水信息学概述

科技信息综述

水信息学概述

李树平

提要　水信息学是一门崭新的学科,它是信息技术与传统水环境科技相结合的产物,其研究和应用领域广泛,内容丰富。从计算模型、决策支持系统、人工智能、地理信息系统和软件工程5个方面简要阐述了信息技术对水环境科技所带来的巨大作用。

关键词　水信息学　信息　科学技术　水环境

0　引言

地球上的水在太阳能的作用下,不断蒸发而形成水汽,上升到高空,随大气运动而散布到各处。这种水汽如遇适当条件与环境,则凝结而成降水,下落到地面。到达地面的雨水,除部分为植物截留并蒸发外,一部分沿地面流动成为地面径流,一部分渗入地下沿含水层流动成为地下径流,最后,它们之中的大部分都流归大海。然后又重新蒸发,继续凝结形成降水,运转流动,往复不停。这种过程,称为自然界的水分循环。良好的水分循环为地球上的生物提供了赖以生存的水环境。但是以往,在认为“水是用之不尽、取之不竭”的观念下,人类对水过分索取和无休止的开发利用,加上其它环境问题,使得水环境出现了不利于生物生存的恶劣情况。例如降水中的酸雨、湖泊的富营养化、河流的水质恶化、近海的赤潮现象等。幸运的是,现在已从这些惨痛的教训中意识到了保护和改善环境,尤其是水环境的重要性。为了保障社会、经济和环境的可持续发展,对水环境已从局部治理发展为区域治理、从单项治理发展为综合整治,即对区域规划、资源利用、能源改造和有害物质净化处理等多种因素进行综合考虑,以便求得整体上的最优整治方案。在区域水环境治理过程中,需要运用系统工程的理论和方法及电子计算机技术,从整个河流、湖泊、海洋和给水排水系统的范围出发,将区域规划、水资源的有效利用和污水治理等诸因素进行综合的系统分析,建立各种模拟试验的数学模式,寻求水污染控制的设计和管理的最优化方案。

在水的研究和利用中,存在着许多彼此独立而又相互联系的科学和工程学科,例如水力学、冰川学、水文学、湖沼学、海洋学、水利工程学、给水排水工程学等。几乎在所有这些与水相关的科学和工程技术中,还存在着许多经验方程式,有些是理论性的,有些是由试验数据拟合的。水环境科技人员可以通过选择合适试验方法和最优量测过程,对原始量测数据进行再加工,从而最大限度地提取物理、化学、生物、地理、气象、水文、地质等方面的相关信息,用于水科学的研究和水工程的运行、调度、优化和预测。随着计算机科学、应用数学和统计学方法在水环境管理中应用的日益广泛和深入,一门崭新的水环境分支学科———水信息学(Hydroinformatics)诞生了[1]。

水信息学出现于20世纪80年代初期,直到1989年,才出现Hydroinformatics的名称。1991年M.B.Abbott教授的专著《Hyroinformatics:Informa2 tion Technology and the Aquatic Environment》的出版标志了水信息学的正式诞生。到目前为止,水信息学已在亚洲、欧洲和北美的11所大学讲授。水信息学具有自己的专门期刊《Journal of Hydroinfor2 matics》(1999年创刊,由IWA和IAHR联合出版),以及两年一次的国际学术会议“International Con2 ference on Hydroinformatics”。目前已召开了4次有关水信息学的国际学术会议,它们分别是:1994年9月19日～23日在荷兰代夫特、1996年9月9日～13日在瑞士苏黎世、1998年8月24日～26日在丹麦哥本哈根,以及2000年7月23日～27日在美国衣阿华[2,3]。

一般意义上,水信息学是研究与水环境相关数据的收集、处理、存储、传布、分析和图形显示等的学科,它通过综合数学、计算机科学和传统水环境科学

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和工程学的方法,来揭示大量复杂的水环境科技奥秘,解决水环境科技难题[2]。水信息学的研究和应用领域极为广泛,内容非常丰富,包括数据的获取和分析(例如SCADA、遥感、遥测、数据模型、数据管理和数据库技术)、先进的数值分析方法和技术(例如一维、二维和三维计算机水力、水质和水生生态模型,参数估计和过程识别)、控制技术和决策支持(例如基于模型控制、不确定性处理、决策支持系统、分布影响评价和决策、Internet和Intranet)、标准软件的开发(例如海岸和河口污染扩散的过程分析、水资源的流域管理、城市给水排水系统、计算机辅助教学软件),以及最近出现的新技术的应用(例如进化算法、神经网络、模糊逻辑、分布和扩散模型、面向对象和代理)等[3～6]。

