水文模型的服務(wù)化封裝方法研究與應(yīng)用

余宇峰，胡健偉，嚴(yán) 琳，朱躍龍，萬定生，姚 成，張錦堂

(1.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.水利部信息中心，北京 100053；3.銳捷網(wǎng)絡(luò)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 350002； 4.安徽省水文局，安徽 合肥 230022 )

水文模型作為水文過程的模擬手段，在洪水預(yù)報(bào)、工程設(shè)計(jì)及水文機(jī)理研究中起著十分重要的作用[1]。經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外水文學(xué)家、氣象學(xué)家、生態(tài)學(xué)家分別從不同視角在不同學(xué)科領(lǐng)域構(gòu)建了大量不同復(fù)雜程度的水文模型[2-10]，如黑箱模型、概念模型和分布式水文模型等。隨著人們對(duì)高質(zhì)量的水文數(shù)據(jù)以及優(yōu)秀水文模型的需求日益增加，如何應(yīng)用組合式水文模型[11]的理念，將具有獨(dú)立、異構(gòu)、封閉特征的水文模型資源按一定標(biāo)準(zhǔn)拆分、封裝為服務(wù)，并通過特定的建?？蚣芑蚪涌跇?biāo)準(zhǔn)，靈活地將服務(wù)組合并共享為能應(yīng)用于不同場(chǎng)景的系統(tǒng)，從而提升水文模型的共享能力，為水文工作者提供更方便快捷的應(yīng)用服務(wù)，是水文模型服務(wù)化應(yīng)用的主要研究方向[6，12]。

在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，模型服務(wù)化是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)模型封裝與共享的主流方式[13-15]。模型服務(wù)將水文模型的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)流程統(tǒng)一封裝，用戶只需調(diào)用統(tǒng)一的服務(wù)接口即可實(shí)現(xiàn)模型的調(diào)用，既簡(jiǎn)化了水文模型的使用，又保證了模型共享的安全性。因此，本文研究了一套水文模型的多粒度拆分與服務(wù)化封裝方法，以為水文業(yè)務(wù)提供靈活、高效、可共享的模型服務(wù)。

1 模型的服務(wù)化封裝與組合

1.1 服務(wù)化封裝策略

由于水文模型的跨流域性、多樣性等特點(diǎn)，模型調(diào)用接口(.exe、.dll等)、編程語言 (Fortran、C/C++、Java等)、操作系統(tǒng) (Windows、Linux)等方面存在異構(gòu)[16-18]。為了實(shí)現(xiàn)水文模型不同調(diào)用接口、服務(wù)容器和應(yīng)用平臺(tái)的服務(wù)化共享，將模型服務(wù)流程劃分為服務(wù)定義、服務(wù)應(yīng)用和服務(wù)管理3種角色。服務(wù)定義負(fù)責(zé)模型描述、模型內(nèi)部水文分析算法與模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、模型內(nèi)部數(shù)據(jù)交換格式與流程定義等；服務(wù)應(yīng)用面向服務(wù)消費(fèi)者，負(fù)責(zé)按模型描述和數(shù)據(jù)格式、流程定義對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后調(diào)用模型服務(wù)獲取運(yùn)行結(jié)果；服務(wù)管理根據(jù)模型描述信息，將服務(wù)定義注冊(cè)發(fā)布的模型服務(wù)添加(更新)進(jìn)模型庫，并根據(jù)服務(wù)應(yīng)用的需求進(jìn)行分項(xiàng)管理。水文模型服務(wù)化封裝方法邏輯流程如圖1所示。

圖1 模型服務(wù)化封裝方法流程Fig.1 Flow chart of service-oriented encapsulation method for model

