水利业务信息化及综合集成应用模式研究

摘要

现代水利需要信息技术。水信息应用问题突显,但有其特点。要共享资源、整合应用,就要水信息综合集成：大手笔的服务平台、组件化的信息处理、创新的应用模式。深入理解需求,用知识图关联信息、组织应用过程、描述事件和主题,把数据、信息、知识可视化,用图来存贮经验、用事例推理来延长应用；把业务处理方法和模型组件化、规范化；按主题提供信息服务、按需要提供计算服务、按个性化提供决策服务；从高性能计算和可视化表现,创建平行系统,开展计算实验；把卫星遥感图片及实景拍摄照片组合应用,由多元信息及全局影像的发展变化,挖掘信息价值；以人为主,实现“人机结合”,在综合集成服务平台下提供信息、知识、决策服务。由平台、组件、主题、知识图、可视化工具组成新模式：由平台支持应用；由组件、主题、知识图快速组织应用；由丰富的多元信息可视化直观表现应用。在个性化定制应用和相关行业标准制订中,发挥行业导向作用,逐步推广新的应用模式。论文取得的主要成果如下：(1)采用知识图实现知识的可视化表达,并把知识图著作工具产品化。①以基于过程的知识获取、表达为手段,建立水信息与知识的知识图,把应用业务知识图化。采用知识图来关联信息、组织应用过程中的信息、描述事件和应用主题。②研究知识图方法支持下的人—机结合机理。从信息感知、融合的角度,运用实证和经验总结的方法,研究水信息应用过程中专家运用知识及知识图的过程,实现知识共享与传递的机制、规律,并研究提高知识传递效率的途径。③研究知识图方法支持的群体智慧形成机理。运用实证的方法,研究基于知识图的个体智慧转变为群体智慧的机制、规律,并支持群体创意,引导专家群体进行深入的分析与论证。通过群体专家之间进行知识传递,形成“群体记忆”,促进群体智慧的产生。(2)与水信息应用中具体业务适应,按照组件开发标准,开发表现层和业务层组件。扩大传统模型对信息的依赖,发展新模型,并逐步组件化。不断丰富,建成应用组件库。利用组件库(已有了一定基础),解决应用系统构造、知识资源共享问题,规范组件应用的流程及服务组合,为快速集成和组建不同应用,创建人机结合综合集成平台打基础,并结合平台促进新模式的推广,逐步构建一个支持专家群体研讨的“知识场”。(3)采用中间件、网格、综合集成研讨厅等技术构建综合服务平台体系。采用平台提供数据、信息、知识的综合集成；用平台提供三个服务：按照主题提供信息服务、按照需要提供计算服务、按照个性化组织应用提供决策服务；用平台建立具有开放的可以增长的知识体系,使系统具有方便服务、切近实用、长久生命力；在平台上用知识图来存贮经验、用事例推理来延长应用；通过决策知识集成与评价,发掘优秀决策知识,总结、提炼规律,从定性到定量,更好地提供服务。(4)对具体应用主题,采用平台支持的模式,开展个性化的应用。以基于平台的洪水预报、水库调度和应急管理为实例,把主题用一系列的知识图来表达,知识图、平台、用有机结合,在应用过程中,检验信息、知识、决策服务的有效性和实用性。(5)随着业务应用组件库(解决问题的过程或方法组件化)、主题服务标准库(由事件驱动,形成应用主题)、应用知识图库(解决问题的过程或方法、信息融合、知识形成等的图形化)的不断丰富,数据中心就成为了面向服务的主题服务中心,由此提出实用的数据中心建设方案。就目前多分布式数据源,分布存放、相对抽象,在应用中单独提供数据、没有语义,很难理解。只有给数据加以语义,变为信息才能提高应用效率、才有价值。所以,设计可行、可操作的数据中心,就有着重大的实用意义。(6)探讨从主题到知识图形成信息集成,由平台、组件、主题、知识图、可视化工具组成新的应用模式。由平台可以支持应用；由组件、主题、知识图可以快速组织应用；由丰富的多元信息可视化可以表现出更直观应用。把多元信息融合、用知识表达决策过程、用平台提供服务、方便组织应用作为近期应用模式,并逐步加以推广(7)基于平台的MODIS遥感信息分析、处理、应用。在遥感技术的支持下,提高多元信息的利用率,以信息融合和MODIS遥感信息的应用为重点,由多元信息及全局影像的发展变化,挖掘信息价值,通过对MODIS信息的集成,可将点信息、线信息和面信息结合起来,实现三位一体的洪水预报。(8)结合网格技术、可视化技术,创建水信息应用的人工平行系统。在高性能计算和可视化表现下,从主动、被动两方面,提供计算服务,并开展计算实验。以洪水预报为例进行分析和论证。(9)构建面向服务的水利业务应用服务中心。通过组件实现数据与业务集成,通过知识图和服务组合实现应用集成,通过平台实现综合集成,通过水利应用中心实现水利业务应用集成服务体系。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 论文的课题背景