1　计算模型

由于数值模拟具有准、快、经济,能再现大规模水力、水质现象等优点,已被广泛用于河流、湖泊、海湾(港口)等较大水域上。20世纪60年代后,由于环境问题日益受到重视,以数值计算为基础的环境水力学得到了蓬勃发展,已将处理范围从一维发展到二维计算,从守恒类物质发展到非守恒类物质的计算;模型模拟的数值分析方法从有限差分到有限元,从解决欧拉方程到拉格朗日方程[7]。

水环境中具有许多产汇流、洪水运动、泥沙输运和污染物转移等动态的过程(包括物理过程、化学过程、物理化学过程、生物过程、生物化学过程等),如果以动态分析方法来描述,这会更加接近客观实际情况,使得研究趋于定量化和精密化。例如,在给水或污水系统中,由于原水的水质、水量一般都在不断变化,再加上其它一些可变因素,致使处理系统的运行过程始终处于非稳定状态。对此如果按照传统带有若干假定条件的静态分析方法进行研究,则无法真实地描述系统的运行状态,继而无法进行令人满意的系统预测、调节和控制等。而只有客观的动态分析,建立以联立微分方程组为基础的动态数学模型来说明各个状态变量之间的关系,才能做到客观准确的描述[8]。

数学模型和计算机求解是解决庞大复杂系统/过程的定量分析问题所不可缺少的手段。这不仅能节省大量人力物力,而且由于这类问题的影响因素繁多,很难甚至无法用试验方法来模拟。例如,与给水有关的水源及与排水有关的受纳水体的水质模型、城市给水排水系统的规划模型等,由于它们的开放性、庞大性、复杂性和随机性,用缩小比例尺的实物模型的模拟试验方法显然是不现实的,并且也难以达到相当的真实性[9]。

为使这种非实物的数学模型能够尽可能真实而准确地描述真实体,必须用计算机进行模拟和求解,最后配合必要的现场和实物的测试分析加以验证,建立起能够代替真实系统的模型。

2　决策支持系统

决策就是面对实际的问题(其中常常包含某种形式的不确定性因素),为了实现一定的目标,运用科学分析的方法(主要是信息分析方法)来解决问题,确定相应行动对策的一个过程。决策的结果总是与决策者的利益密切相关,决策的准则就是要使决策者获得尽可能大的利益,或者遭受尽可能小的损失。因此决策者通过制定决策,来实施系统的控制和优化[10]。

决策支持系统(Decision Support System,DSS)是一个交互式的计算机基本的系统,是在大量实测数据信息基础上,利用数据库、模型库和方法库以及很好的人机交互部件和图形部件,帮助各级决策者实现科学决策的系统[11]

。

图1　决策支持系统的一般结构

由图1可以看出,决策支持系统的信息来自于实测数据源。决策支持系统包含有一些库,如数据库、模型方法库。有时模型方法库分开为模型库和方法库。决策支持系统具有信息处理器。决策支持

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系统由输出接口产生一些报告、模拟结果以及查询结果,用以支持决策的4个阶段,即情报阶段、设计阶段、选择阶段和评价阶段。

随着水环境工程和技术的复杂化、大型化与精密化,以及水资源规划、水污染控制规划等科学化和综合化,使得一个决策、方案、设计和管理水平的优劣,对经济效益产生重大影响。通过应用最优化设计的决策支持系统能够保证水环境工程质量并尽可能降低基建费用,通过最优条件控制的决策支持系统能够保证水利、给水与排水系统的安全可靠性并尽量减少运行费用。目前这方面的研究和实践越来越多。

3　人工智能

通过机器实现对人类行为的模仿,已经有很长的历史了。随着电子计算机的出现,对人类智能,尤其是认知过程的模仿和了解,进行了很多尝试。若从1956年正式提出人工智能学科算起,已有40多年的历史。人工智能或机器智能就是人所赋予机器的一种智能,即机器在一定的环境下针对一定的问题,为了一定的目的而成功地获得、处理和利用信息来解决问题的能力。在人工智能中的研究领域包括语言处理、自动定理证明、智能数据检索系统、视觉系统、问题求解、人工智能方法和程序,以及自动程序设计等[12]。