1.2 接口抽象化

服務(wù)化封裝的目的是面向水文應(yīng)用業(yè)務(wù)，屏蔽模型間的異構(gòu)性、復(fù)雜性，使得服務(wù)調(diào)用者專注于業(yè)務(wù)需求，直接面向更直觀、更方便調(diào)用的服務(wù)接口。模型服務(wù)定義方根據(jù)模型服務(wù)化封裝的應(yīng)用需求，可將模型服務(wù)抽象為服務(wù)描述、服務(wù)操作和服務(wù)部署三類接口。

a.服務(wù)描述接口以結(jié)構(gòu)化方式定義服務(wù)相關(guān)的語義信息(如服務(wù)標(biāo)識(shí)、名稱、類型、提供者、服務(wù)簡(jiǎn)介、適用區(qū)域等)并提供資源信息(如使用手冊(cè))，實(shí)現(xiàn)模型定義、分類以及原理等描述信息的規(guī)范性表達(dá)。

b.服務(wù)操作接口采用面向?qū)ο蟮氖录?狀態(tài)響應(yīng)機(jī)制，將模型的操作運(yùn)算過程封裝成事件-狀態(tài)響應(yīng)信息流，通過對(duì)服務(wù)輸入輸出和服務(wù)運(yùn)算操作行為的結(jié)構(gòu)化、流程化定義描述，實(shí)現(xiàn)服務(wù)與內(nèi)部流程間的映射。

c.服務(wù)部署接口以結(jié)構(gòu)化的形式提供模型部署所需的環(huán)境信息、服務(wù)調(diào)用URL及輸入?yún)?shù)列表信息等，實(shí)現(xiàn)服務(wù)部署信息的形式化描述及方便快捷部署。

1.3 服務(wù)顆?；?/h3>

為了滿足可動(dòng)態(tài)組合配置及可共享服務(wù)的應(yīng)用需求，水文模型遵循最小化、模塊化、可獨(dú)立運(yùn)行和軟件工程建設(shè)原則，將模型中的各業(yè)務(wù)流程分解成不同的功能模塊和計(jì)算單元，并按具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)組裝和重配置，形成面向應(yīng)用需求的水文模型。

結(jié)合水文分析業(yè)務(wù)應(yīng)用，提出數(shù)據(jù)-算法-模塊-模型4個(gè)層面的模型服務(wù)化封裝粒度。①數(shù)據(jù)服務(wù)將數(shù)據(jù)讀寫操作封裝成統(tǒng)一的輸入輸出接口，為業(yè)務(wù)操作提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)；②算法服務(wù)將業(yè)務(wù)應(yīng)用中不可再分的最小邏輯單元封裝成統(tǒng)一的運(yùn)算邏輯，如水文過程中的某個(gè)具體計(jì)算公式(曼寧公式)或方程(下滲方程)等；③模塊服務(wù)是按照一定的邏輯調(diào)用一系列算法服務(wù)實(shí)現(xiàn)的某類特定功能的服務(wù)組合，如網(wǎng)格單元產(chǎn)流過程、匯流過程等；④模型服務(wù)則根據(jù)洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需求，組合不同的模塊服務(wù)，形成針對(duì)某個(gè)特定區(qū)域的某類具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，如依據(jù)預(yù)報(bào)流程調(diào)用蒸散發(fā)模塊、融積雪模塊、壤中流模塊、地表徑流模塊和河道徑流模塊，組合得到針對(duì)特定流域的TOPKAPI預(yù)報(bào)模型服務(wù)[3]。

水文模型服務(wù)框架如圖2所示，圖中的正方形、三角形和圓形分別代表模型、模塊和算法層面的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。模型分析實(shí)現(xiàn)了模型業(yè)務(wù)功能的原子化多粒度拆分解耦及業(yè)務(wù)流程的分離，減少了服務(wù)之間的重疊，增強(qiáng)了服務(wù)的獨(dú)立性和邏輯耦合性。服務(wù)組合則依據(jù)不同場(chǎng)景的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，分別選擇不同的算法服務(wù)組合成模塊、不同的模塊組合成模型。

