北京“智慧水务”框架下的数据资源体系研究
发布时间：2022-05-05
摘 要：分析北京市水务局“数字水务”的建设现状和“智慧水务”的发展目标，提出水务数据资源建设方法，即在现有综合数据库和水务普查数据的基础上，构建一套整合、开放、高效的水务数据资源体系。通过研究发现，在水务数据资源体系的建设过程中，引入面向对象的数据组织方法，将数据对象的属性值与数据对象间关系统一于数据对象的抽象概念内，可以使水务基础、空间、业务数据及各种数据间的多维度复杂关系整合为直观有序的有机整体，以便于数据的管理、共享与业务支持。
关键词：智慧北京;智慧水务;框架;水务数据;数据资源;体系
0 引言
从“十五”到“十二五”，北京市水务信息化工作按照“统一规划、分步实施;平台公用、资源共享;应用先导、务求实效”的原则，建设完成 1 个基础设施平台、1 个中心综合数据库、6 个业务应用体系、3 个保障环境，在“信息水务、数字水务和智慧水务”的 3 个阶段发展规划中，目前已经基本完成“信息水务”阶段的发展任务，形成了“数字水务”的基本成果，已经初步具备向“智慧水务”发展的条件。
随着信息技术的发展，水务信息资源体系建设的逐步展开，北京水务数据资源建设从最初的零散、独立模式发展到现今标准化的集中与分散相结合的模式，发布了数据库建设标准和要求，建设了中心综合数据库，水务数据资源管理得到有效推进，为水务信息资源的开发利用奠定了良好基础，支撑了北京水务的可持续发展，水务信息化建设进入“整合共享、深化应用”的发展阶段。为此，有必要明确北京市水务数据资源建设的关键点，选择合适的技术方案，构建整合、高效的水务数据资源体系。
1 北京智慧水务对数据资源体系的需求
随着水务改革发展的不断深化，各项水务业务对信息化提出了新的需求，作为“智慧北京”建设的重要组成部分，北京市水务局提出了“智慧水务”的发展目标：运用智慧方法，借助新一代信息技术，改进水务部门与其它各级政府部门、企业和公众交互的方式，提高服务的效率、灵活性和响应速度，在电子政务、水务业务管理、信息监测、水安全等各个领域提供智能化的服务与支撑。
对照北京智慧水务的发展目标，北京水务数据资源建设还存在以下一些迫切的问题需要解决：
1)需要进一步统筹集约和充分利用现有资源。现有数据资源和基础空间信息资源分别管理，集约化程度不高，相互之间关系不明晰，综合利用效益不高，需要进一步加强数据资源的集成。
2)需要进一步提升辅助决策和公共服务能力。在政务公开、水务便民服务、政民互动、科学用水指导、汛情发布、提高用水效益保障等各项业务中，需要数据资源的进一步整合、共享，提升对领导决策的辅助支持能力，强化公共服务能力。
3)需要进一步加强对业务协同和资源共享的支持能力。在防汛、水资源、水环境管理的工作中，更有效地支撑水务局与气象、交通、市政、环保等部门的业务协同和资源共享。
2 北京水务数据资源体系设计
针对北京智慧水务数据资源建设的需求，北京市水务局在现有综合数据库和水务普查数据的基础上，拟构建一套整合、开放、高效的水务数据资源体系。
2.1 水务数据资源的逻辑划分
按数据类型划分，水务数据资源可分为属性和空间 2 种数据。根据数据存储结构的不同，属性数据又分为结构和多媒体 2 类数据。结构数据是整个智慧水务数据资源的主体，按照更新频率的不同又可分为监测、基础和业务等数据，具体如图 1 所示。
2.2 水务数据库的总体框架
根据数据资源逻辑划分成果，在保护现有建设成果(综合库)的基础上，突出水务数据资源体系业务支撑关系，构建层次合理、结构稳定、有效应对上层需求变化的数据库总体框架，构建的数据库框架如图 2 所示。
在总体框架下，根据水务业务形成不同的主题数据库，各主题数据库必须建立互通互联的逻辑关系，才能发挥支撑决策分析的功能，建立的主题数据组织图如图 3 所示。
新构建的数据库系统既要充分继承和利用过去十余年水务信息化建设的已有成果，又要有机地集成水务普查产生的新成果，即能补充和完善信息资源，可扩展和丰富共享服务，充分运用动态水务数据资源，向水务局局机关、局属单位、区县水务局及外部单位提供一套简明，便捷，多样的数据服务模式，以多种方式让用户获得数据，形成水务数据资源的长效应用服务。
2.3 水务数据资源体系的构建方法
设计科学的水务数据资源架构，既保证数据管理的有序、安全，又保证资源利用过程的便捷、高效，将基础信息、空间数据、实时业务数据有效地整合，使水务数据与水务业务关系信息、水务数据与空间关系信息有机结合，成为体系建设过程中的关键。
面向对象方法将具体事物视为不同的客观实体，将事物的属性和对事物的处理方法统一研究，是人们认识和表示客观事物的习惯性的方法，符合人们实际进行的认识机理和实践过程。采用此种方法，可以通过可构造的手段将客观对象分层次地表示出来，用有限的构造手段与有限步骤建立起一个客观模型 [1]。
在水务数据资源体系的建设过程中，引入面向对象的数据组织方法，将数据对象的属性值与数据对象间关系统一于数据对象的抽象概念内，使水务基础、空间、业务等数据及各种数据间的多维度复杂关系整合为直观有序的有机整体，以便于数据的管理、共享与业务支持。