其中专家系统是人工智能应用研究的最活跃和最广泛的领域之一。一般地说,专家系统是一个智能计算机系统,其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验,能够利用专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。也就是说,专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统,它应用人工智能技术,根据某个领域一个或多个人类专家提供的知识和经验进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,以解决那些必须依靠专家决定的复杂问题。

发展专家系统的关键是表达和使用专家知识,即来自人类专家并已被证明对解决有关领域内的典型问题是有用的事实和过程。专家系统和计算机程序最本质的不同之处在于专家系统所要解决的问题一般没有算法解,并且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础上做出结论。专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、修理、指导和控制等。

专家系统的主要组成部分通常包括用于存储某领域专家系统的专门知识的知识库;用于存储领域或问题的初始数据和存储推理过程中得到的中间数据的综合数据库;用于记忆所采用的规则和控制策略程序,使整个专家系统能够以逻辑方式协调工作的推理机;能够向用户解释专家系统行为的解释器;以及使系统与用户进行对话的接口等。

在过去20年中,英国Surrey大学为了使水环境的管理得到加强,紧密与欧盟国家中的水环境科技人员合作,开发了许多知识库专家系统。20世纪80年代,Surrey大学把K B ES(Knowledge2Based Ex2 pert System,知识库专家系统)技术应用到英国的水工业中。第一个K B ES是作为Wallingford雨水管道软件包(Wallingford Storm Sewer Package, WASSP)的参考(advisor),称作WASSP智能前端(WASSP Intelligent Front End,WIFE)。该系统包含在排水管道修复规划专家系统(Sewerage Reha2 bilitation Planning Expert System,SERPES)中,有效地协助了城市排水管网的WASSP模拟模型的开发。SERPES通过模拟模型的建立、运行和求解来对城市排水管网进行技术经济性分析。同时在开发的另一个专家系统是给水管网控制专家系统(Water Distribution Network Control Expert System, WADN ES),其目的是通过应用K B ES技术来有效控制输配水管网的紧急反常情况(例如水泵系统出现故障等)。其后又开发了水工业专家系统环境(Water Industry Expert Systems Environment, WIESSE),并由此进一步发展成两个专家系统:一个用于预测蓄水池的藻类生长情况,另一个用于观察和维护近海结构。

4　地理信息系统

地理信息系统(G eographic Information System, GIS)是容计算机图形和数据库于一体,储存和处理空间信息的高新技术,它把地理位置和相关属性有机结合起来,能够根据实际需要准确真实、图文并茂地输出信息给用户,用以满足城市、企业管理、居民生活对空间信息的要求,并借助其独特的空间分析功能和可视化表达,进行各种辅助决策。GIS的这

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些特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先进手段。它作为现代社会必不可少的基础设施,已渗透到生产生活的每一细节[13]。

水环境管理所需的各种数据是建立在空间数据基础上的。例如,要解决居民区的供水问题,首先要知道附近的所有供水网络的分布、供水管线的粗细,以及现有管线荷载程度,是否需要敷设新的管线以及如何敷设,并解决工程中与其它管线之间的矛盾等,这些都需要有确切的空间定位图形的显示和空间定位数据的查询。

使用GIS,通过图形支持、工序处理和流量模型,用户可以有效地对雨水和污水的排放设施进行维护和分析。使用属性数据库,可以定期更新工作部署,做好数据库维护工作。通过空间数据和属性数据之间的连接,可追踪有害物质的排放和追溯上游的污染源,并及时通知将会受到污染的单位。

GIS软件可以绘制水系分布图,并且把图上各个要素和数据库连接起来,包括水库、渠道、设备等。GIS的智能型数据库使得工作规划、设备管理和流向分析自动化。还可以把现有网络模型连入GIS,同时有属性数据相连接,并绘制出结果图。在水利方面GIS的应用包括:网络压力和流向分析;渗透监测和水流失分析;工作部署和工序处理;产生和维护底图等。

5　软件工程

对于水环境科技人员,不管是工作站还是单机系统,计算机是一种能迅速处理大量数据的数值操作工具。数值操作的结果仍然是大量的数据,可是从这些数据中提取分析出有用的信息是很困难的。例如,原始数据和计算结果的简单列表是不会体现出多少直观内容的。但是,如果配合上高效的二维或三维图形界面,并具有适当的声音、动画技术,加上简要的结论,将会大大方便科技人员的工作。

