与运行 用水量考核计算组件添加完成之后，进入系统应用界面，选择服务节点，启动已添加相关组件的运行。整个系统以单向数据流的方式，通过不同类型计算组件的后台运作，利用知识图工具的可视化组织功能，实现水资源考核管理各类相关业务功能的运行。

3 多级主题嵌套模式的特点

该模式所具有的特点主要体现在以下几个方面：(1)形成一个可共享的环境。按照相应的技术标准和要求，基于综合集成平台，将主题概念结构以知识图的形式，可视化表达业务主题涉及的各方面、各因素之间的关系以及处理事件的业务流程，统一组织、开发、应用主题业务化服务模式，形成一个可以让大家共享的环境。

(2)可实现服务共享。以业务化服务为目的，将用水量考核相关数据信息、业务流程、知识图、组件、业务主题进行统一管理，成为共享资源，按照需求提供服务，继承发展的模式，具有快速敏捷服务的适应能力与潜力。

(3)提高考核效率，实现按需服务。该系统的实现运用了系统网络知识图技术、组件技术、Web Service技术，在平台的支撑下，依据不同的业务需求，可快速方便、系统精确地获取到相关主题服务，适应具体主题，让服务到位，提高用水量考核管理效率。

(4)服务重用度高，增强了可维护性。随着业务功能的拓展和用户需求的变化，带动了服务于应用的组件、知识图积累量的增加，从而便可在原有的业务知识图上快速修改，更加灵活地适应业务应用的变化，方便个性化更新，不需要重新创建服务，提高了服务的重用度、可维护性。

4 应用实例

新疆生产建设兵团第十三师位于新疆东部的哈密地区，地理坐标东经92°36′至96°30′，北纬41°48′至44°37′，东倚甘肃酒泉地区，西邻吐鲁番地区和昌吉回族自治州，南接巴音郭楞蒙古自治州，北与蒙古国接壤。第十三师所辖区域南北宽270 km，东西长297 km，总面积998 544.2 hm2，占哈密地区总面积的7%。全师8个团场镶嵌在哈密地区一市两县版图内(哈密市、巴里坤县、伊吾县)，这8个团场分别为红星一场、红星二场、红星二牧场、火箭农场中心团场、红山农场中心团场、黄田牧场、柳树泉农场和淖毛湖农场。本研究在综合集成知识可视化平台的基础上，以系统网络知识图嵌套的形式，对新疆兵团第十三师进行“师-团-连”三级嵌套模式的用水量考核管理系统的应用分析，其用水量考核管理系统界面如图6所示。

图6 新疆兵团第十三师用水量考核管理系统界面Fig.6 Interface for water consumption assessment management in Xinjiang Production and Construction Corps,Thirteenth Agricultural Division

图6为新疆兵团第十三师取水用户、取水水源、水利工程以及流域分布概化图，由不同类型的知识图元按照概化的水量传输关系绘制而成，知识图节点下可添加单个或多个类型的服务组件，用于实现信息查询、模型计算等功能。如图6所示，在此系统中具有代表性的知识图元下都添加了单个或多个相应的计算组件，用于将用水量考核管理所涉及的相关业务功能的实现结果进行可视化展示。鉴于篇幅限制，现以第十三师红山农场生活用水量考核功能实现为例，对基于综合知识平台的用水量考核管理系统进行介绍。单击左上角的时间图元，运行已添加的时间组件，在弹出的时间对话框中选择需要考核的时间段(年或月)，然后单击房屋图元即图中所标注的生活用水量图元，即可启动已加载在图元上相关组件的运行，根据所输入的时间尺度从数据库中读取相关数据，通过单向数据流传递给生活用水量考核的相应组件进行分析计算，最终的考核结果通过系统以数据表或柱状图的形式予以展示，如图6右侧所示为2013年1月红山农场生活用水量考核结果。与此过程类似，单击图6左侧小树图元、烟囱图元、红山农场图元即可完成对农业用水量考核、工业用水量考核以及用水总量考核的结果分析。

为满足不同区域的考核业务需求，本系统主要从以下2方面体现多级主题嵌套考核功能：

(1)从服务对象层面分级。第十三师用水量考核管理系统的服务对象为十三师各个师团，包括“师-团-连”三级，基于综合集成平台，通过知识图的关联与嵌套，自上而下实现师级、团级、连级的用水量考核管理，分级应用，层层考核。图7左侧为新疆兵团第十三师水资源考核管理系统的主界面，是进入师级用水量考核管理系统的入口；图7右上所示为第十三师用水量考核管理界面，是十三师所属8个团场与河流分布概化图，此界面可实现不同时间尺度条件下的用水量考核管理，不仅可对十三师分属的各个团场用水量进行考核，还可对各个团场的考核结果进行汇总，以此实现第十三师用水量考核管理。本界面还嵌套了十三师下属各个团场的用水量考核管理知识图，是进行各团级、连级用水量考核管理的接口，单击团场图元即启动已添加在图元上该团场相应的用水量考核管理子知识图，便可进入团级用水量考核管理界面。图7右下所示为红山农场用水量考核管理界面，此界面可对该团场下属连队的用水量进行考核，考核过程与团级类似。通过知识图层级嵌套的方式，环环相扣，从服务对象分级的层面实现了多级主题嵌套功能，使用水量考核管理工作系统化、流程化、可视化。

(2)从业务应用层面分级。按照业务应用主题，以业务类型为主线，基于知识图的关联与嵌套，分层逐级地对用水量考核业务进行描述、组织，实现用水量管理的上下贯通，满足了用水量考核管理涉及面广、业务复杂、应用需求多变的特点，使得业务应用更具针对性，更符合管理需求。第十三师用水量考核管理所涉业务功能都可通过此系统依托行政区实现分级应用。图8所示为用水总量考核业务功能的应用分级界面。图8中，从上至下依次所示为师部级所属团场、团场所属连部的用水总量考核结果。高层级业务应用嵌套中层级业务应用，中层级业务应用嵌套低层级业务应用，环环相扣，对考核业务进行细化处理，从业务应用分级层面实现了主题嵌套考核功能。图8中超红线(计划)用水量和工业超红线(计划)用水量这两列数据中，非负数值所在行代表本次考核未超红线指标的区域，负值所在行则代表意义相反。

5 结 论

针对目前用水量考核管理模式的单一性，且缺乏完善的系统支撑的特点，本研究将组件技术、知识图可视化技术、Web Service等技术相结合，采用J2EE、SOA架构，将考核方法、模型组件化封装，基于综合集成知识服务平台，以信息化手段，运用组件和系统网络知识图搭建出面向用水量考核管理的多级主题嵌套模式。实例研究及应用结果表明：

1)基于综合集成平台的多级主题嵌套模式的用水量考核管理系统，能够实现按行政区分级的“师-团-连”三级主题嵌套模式的用水量考核管理，更好地满足多级行政区的考核需求，实现对各级行政区域的用水量考核管理。

2)能够通过分析考核需求与考核目标，将用水量考核管理相关业务流程化，实现用水量考核业务的功能应用。

3)能够进行年、旬、月多时间尺度下的考核管理，可按考核需求对时间尺度进行相应的调整；能够以数据表和柱状图的形式对考核结果进行可视化展示，从不同角度对考核结果进行分析研究，展现考核结果的多元化。

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