圖2 水文模型服務(wù)框架Fig.2 Service framework of hydrological model

1.4 服務(wù)注冊(cè)與組合

將獨(dú)立完成基本業(yè)務(wù)功能的最小顆粒服務(wù)封裝成算法，按業(yè)務(wù)類別，將算法統(tǒng)一注冊(cè)并發(fā)布到模型庫，采用結(jié)構(gòu)化語言描述各算法的接口信息，形成多類業(yè)務(wù)服務(wù)集合，為服務(wù)組合提供基礎(chǔ)。服務(wù)組合包括服務(wù)的組合應(yīng)用和組合管理。

a.服務(wù)組合應(yīng)用：依據(jù)應(yīng)用需求，調(diào)用和讀取算法接口，將一個(gè)或多個(gè)算法服務(wù)重組成模塊服務(wù)，以滿足簡(jiǎn)單預(yù)報(bào)分析業(yè)務(wù)的需要；并進(jìn)一步調(diào)用多個(gè)模塊服務(wù)重組成模型服務(wù)，以滿足綜合預(yù)報(bào)分析業(yè)務(wù)的需要。服務(wù)組合后形成的模塊服務(wù)或模型服務(wù)也可通過服務(wù)注冊(cè)發(fā)布到模型庫供用戶調(diào)用。

b.服務(wù)組合管理主要實(shí)現(xiàn)算法-模塊-模型服務(wù)的更新重組。算法服務(wù)更新，在水文分析流程不變的情況下，模塊服務(wù)和模型服務(wù)無需更新；模塊服務(wù)功能發(fā)生變化，需要重組模塊服務(wù)，模型服務(wù)相應(yīng)需要重組，算法服務(wù)不變。

服務(wù)組合實(shí)現(xiàn)了算法-模塊-模型的動(dòng)態(tài)服務(wù)組合與共享：按一定的邏輯流程調(diào)用若干個(gè)獨(dú)立的算法服務(wù)可以組合形成模塊服務(wù)，同一算法服務(wù)可以被多個(gè)模塊服務(wù)共享調(diào)用；同理，調(diào)用若干個(gè)模塊服務(wù)可動(dòng)態(tài)組合成面向特定應(yīng)用需求的水文模型服務(wù)，同一模塊服務(wù)也可被不同的模型服務(wù)共享調(diào)用。

2 模型的服務(wù)化封裝

2.1 數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝

水文業(yè)務(wù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)和種類多源，水文數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的水文數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)可分成基礎(chǔ)水文信息、實(shí)時(shí)雨情水情、水環(huán)境、土壤墑情等。對(duì)水文數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝包括數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)操作和服務(wù)部署三類接口。數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝方法如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝方法Fig.3 Service packaging method for data

數(shù)據(jù)描述接口定義了數(shù)據(jù)集的訪問地址、服務(wù)標(biāo)識(shí)、訪問模式、讀寫權(quán)限等信息。數(shù)據(jù)操作接口完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫、讀寫條件和讀寫結(jié)果等的封裝。服務(wù)部署接口實(shí)現(xiàn)服務(wù)配置、服務(wù)調(diào)用接口和服務(wù)調(diào)用參數(shù)列表等數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布和部署配置。數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝對(duì)用戶屏蔽了數(shù)據(jù)內(nèi)部的計(jì)算過程，算法或模型只需調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)化封裝中的相應(yīng)接口即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的存取和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)調(diào)用。

2.2 算法服務(wù)化封裝

算法是水文模型模塊化分解中的最小邏輯單元，如數(shù)學(xué)公式和物理規(guī)律等。通過對(duì)水文基礎(chǔ)業(yè)務(wù)功能特征分析，水文算法可以封裝成算法描述、算法操作和算法部署三類服務(wù)接口。①算法描述接口定義了算法的服務(wù)標(biāo)識(shí)、名稱、類型、簡(jiǎn)介等信息，便于用戶識(shí)別和調(diào)用。②算法操作接口定義數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算流程和執(zhí)行結(jié)果，其中數(shù)據(jù)輸入調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)接口并將數(shù)據(jù)進(jìn)一步整合或處理成算法執(zhí)行所需數(shù)據(jù)；計(jì)算流程是算法服務(wù)化封裝的主要部分，實(shí)現(xiàn)算法中的水文業(yè)務(wù)邏輯和水文計(jì)算；執(zhí)行結(jié)果將計(jì)算流程中產(chǎn)生的結(jié)果輸出至JSON格式或文件類型數(shù)據(jù)。③算法部署接口實(shí)現(xiàn)算法服務(wù)的發(fā)布和部署配置，分別定義服務(wù)部署配置、服務(wù)接口的URL、服務(wù)所需的輸入?yún)?shù)等。