另外,计算机用户并不需要知道计算机软件处理数据信息的具体算法,这部分内容常以“暗箱”方式处理,这样用户对软件中数据的输入具有操作上的风险,如果输入非法数据可能会带来灾难性后果。因此,在软件开发和使用过程中,必须注意怎样控制数据的可靠性和正确性。

以上情况应是在软件工程中考虑的内容。软件工程是指应用计算机科学、数学及管理科学等原理,以工程化的原则和方法来解决软件问题的工程。其目的是提高软件生产率、提高软件质量、降低软件成本、满足用户需求[14]。

软件工程和远程通信的发展有助于解决许多水环境管理问题,包括从水环境系统的设计到实时控制。软件工程的重要性成为许多商业软件发展的基础。例如HR Wallingford,Danish Hydraulic Institute (DHI)和Delft Hydraulics,它们都是具有能够承担国际大型工程的著名的水力实验室,都有自己的软件产品加工厂,包括对软件产品的版本控制、调试协议、α和β测试程序、分发协议、热线支持、用户组等,并根据时间和资金状况对软件系统的开发进度进行控制[15]。

为解决水力、水文和水资源管理方面的问题,用户通过对软件提出功能需求,开发人员通过软件功能分析,共同促进了水环境软件产品的发展。目前国际上流行的水环境软件产品有HP Wallingford的Hydro Works,DHI的MOUSE和M I KE11,Heastad Method Inc.的WaterCAD,SewerCAD,StormCAD 等,它们成功地达到了商业办公系统的标准,在全世界水环境软件市场占有相当大的比例。这些产品的明显特征是使用了高级图形用户界面,其数据输入设备包括视窗、图标、菜单、数字化仪等,同时图形具有随意移动和进行各种比例变化的功能。

在引进国外成熟软件系统的同时,也应该大力开发适合我国国情的水环境专业软件系统。在水环境专业领域,由于国内外设计规范、设计标准、设计方法、管理思想以及用户的要求、价格、人员的培训、软件维护等方面的不同,使得国外的软件系统在国内难以推广和应用[16]。目前我国许多高校、科研院所已经对这种情况十分重视。

在开发软件时还需要制定一整套测试软件系统的程序。例如在排水管道系统优化设计方面,出现了线性规划、非线性规划、动态规划、逆差动态规划、遗传算法等计算方法[17]。从已有文献来看,由于设计规范、设计标准等的时效性,导致这些方法在采用算例以及套用约束条件时不尽相同,使这些计算方法的比较不太充分。因此对于各种计算方法的实用性、可靠性以及计算复杂性需要制定统一的标准来

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验证,以便提高软件在科研和工程应用中的质量。

6　结束语

水信息学是信息科技与传统水环境科技相结合的产物。以上仅对计算模型、决策支持系统、人工智能、地理信息系统和软件工程进行了简要描述,其它方面例如SCADA、遥感遥测技术对数据的采集和定位,计算机网络对跨时间和跨空间资料的传递,以及与纸张的线性形式存储信息相异的超链接电子文档等也是十分重要的。水信息系统不仅包含了数据收集、存储、处理、分析和图像现实的方法,也使用了高深的模型、优化和基于知识的工具和系统。其目的是帮助更好地认识水环境运动规律,减少水环境研究和管理的费用,提高决策的正确性和有效性,使信息科技在水环境的研究和管理中发挥巨大的作用。它作为一门崭新的学科,还在不断地成长,不断地完善和发展。

当前我国水信息学的发展任重而道远。与国外相比,我国在水信息学方面投入的人力、物力和财力上还具有很大差距。我国目前还很少有人对水信息学进行系统的描述,尽管信息科技已广泛应用于河流、汇水流域的模型、水文风险分析、洪水风险评估、土壤和地下水污染的评估管理补救、水源保护等领域。另外国内成熟的水环境科技领域大型商用软件还不多见,应用中的计算机软硬件技术大多是引进国外的,或者还处于研制阶段。再者,对于水信息学的应用,还需要一大批既懂水环境专业知识,又懂信息科技知识的人才,我国这方面的人才严重短缺。

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○作者通讯处:200002上海市北京东路江西中路421号

上海市苏州河综合整治建设有限公司　电话:(021)63297006Ο2045

　收稿日期:2001Ο8Ο3

启事

《给水排水》2001年合订本已出版,每本定价92元。另有少量的1995年(58元),1999年(92元),2000年(92元)合订本(以上价格均含邮费)。需要的读者请从邮局直接汇款到我部订购。

《给水排水》编辑部

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WATER&WASTEWATER ENGINEERING Vol128No14April2002

integrated wastewater discharge standard G B8978296.In this paper the design and operation of this process are presented.

