基于大數(shù)據(jù)的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計

郭亮

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)耗時長、預(yù)測結(jié)果準確率低的問題，引用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計一種新的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)。由總控層、分系統(tǒng)功能層、子系統(tǒng)功能層和系統(tǒng)支撐功能層四部分組成系統(tǒng)硬件，同時，引入實時監(jiān)測模塊、信息管理模塊、決策支持模塊以及遠程控制模塊。利用顯示按鈕和退出按鈕設(shè)計軟件顯示界面，通過系統(tǒng)初始化，樣本數(shù)據(jù)讀取，樣本內(nèi)部零矩陣定義，計算各個指標比重以及水資源可持續(xù)承載力輸出等步驟組成軟件流程。為檢測系統(tǒng)效果，與傳統(tǒng)預(yù)測系統(tǒng)進行實驗對比，結(jié)果表明，基于大數(shù)據(jù)設(shè)計的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)可在短時間內(nèi)精準地完成預(yù)測工作。

關(guān)鍵詞： 可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng); 區(qū)域水資源治理; 系統(tǒng)軟件設(shè)計; 系統(tǒng)硬件設(shè)計; 系統(tǒng)模塊設(shè)計; 預(yù)測效果對比

中圖分類號： TN98?34; TV213.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0117?05

Design of regional water resource sustainable carrying capacity

prediction system based on big data

GUO Liang

（Institutes of Water Resources， Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute， Harbin 150000， China）

Abstract： Since the traditional regional water resource sustainable carrying capacity prediction system is time?consuming and the prediction accuracy is low， a new regional water resource sustainable carrying capacity prediction system is designed based on the big data technology. The system hardware consists of four parts， named the general control layer， the sub?system function layer， the subsystem function layer and the system support function layer. In addition， the real?time monitoring module， the information management module， the decision support module and the remote control module are adopted. The design of software display interface is realized by the display button and the exit button. The system software process includes system initialization， sample data reading， definition of sample internal zero matrix， proportion calculation of each index and output of water resource sustainable carrying capacity. The proposed system is compared with the traditional prediction system to detect the system effect. The results show that the designed regional water resource sustainable carrying capacity prediction system based on the big data can accurately achieve prediction in a short time.

Keywords： sustainable carrying capacity prediction system; regional water resource management; system software design; system hardware design; system module design; prediction effect contrast

0? 引? 言

水是生命之源，作為基礎(chǔ)自然資源，水資源是重要的生態(tài)環(huán)境控制因素，代表著一個國家的綜合國力[1]。水資源在促進國家經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，國民經(jīng)濟的增長與水資源開發(fā)成效息息相關(guān)。雖然水資源是可再生資源，但是由于人類的過度使用，以及保護措施不當，使水資源變成了有限資源和短缺資源。

研究水資源承載力，分析水資源的開發(fā)和利用效果，對于確保水資源的可持續(xù)利用、合理配置以及保護自然環(huán)境有重要意義[2]。

水資源的承載能力也被稱為水資源界限能力，能夠明確表達出人類社會的經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)，反映出在不同時期的變化趨勢，人類做出的貢獻以及受到的限制，找到瓶頸資源的承載能力可以更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3]。

由于經(jīng)濟全球化和資源短缺問題越來越嚴重，人們對于水資源承載能力的分析不斷深化，防洪、供水、排水、發(fā)電、灌溉等水利實業(yè)也發(fā)展迅速[4]。創(chuàng)造有效的水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)可以更好地平衡水資源、社會和經(jīng)濟之間的關(guān)系，促進水資源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足實際需求[5]。

目前我國缺少專業(yè)的水資源可持續(xù)承載能力預(yù)測系統(tǒng)，很少會有針對性的研究，多是在分析可持續(xù)理論上進行泛泛討論[6]。即使設(shè)立了水資源可持續(xù)承載能力預(yù)測系統(tǒng)也很難應(yīng)用在生態(tài)學理論中[7]。

本文針對區(qū)域水資源進行研究，利用大數(shù)據(jù)設(shè)計了一種新的水資源可持續(xù)承載能力預(yù)測系統(tǒng)，在預(yù)測系統(tǒng)中設(shè)立了明確的閾值，利用當?shù)厝丝?、資源和環(huán)境特點預(yù)測出水資源承載力。該系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理論相符，對于加強水資源的優(yōu)化配置有積極的幫助，同時有利于環(huán)境保護和治理。

1? 區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，能夠根據(jù)實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，利用計算機快速準確地預(yù)測出水資源的承載能力。

系統(tǒng)利用了數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)手段，能夠很好地輔助決策者使用正確的水資源管理政策，防止錯誤的調(diào)度方案，促進水資源保護。