在面向对象的方法中，类是对具有共同属性和方法的对象的抽象和概括的描述模型，类给出了属于该类全部对象属性与行为的抽象定义 [1]，现实中的各种实体对象是类定义的一个实例。
基于“类”的定义，对象可以实现封装性、隐蔽性和稳定性，较好地满足水务数据资源架构所应满足的有序、安全、便捷、高效的需求。
2.4 水务数据资源体系的建设方法
为了有序地组织多维度的、包含复杂业务和空间关系的水务数据，在建设水务数据资源体系的过程中，基于面向对象的思想进行水务数据的组织管理，使系统可以更好地对各种复杂业务和空间关系的查询、统计操作提供支持。水务资源架构的基础是对各种水务对象统计、分类、抽象后形成的水务对象类描述。对象类的组成包含对象的属性、关系及处理对象的方法。由系统复杂度和工作量限制，在资源体系建设的第 1 阶段，水务对象类的组成只包括对象的属性及关系。由于面向对象方法的可构造性，处理对象方法的集成工作可以在后续工作中分布实施。
对象的属性类似关系型数据模型的表与字段，可以和现有成熟的关系型数据库管理系统及信息化建设积累下来的海量历史数据实现良好的兼容。在水务对象分类的基础上，具体的水务数据以水务对象类的实例形式，采用数据表的形式在关系数据库中存储，对象类与对象之间，利用对象类映射表，实现面向对象方法的数据管理与组织。
水务管理和各种应用过程中涉及到的各种数据间存在着相关性，这种相关性产生的水务数据关联关系在数据资源体系建设中尤为重要。传统的基于关系型数据库的数据管理系统，侧重对象的具体属性值的存储管理，在关系处理上，简单依赖于数据库系统的检索功能，导致在各种管理、统计应用中，数据系统的支持效率低下。为了加强对业务的支撑，提高复杂的多维数据之间的组织，对不同对象类之间的关系进行抽象，形成对象关系类，对象关系类以继承的形式包含在不同的对象类中，可以理解为一种特殊的关系属性数据。
相关知识推荐：论文参考文献怎么找
在数据资源系统的具体实现过程中，根据实际需要，应将工作重点放在数据之间的业务和空间关系上。业务关系是指对象类之间在不同的业务应用中发生的各种关系，如管理、工程、取水、供水、流入、流出等;空间关系是指水务对象实体之间存在的一些具有空间特性的关系，包括距离、方向、拓扑等关系，空间关系是空间数据组织查询分析推理的基础 [2]。目前，空间关系的定义方法没有统一标准，常采用的空间关系包括相交、相接、重叠、包含、穿越等，不同的系统常根据系统应用的需求自行设定。
2.4.1 水务对象分类
在数据资源系统的具体实现过程中，参照水利部信息中心标准，对水务管理对象进行抽象、分类。具体按门类、大类、中类、小类 4 个级别，将水务对象分为 54 个具体对象类 [3]，部分分类如表 1 所示。
2.4.2 数据之间的业务关系
在数据资源系统实现过程中，根据具体的业务实际，归纳出具体的对象之间的关系类别，确定了 37 种对象间关系，部分关系类别如图 4 所示。今后，还要根据业务需求不断整理丰富。
对应到具体的对象类，确定具体对象之间的关系，应根据业务需求不断整理丰富，部分对象间的关系如表 2 所示。
2.4.3 数据之间的空间关系
考虑到业务应用的需求、系统建模的复杂性等因素，首先将水务对象归纳为点、线、面 3 种空间要素类型，然后将不同类型的对象间关系区分为包含、衔接、跨越、压盖、不相交等 5 种关系。如流域与水文站、渠道与灌区间、大流域与子流域等，前者在空间属性上包含后者，形成了包含关系;堤防工程在空间属性上是线状要素，这类水务对象的空间属性是其表达的水务对象的一端与另一线类型对象的一端相互衔接，形成了衔接关系;河流与渠道、渠道与渠道之间发生的一个对象从另一个对象的上方或下方穿越，形成了穿越关系;空间属性中点类型对象落在线对象上，点对象落在面对象的边线上，线对象和面对象的边线重合等情况，在水务对象中主要表现为水电站河湖取水口或排污口等落在水系岸线等情况，形成压盖关系;对象的空间属性中相互之间没有相交约束，如堤防工程与水系岸线间不存在相交约束，这类对象之间就形成不相交关系。
对应到具体的对象类，部分对象空间关系如表 3 所示。
3 结语
针对北京市水务数据资源建设过程中的关键问题，引入面向对象的数据组织方法，使复杂的水务数据及其多维度关系整合为直观、有序的有机整体。以一个水务对象为主体，从多维度对其进行描述，形成多个相互关联的信息。在数据使用时，每一个数据不再是独立的个体，找到一个对象就可找出与其相关的全部要素;同样找到一个要素，就可以找到其描述的对象及其他相关信息。面向对象的数据组织方法在水务数据分析、统计、规划、计算中，相对与传统的基于关系的数据组织方法，更加全面、快速、有效，便于数据的管理、共享与业务支持。
这些工作已经在北京市“智慧水务”数据资源体系建设过程中进行了实践验证。目前，水务数据资源体系建设已完成了总体设计，并初步完成了面向对象的数据组织方法在关系型数据库环境的功能实现，证明了此方法的可行性与有效性，能够有效支撑“智慧水务”的应用体系建设。——论文作者：刘 梅 1 ，闫健卓 2 ，于涌川 2