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Design of the Super Large W ater Scenery in the E ast R ail w ay Station of G u angzhou He Fang(45) Abstract:Various technical problems and design parameters to construct a super large artificial waterfall could be solved and determined best by an established real shape hydraulic model.Unfortunately the real shape model is absent because of limitations.A correlation curve between the water head before the weir and falling height was proposed according to the practical condition of the water scenery project in the East Railway Station of Guangzhou,the values of responsible parameters were given on empirical basis.

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Portable and Fire W ater Supplies in Sm all High2Rise R esidential Q u arter Yang Hui et al(57) Abstract:S ome layout options of portable and fire water systems suitable for small high2rise residential quarters are presented.By comparisons it is believed that the system with shared pump assembles of portable and fire water systems is more reasonable.

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R eform of Pumping H ouse in Dachong W aterw orks for E nergy S aving Quan Jiping et al(65) Abstract:There are two pumping houses,new and old in Dachong Waterworks.They are the biggest electricity consumers in the waterworks.Pumping assemblies in both pumping houses have been modified to increase the efficien2 cies.The technical measures such as adoption of new machine and pump impeller cutting and their effect on energy sav2 ing are reviewed.All these show that the potentials of energy saving are laid on the pumping facilities optimization in water enterprises.

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Comparison betw een PV C-U Drain with Spiral Muffle and C ast I ron Drain with Flexible Joint Fan Haiyan(68) Abstract:In this paper the characteristics and features of s piral2muffle pipe and clamp2cast iron pipe for building wastewater drainage are described and compared.It is recommended that the cast iron pipe with flexible joint will be preferred for high2rise buildings,residential houses and hotels.However for the restrooms of offices,schools and com2 mercial buildings the PVC-U pipe might be convenient.

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On the Counterclaim in Construction E ngineering Xiao Jinqiao(71) Abstract:Counterclaims in construction engineering are ordinary under the condition of so2called market economy.

As an official owner some demands relating to qualification,property and money could be put forward by them according to the private rights of themselves.This is a frontier science including social and natural sciences,deals with the reason2 able risk re2assignment between the owner and the contractor.In this paper the classification,application programs and necessary attestations for counterclaims are described in detail.

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Study on Autom atic Pressure Control in Sludge Digester Gao Y uan et al(75) Abstract:Methane leakage is observed eventually on sludge digester of concrete structure,because the aperture of the porous formed in the cement condensation is bigger than the diameter of the methane molecule.This means that the airtight of the raw concrete material is poor.In case when the existing tank is difficult to repair,holding low level of methane pressure inside the digester by automatic controller will be the best way to avoid the risk of gas leakage of the tank body.This measures has been applied with good results.

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Program Design of Autom atic Checking System for W ater Q u ality Examination Data Yang Chonghao et al(78) Abstract:This is an important prelude for the technological design of water purification process and a main measure for the quality control of a water examination laboratory.For these in the programming design we adopted the interac2 tive visual system to command the automatic checking of the full water quality examination data.

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On Problems in Design of Autom atic Sprinkling System Xie Sitao et al(85) Abstract:S ome problems in systematic design of automatic sprinkling system such as the economic flow velocity, fire water tank and pressure boost,layout of nozzles and hydraulic calculation are discussed and personal opinions are pro2 posed around the responsible stipulations in the National Design Norm of Automatic Sprinkling System(G B50084-

2001).

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I ntroduction on H ydroinform atics L i S huping(90)

Abstract:Hydroinformaics is a new field with abundant contents and wide range in scientific research and applica2 tion.It is a combination of modern informatics and traditional science and technology of aquatic environment.The tremendous advances of informatics on the science of aquatic environment are explained by five aspects as mathematic model,decision supporting system,artificial intelligence,GIS and software engineering.