系統(tǒng)選用的核心技術(shù)為大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)[8]。

1.1? 區(qū)域水資源承載力預(yù)測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的區(qū)域水資源承載力預(yù)測系統(tǒng)共有4個層次：利用人機交互界面設(shè)計控制層，能夠控制系統(tǒng)的整體功能;根據(jù)應(yīng)用種類不同設(shè)計系統(tǒng)功能層;設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用模型，在應(yīng)用模型內(nèi)部設(shè)立子系統(tǒng)功能層;為了給系統(tǒng)提供更好的支撐環(huán)境，設(shè)計支撐功能層。

基于大數(shù)據(jù)設(shè)計的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1中共有4個層次，每一個層次的組成部分不同，負責的工作也不同[9]。

1） 總控層。利用人機界面為人機建立聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器內(nèi)部選擇的界面為直觀清晰的可視化界面，通過不同的空間圖形進行操作，使用者操控起來更加靈活方便。

2） 分系統(tǒng)功能層。主要是根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用種類劃分，方便系統(tǒng)更好地開發(fā)和設(shè)計。在分系統(tǒng)功能層中，系統(tǒng)可以進行調(diào)試、維護以及管理工作，所有實時監(jiān)測到的信息都在該層進行調(diào)控。

3） 子系統(tǒng)功能層。在分系統(tǒng)功能層的基礎(chǔ)上設(shè)計各個子系統(tǒng)模塊，實時監(jiān)測模塊對應(yīng)信息采集模塊和信息傳輸模塊;信息管理模塊對應(yīng)信息接收模塊、信息處理模塊、實時預(yù)測模塊;決策支持模塊對應(yīng)水資源實時評估模塊、水資源實時管理模塊、水資源實時預(yù)報模塊;遠程控制模塊對應(yīng)遠程控制模塊和監(jiān)控指令反饋模塊。

4） 系統(tǒng)支撐功能層。為支持多種運行環(huán)境，系統(tǒng)支撐功能層中同時加入了數(shù)據(jù)庫、模型庫、圖像庫、知識庫、文本庫、影像庫、方法庫。

1.2? 實時監(jiān)測模塊設(shè)計

為了提高本文設(shè)計的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測準確性，在系統(tǒng)內(nèi)部加入了實時監(jiān)測模塊，該模塊能夠?qū)崟r監(jiān)測區(qū)域水資源的所有主要信息，包括每日平均降水量、每日平均水資源蒸發(fā)量、地表水資源水質(zhì)信息以及地下水資源水質(zhì)信息，同時，記錄歷年的災(zāi)情、旱情、墑情以及天氣狀況[10]。

除了水質(zhì)信息外，監(jiān)測模塊還要對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展進行監(jiān)控，結(jié)合多項資源預(yù)測水資源承載力。

水資源監(jiān)測模塊中包括監(jiān)測站、中繼站和中心站，中心站與國家防汛指揮系統(tǒng)連接，方便將得到的信息實時向上反饋。

設(shè)計的實時監(jiān)測模塊如圖2所示。

1.3? 信息管理模塊設(shè)計

預(yù)測系統(tǒng)內(nèi)部會采集大量信息，因此，設(shè)立信息管理模塊負責接收、處理、查詢以及發(fā)布工作。信息管理模塊具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

觀察圖3可知，信息接收和信息查詢屬于并列關(guān)系，管理模塊擁有多個接收點，所有的信息都會在數(shù)據(jù)庫中被規(guī)劃成統(tǒng)一的格式，并以該格式存儲。

由于信息種類不同，所以存儲在數(shù)據(jù)庫不同文件夾中，幫助預(yù)測系統(tǒng)的決策模塊進行深入分析。信息管理模塊提供強大的查詢服務(wù)，能夠滿足用戶實時查詢各類信息。信息管理模塊內(nèi)部擁有報警平臺，當遇到水災(zāi)、旱災(zāi)和污染時，信息管理模塊會發(fā)出警報聲[11]。管理模塊與各大網(wǎng)站相連，以媒體形式發(fā)布網(wǎng)絡(luò)信息，向社會提供預(yù)測結(jié)果。

1.4? 決策支持模塊設(shè)計

決策支持模塊內(nèi)部擁有多種算法，記錄歷史計算結(jié)果，通過不斷創(chuàng)新尋找出更加有效的預(yù)測途徑，從而為決策者提供科學完備的水資源調(diào)度方案。決策支持模塊對每一個提出的調(diào)度方案都會進行評分，從中選出評分最高的方案作為最佳方案。

由于本文設(shè)計的預(yù)測系統(tǒng)內(nèi)部龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以決策模塊中分為多個層次：地表水信息決策、地下水信息決策、水資源保護方案決策、水資源調(diào)度方案決策[12]。

決策支持模塊如圖4所示。

決策支持模塊收集的信息為必要的基礎(chǔ)信息，所有被收集的信息都以統(tǒng)一格式輸入，綜合分析水資源的數(shù)量、質(zhì)量和開發(fā)效果，從而預(yù)測水資源的可持續(xù)承載力，在預(yù)測出承載力后，由決策階段下發(fā)有效的保護策略和調(diào)度策略[13]。決策支持模塊對于自己下發(fā)的決策命令進行不斷地追蹤，記錄命令實行取得的效果。