1.1.3 研究目的及意义

1.2 国内外相关技术研究进展

1.2.1 决策支持系统

1.2.2 中间件技术

1.2.3 网格技术

1.2.4 分布式虚拟环境技术

1.2.5 遥感技术

1.2.6 开放复杂巨系统及综合集成方法

1.3 存在问题及发展趋势

1.3.1 当前研究中存在的问题

1.3.2 需要引起重视的几个方面

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究框架

1.4.3 技术路线

2 基于Web Service的水利业务组件化

2.1 组件技术

2.1.1 组件的基本概念

2.1.2 组件的描述

2.1.3 组件的划分

2.1.4 组件的设计原则

2.1.5 组件的开发步骤

2.1.6 基于组件的软件开发

2.2 Web Service

2.2.1 Web服务概述

2.2.2 Web Service的定义

2.2.3 Web Service的特征

2.2.4 Web Service体系结构

2.2.5 Web Service标准

2.2.6 Web服务组合

2.3 面向服务的体系结构

2.3.1 SOA的基本概念

2.3.2 SOA参考模型

2.4 水利业务组件实现

2.4.1 组件开发的UML图

2.4.2 组件开发标准

2.4.3 组件输入输出约束

2.4.4 组件开发步骤

2.5 水利业务服务组件开发和部署

2.5.1 基于Axis的Web服务开发

2.5.2 环境搭建

2.5.3 Web服务开发

2.6 水利业务组件化应用模式

2.7 本章小结

3 基于Web Service的水文预报模型

3.1 水文预报模型的组件化

3.1.1 传统预报模型的实现方法

3.1.2 模型组件化的基本方法

3.1.3 模型组件化流程

3.1.4 水文预报模型的组件化构建

3.2 基于Web Service的马斯京根模型

3.2.1 马斯京根模型基本原理

3.2.2 马斯京根模型的组件划分

3.2.3 组件业务逻辑分析

3.2.4 马斯京根模型组件的实现

3.3 基于Web Service的新安江模型

3.3.1 新安江模型基本原理

3.3.2 新安江模型的组件划分

3.3.3 组件业务逻辑分析

3.3.4 新安江模型组件的实现

3.3.5 新安江模型预报精度评定

3.4 洪水预报模型参数估计算法及其组件化

3.4.1 参数优化估计模型

3.4.2 预报模型参数估计的免疫克隆选择算法

3.4.3 洪水预报模型参数估计算法的组件实现

3.5 本章小结

4 面向服务的水利业务应用组件库

4.1 水利业务组件的抽取与分类

4.1.1 基于业务应用主题分类

4.1.2 基于服务功能分类

4.2 水利应用组件库的构建

4.2.1 组件库技术

4.2.2 水利业务应用组件库的目标

4.2.3 水利业务应用组件库的组织结构

4.2.4 基于刻面分类体系的水利组件分类

4.3 基于Web服务技术的组件库发布

4.3.1 Web服务的开发与部署

4.3.2 Web服务的注册与发布

4.4 水利Web服务注册与发布中心

4.4.1 JUDDI简介

4.4.2 JUDDI配置

4.4.3 基于JUDDI的水利服务注册与发布中心

4.5 本章小结

5 基于知识图的可视化应用模式

5.1 知识管理

5.1.1 知识管理概述

5.1.2 面向主题的知识组织与管理

5.2 知识可视化

5.3 知识图

5.3.1 知识图的特性和功能

5.3.2 知识图创建

5.3.3 知识图绘制

5.3.4 知识图应用

5.3.5 基于知识图的知识形式化表示

5.3.6 基于知识图的知识可视化

5.4 基于知识图水利业务应用

5.5 面向水利业务应用的主题服务标准库

5.6 面向主题的水利业务应用知识图库

5.7 本章小结

6 基于事例推理的知识获取方法及应用

6.1 基于事例推理理论