圖4 算法服務(wù)化封裝方法Fig.4 Service packaging method for algorithm

同一類型的水文過程具有相同(相似)的輸入輸出和不同的計(jì)算方法，可以將不同的計(jì)算方法封裝成算法服務(wù)并組成同類過程算法庫，為水文過程的模塊組合提供多種可能性。如蒸散發(fā)過程中根據(jù)土壤特性涉及上層、下層和深層蒸散發(fā)計(jì)算，因此，可以將土壤上層、下層和深層蒸散發(fā)計(jì)算封裝成的3個(gè)算法加入蒸散發(fā)過程算法庫，并依據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同的蒸散發(fā)算法組合成不同的模塊。

2.3 模塊服務(wù)化封裝

模塊是可組合成模型、能完成某些特定功能并具有明確調(diào)用接口的獨(dú)立服務(wù)單元[19]。傳統(tǒng)水文模型大多是封閉獨(dú)立系統(tǒng)，模型中存在大量冗余和重復(fù)模塊。如傳統(tǒng)新安江模型和陜北模型都包含有蒸散發(fā)模塊、匯流模塊和河道匯流模塊[20]，盡管兩個(gè)模型中蒸散發(fā)模塊的具體過程(上層、下層和深層蒸散發(fā)計(jì)算過程的組合)不一，但其基本原理和實(shí)現(xiàn)功能基本一致。因此，本文采用面向?qū)ο竽K化封裝和拆分思想，根據(jù)水文模塊具體實(shí)現(xiàn)的功能，選擇不同的算法服務(wù)化封裝成不同的模塊，以提升模塊服務(wù)的共享能力和可擴(kuò)展性。

如圖5所示，水文模塊的服務(wù)化封裝思路大致與算法服務(wù)化封裝一致，兩者的區(qū)別主要在于水文模塊除了實(shí)現(xiàn)自身特有的計(jì)算邏輯外，有時(shí)還需要調(diào)用其他算法或模塊，因此，模塊服務(wù)化封裝實(shí)現(xiàn)流程分為自身計(jì)算流程和外部調(diào)用流程兩部分。模塊自身計(jì)算流程與算法的操作類型一致，主要調(diào)用封裝的算法實(shí)現(xiàn)邏輯需求；外部調(diào)用流程則通過配置接口相關(guān)參數(shù)調(diào)用其他模塊接口實(shí)現(xiàn)模塊服務(wù)間的調(diào)用。

圖5 模塊服務(wù)化封裝方法Fig.5 Service packaging method for module

將功能相同、計(jì)算過程不相同的算法服務(wù)進(jìn)行組合并封裝，形成模塊服務(wù)。如調(diào)用上層蒸散發(fā)算法得到一層蒸散發(fā)模塊，調(diào)用上層、下層蒸散發(fā)算法組合得到二層蒸散發(fā)模塊。為便于模型組合調(diào)用，將具有相同功能特點(diǎn)的模塊進(jìn)行分類并構(gòu)建模塊庫。圖6為蒸散發(fā)模塊庫和匯流模塊庫中模塊的組合服務(wù)化封裝實(shí)例，用戶可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同的算法，構(gòu)建滿足需求的模塊，從而實(shí)現(xiàn)算法-模塊的動(dòng)態(tài)組合，提升算法的共享和模塊組合服務(wù)能力。

圖6 模塊服務(wù)化封裝實(shí)例Fig.6 Service packaging example for module

2.4 模型服務(wù)化封裝

模型服務(wù)化封裝的主要工作是依據(jù)流域特征及適用條件，選擇合適的模塊服務(wù)動(dòng)態(tài)組裝配置成不同的水文模型服務(wù)，最后通過模型部署接口將模型注冊(cè)到模型庫，實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)組合配置和集成共享。模型服務(wù)化封裝及其流程如圖7所示。