1.5? 遠程控制模塊設(shè)計

設(shè)計的水資源可持續(xù)承載力預(yù)測模塊具備遠程操控技術(shù)，可以通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控技術(shù)操控系統(tǒng)的運行。

遠程控制模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

遠程控制模塊可以加強系統(tǒng)的實時管理能力，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)緊密相連，能夠在第一時間下發(fā)有效命令，幫助系統(tǒng)自動完成操作。

2? 區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)設(shè)計的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)軟件顯示界面如圖6所示，該界面詳細地記錄了區(qū)域水資源預(yù)測系統(tǒng)需要的樣本數(shù)據(jù)，得到的可持續(xù)承載力預(yù)測結(jié)果以及預(yù)測結(jié)果評價。

分析圖6可知，主界面設(shè)計的主要宗旨為簡要、清晰、方便工作人員操作。主界面內(nèi)部設(shè)計了三個標簽卡，第一個標簽卡負責記錄樣本數(shù)據(jù)，通過ONADD串口事件句柄提取出顯示按鈕，再采用LOAD函數(shù)將數(shù)據(jù)從TXT文檔中提取出來，以樣本年份區(qū)分，表示出具體的結(jié)果。主界面中還設(shè)置了退出按鈕，在記錄信息之后，可通過退出按鈕退出主界面。

預(yù)測系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

觀察圖7可知，本文設(shè)計的預(yù)測系統(tǒng)工作流程共有6步。首先對系統(tǒng)的各模塊和參數(shù)進行初始化處理，在初始化處理之后采集需要采集的水資源信息參數(shù)，將采集到的水資源信息參數(shù)以樣本的形式傳遞給下一單元，并對該單元進行讀取。讀取出有用的數(shù)據(jù)樣本之后，對樣本大小中的零矩陣進行定義，確定出各個參數(shù)在樣本中所占的比重。對計算結(jié)果進行確認，確保結(jié)果無誤之后，預(yù)測水資源承載力，并將預(yù)測結(jié)果輸出，顯示在顯示界面上。

3? 驗證實驗

3.1? 實驗?zāi)康?/p>

為了檢測本文基于大數(shù)據(jù)研究的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)的實際效果，與傳統(tǒng)預(yù)測系統(tǒng)進行對比，分析實驗結(jié)果。

3.2? 實驗參數(shù)設(shè)置

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.3? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，選用本文研究的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)和傳統(tǒng)預(yù)測系統(tǒng)，對相同區(qū)域的水資源可持續(xù)承載力進行預(yù)測，記錄預(yù)測時間和預(yù)測結(jié)果準確性，根據(jù)得到的結(jié)果對兩種系統(tǒng)的性能進行具體分析。

1） 預(yù)測時間對比

預(yù)測時間對比結(jié)果見表2。

分析表2可知：對區(qū)域地下水的承載能力預(yù)測花費時間要多于對地上水的承載能力，但是本文系統(tǒng)花費的時間始終少于傳統(tǒng)系統(tǒng)花費的時間，而且本文系統(tǒng)可以在相對短的時間內(nèi)計算出區(qū)域水資源的絕對承載力和相對承載力，給出合理有效的調(diào)度方案和決策方案。

2） 預(yù)測準確性對比

觀察圖8可知，在相同的預(yù)測時間內(nèi)，本文預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測的可持續(xù)承載力準確性始終高于傳統(tǒng)預(yù)測系統(tǒng)。預(yù)測準確性具體數(shù)據(jù)見表3。

綜上所述，本文基于大數(shù)據(jù)研究的區(qū)域水資源可持續(xù)承載力預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測時間短、準確性高，更適合環(huán)境保護和水資源調(diào)度工作。

4? 結(jié)? 語

本文在探討水資源承載力的一般概念、內(nèi)涵和理論后，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計了一種新的預(yù)測系統(tǒng)。該預(yù)測系統(tǒng)能夠區(qū)分出可再生資源和不可再生資源之間的特性，分析地區(qū)水資源經(jīng)濟發(fā)展局限性，從而合理地預(yù)測出水資源承載能力。本文設(shè)計的預(yù)測系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)水資源預(yù)測系統(tǒng)的局限性，從多方面考慮，提出一套合理有效的預(yù)測理論，預(yù)測結(jié)果能夠很好地反映出區(qū)域水資源各個要素之間的關(guān)系，為我國的水資源治理工作提供了明確的導(dǎo)向。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)屬于嘗試性設(shè)計，雖然做出了大量創(chuàng)新，也具備一定的實用性，但是系統(tǒng)內(nèi)部加入的參數(shù)數(shù)據(jù)并不全面，很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完整，未來必須進行專門的區(qū)域水資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以完善預(yù)測系統(tǒng)。

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