6.1.1 基于事例推理的基本原理

6.1.2 基于事例推理的特点

6.1.3 基于事例推理的工作原理

6.2 基于事例推理的水库洪水调度

6.2.1 洪水调度事例库的表示与存贮

6.2.2 洪水调度事例的检索与匹配

6.2.3 洪水调度事例的优选

6.2.4 洪水调度事例的调整

6.2.5 洪水调度事例的学习

6.3 基于多目标决策方法的事例优选

6.3.1 Vague集理论

6.3.2 基于Vague集的模糊多目标决策

6.3.3 洪水调度事例的多目标决策优选

6.4 基于知识图和事例推理的水库洪水调度应用实例

6.5 本章小结

7 面向主题的水信息集成应用模式

7.1 水信息综合集成需求

7.1.1 数据集成

7.1.2 信息集成

7.1.3 知识集成

7.2 综合集成方法论

7.2.1 综合集成方法的提出及其依据

7.2.2 综合集成方法的要旨

7.2.3 综合集成方法的特点

7.2.4 水信息综合集成框架

7.3 人机结合智能系统方法

7.3.1 人机结合智能系统的概念

7.3.2 人机结合智能系统的设计策略

7.4 面向主题的水信息组织结构

7.4.1 面向主题的水信息集成服务框架

7.4.2 面向SOA的水信息组织结构

7.5 水信息集成应用模型

7.6 水信息集成应用模式

7.7 本章小结

8 支持服务的水利综合服务平台体系

8.1 水利信息化综合体系

8.2 水利综合服务平台体系

8.3 面向资源整合的网格平台

8.3.1 网格技术简介

8.3.2 网格应用模型

8.3.3 P2P网格及主要应用模式

8.3.4 水利应用对网格技术的需求

8.4 基于中间件的应用支撑平台

8.5 面向用户的综合集成服务平台

8.5.1 平台总体架构设计

8.5.2 平台功能设计

8.5.3 平台软硬件环境设计

8.5.4 平台的实现

8.6 本章小结

9 面向服务的水利应用中心

9.1 面向服务的水利应用中心建设背景

9.2 面向服务的水利应用中心设计

9.2.1 面向服务的水利应用中心需求分析

9.2.2 面向服务的水利应用中心建设目标

9.2.3 面向服务的水利应用中心总体框架

9.3 面向服务的水利应用中心的开发与应用模式

9.3.1 面向水利应用中心的开发模式

9.3.2 基于水利应用中心的应用模式

9.4 面向服务的水利应用中心的实现

9.4.1 水利应用中心的实现

9.4.2 国家水利应用中心的实现思路

9.5 本章小结

10 水利应用平行系统研究

10.1 人工系统

10.1.1 自然系统与人工系统

10.1.2 人工系统方法

10.1.3 基于代理的人工系统建模分析、设计和综合方法

10.2 计算实验

10.2.1 计算实验方法

10.2.2 基于涌现的观察和解释方法

10.2.3 计算实验的模型和过程

10.2.4 计算实验理论的基本方法

10.2.5 水利应用探索性计算实验

10.3 平行系统

10.3.1 平行系统方法

10.3.2 平行系统理论的基本方法

10.3.3 平行系统基本框架

10.4 水利应用平行系统

10.4.1 水利应用平行系统概述

10.4.2 水利应用平行系统基本框架

10.4.3 基于平行系统的洪水预报

10.5 本章小结

11 集成环境下的业务应用

11.1 集成环境下的洪水预报

11.1.1 洪水演进动态模拟仿真

11.1.2 新安江模型洪水预报实例仿真

11.2 集成环境下的水库调度

11.3 集成环境下的应急管理

11.3.1 数字预案

11.3.2 防洪数字应急预案

11.3.3 基于平台的防汛应急管理

11.4 本章小结

12 结论与展望

12.1 主要研究成果

12.2 创新点

12.3 展望

致谢

参考文献

附录A 博士期间发表的学术论文

附录B 博士期间参与的科研项目

附录C 博士期间出版的专著

附录D 博士期间获得的鉴定及奖励

附录E 水利应用组件库已开发组件