圖7 模型服務(wù)化封裝方法Fig.7 Service packaging strategy for model

模型描述接口定義了模型服務(wù)標(biāo)識(shí)、名稱、類型、作者、版本號(hào)、服務(wù)簡(jiǎn)介等基本信息。模型操作接口定義了模型實(shí)現(xiàn)所需的輸入、模塊服務(wù)組合配置、結(jié)果輸出，其中模塊服務(wù)組合配置通過調(diào)用模塊服務(wù)接口、配置其執(zhí)行順序及模塊間的信息交互實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)組合功能。模型部署接口實(shí)現(xiàn)將模型注冊(cè)到模型庫并部署配置的功能。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 柵格新安江模型服務(wù)化封裝

柵格新安江模型(Grid-Xin’anjiang Model，GXM)[4]是融合數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和新安江模型構(gòu)建的分布式水文模型。GXM將研究區(qū)域劃分為正交的單元網(wǎng)格，然后采用新安江模型計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元的產(chǎn)流和三水源，最后依據(jù)單元網(wǎng)格的演算關(guān)系計(jì)算出口斷面流量。GXM按其功能可劃分的算法-模塊-模型服務(wù)組合結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 柵格型新安江模型的模塊-算法拆分Fig.8 Module-algorithm decomposition of GXM model

本文將相應(yīng)的模塊和算法進(jìn)行了服務(wù)化封裝和部署，然后依據(jù)GXM的計(jì)算流程，調(diào)用圖8中所需的算法服務(wù)組合成相關(guān)的模塊服務(wù)，然后再調(diào)用組合的模塊服務(wù)構(gòu)建模型服務(wù)。算法-模塊-模型服務(wù)經(jīng)注冊(cè)部署后，形成的服務(wù)列表如圖9所示。

圖9 柵格新安江模型組合配置Fig.9 Composition and deployment of GXM model

3.2 模型服務(wù)化應(yīng)用

皖南橫江流域位于新安江上游，是典型的南方濕潤山區(qū)氣候，其主要控制站屯溪水文站集水面積2 696.76 km2。屯溪以上流域?qū)偕絽^(qū)性河流，年降水量在1 500 mm以上，主要集中在5—9月，由于受地勢(shì)變化及土壤植被等因素的影響，夏季多發(fā)洪澇災(zāi)害。本文以新安江屯溪水文站以上流域?yàn)槔_展GXM服務(wù)化封裝的應(yīng)用分析。

將GXM的算法-模塊-模型服務(wù)化封裝后注冊(cè)到中小河流洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)模型庫，便可在門戶系統(tǒng)中查詢模型服務(wù)，通過在用戶界面中輸入模型執(zhí)行所需參數(shù)和數(shù)據(jù)文件后，點(diǎn)擊“調(diào)用”按鈕，即可調(diào)用柵格新安江模型服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)報(bào)。圖10為2016年6月20日15：00至21日15：00GXM模型預(yù)報(bào)的屯溪水文站斷面流量結(jié)果。

圖10 柵格新安江模型服務(wù)調(diào)用與運(yùn)行結(jié)果Fig.10 Call and running results of GXM model service

4 結(jié) 語

本文以解決水文模型的異構(gòu)化、實(shí)現(xiàn)模型的共享應(yīng)用和組合配置為目標(biāo)，進(jìn)行模型服務(wù)化封裝方法與應(yīng)用研究。提出了面向?qū)ο蟮姆?wù)化封裝和組合配置方法，定義了模型描述、操作和部署接口等封裝內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了水文模型的數(shù)據(jù)-算法-模塊-模型多粒度拆分解耦與服務(wù)化封裝，提升了業(yè)務(wù)需求驅(qū)動(dòng)的水文模型組合配置和模型共享能力。基于該方法設(shè)計(jì)了洪水預(yù)報(bào)模型服務(wù)框架，并應(yīng)用于中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警智能調(diào)度決策支持平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。但是，目前模塊和模型的封裝及組合配置要采用人工方式進(jìn)行，后續(xù)應(yīng)研究基于工作流的模塊模型自動(dòng)組合配置方法，以進(jìn)一步提升模型的共享能力和服務(wù)能力。