基于大數據的區域水資源可持續承載力預測系統設計

郭亮

摘? 要： 針對傳統的區域水資源可持續承載力預測系統耗時長、預測結果準確率低的問題，引用大數據技術設計一種新的區域水資源可持續承載力預測系統。由總控層、分系統功能層、子系統功能層和系統支撐功能層四部分組成系統硬件，同時，引入實時監測模塊、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計軟件顯示界面，通過系統初始化，樣本數據讀取，樣本內部零矩陣定義，計算各個指標比重以及水資源可持續承載力輸出等步驟組成軟件流程。為檢測系統效果，與傳統預測系統進行實驗對比，結果表明，基于大數據設計的區域水資源可持續承載力預測系統可在短時間內精準地完成預測工作。

關鍵詞： 可持續承載力預測系統; 區域水資源治理; 系統軟件設計; 系統硬件設計; 系統模塊設計; 預測效果對比

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，作為基礎自然資源，水資源是重要的生態環境控制因素，代表著一個國家的綜合國力[1]。水資源在促進國家經濟發展中發揮著重要的作用，國民經濟的增長與水資源開發成效息息相關。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，分析水資源的開發和利用效果，對于確保水資源的可持續利用、合理配置以及保護自然環境有重要意義[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濟發展狀態，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可持續發展戰略[3]。

由于經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、發電、灌溉等水利實業也發展迅速[4]。創造有效的水資源可持續承載力預測系統可以更好地平衡水資源、社會和經濟之間的關系，促進水資源產業的發展，滿足實際需求[5]。

目前我國缺少專業的水資源可持續承載能力預測系統，很少會有針對性的研究，多是在分析可持續理論上進行泛泛討論[6]。即使設立了水資源可持續承載能力預測系統也很難應用在生態學理論中[7]。

本文針對區域水資源進行研究，利用大數據設計了一種新的水資源可持續承載能力預測系統，在預測系統中設立了明確的閾值，利用當地人口、資源和環境特點預測出水資源承載力。該系統與可持續發展戰略理論相符，對于加強水資源的優化配置有積極的幫助，同時有利于環境保護和治理。

1? 區域水資源可持續承載力預測系統硬件設計

本文設計的區域水資源可持續承載力預測系統是一個分布式系統，能夠根據實時監測到的數據，利用計算機快速準確地預測出水資源的承載能力。

系統利用了數字化、信息化、網絡化等技術手段，能夠很好地輔助決策者使用正確的水資源管理政策，防止錯誤的調度方案，促進水資源保護。

系統選用的核心技術為大數據分析和處理技術[8]。

1.1? 區域水資源承載力預測系統硬件總體結構設計

本文設計的區域水資源承載力預測系統共有4個層次：利用人機交互界面設計控制層，能夠控制系統的整體功能;根據應用種類不同設計系統功能層;設計系統應用模型，在應用模型內部設立子系統功能層;為了給系統提供更好的支撐環境，設計支撐功能層。

基于大數據設計的區域水資源可持續承載力預測系統硬件總體結構，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系，網絡瀏覽器內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） 分系統功能層。主要是根據系統的應用種類劃分，方便系統更好地開發和設計。在分系統功能層中，系統可以進行調試、維護以及管理工作，所有實時監測到的信息都在該層進行調控。

3） 子系統功能層。在分系統功能層的基礎上設計各個子系統模塊，實時監測模塊對應信息采集模塊和信息傳輸模塊;信息管理模塊對應信息接收模塊、信息處理模塊、實時預測模塊;決策支持模塊對應水資源實時評估模塊、水資源實時管理模塊、水資源實時預報模塊;遠程控制模塊對應遠程控制模塊和監控指令反饋模塊。

4） 系統支撐功能層。為支持多種運行環境，系統支撐功能層中同時加入了數據庫、模型庫、圖像庫、知識庫、文本庫、影像庫、方法庫。

1.2? 實時監測模塊設計

為了提高本文設計的區域水資源可持續承載力預測系統的預測準確性，在系統內部加入了實時監測模塊，該模塊能夠實時監測區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量、地表水資源水質信息以及地下水資源水質信息，同時，記錄歷年的災情、旱情、墑情以及天氣狀況[10]。

除了水質信息外，監測模塊還要對當地的經濟發展進行監控，結合多項資源預測水資源承載力。

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

設計的實時監測模塊如圖2所示。

1.3? 信息管理模塊設計

預測系統內部會采集大量信息，因此，設立信息管理模塊負責接收、處理、查詢以及發布工作。信息管理模塊具體結構如圖3所示。

觀察圖3可知，信息接收和信息查詢屬于并列關系，管理模塊擁有多個接收點，所有的信息都會在數據庫中被規劃成統一的格式，并以該格式存儲。

由于信息種類不同，所以存儲在數據庫不同文件夾中，幫助預測系統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，能夠滿足用戶實時查詢各類信息。信息管理模塊內部擁有報警平臺，當遇到水災、旱災和污染時，信息管理模塊會發出警報聲[11]。管理模塊與各大網站相連，以媒體形式發布網絡信息，向社會提供預測結果。

1.4? 決策支持模塊設計

決策支持模塊內部擁有多種算法，記錄歷史計算結果，通過不斷創新尋找出更加有效的預測途徑，從而為決策者提供科學完備的水資源調度方案。決策支持模塊對每一個提出的調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。

由于本文設計的預測系統內部龐大、結構復雜，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信息，所有被收集的信息都以統一格式輸入，綜合分析水資源的數量、質量和開發效果，從而預測水資源的可持續承載力，在預測出承載力后，由決策階段下發有效的保護策略和調度策略[13]。決策支持模塊對于自己下發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? 遠程控制模塊設計

設計的水資源可持續承載力預測模塊具備遠程操控技術，可以通過現代網絡和監控技術操控系統的運行。

遠程控制模塊結構如圖5所示。

遠程控制模塊可以加強系統的實時管理能力，現代網絡技術和通信技術緊密相連，能夠在第一時間下發有效命令，幫助系統自動完成操作。

2? 區域水資源可持續承載力預測系統軟件設計

基于大數據設計的區域水資源可持續承載力預測系統軟件顯示界面如圖6所示，該界面詳細地記錄了區域水資源預測系統需要的樣本數據，得到的可持續承載力預測結果以及預測結果評價。

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

預測系統工作流程如圖7所示。

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

3? 驗證實驗

3.1? 實驗目的

為了檢測本文基于大數據研究的區域水資源可持續承載力預測系統的實際效果，與傳統預測系統進行對比，分析實驗結果。

3.2? 實驗參數設置

實驗參數設置如表1所示。

3.3? 實驗結果與分析

根據上述參數進行實驗，選用本文研究的區域水資源可持續承載力預測系統和傳統預測系統，對相同區域的水資源可持續承載力進行預測，記錄預測時間和預測結果準確性，根據得到的結果對兩種系統的性能進行具體分析。

1） 預測時間對比

預測時間對比結果見表2。

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

2） 預測準確性對比

觀察圖8可知，在相同的預測時間內，本文預測系統預測的可持續承載力準確性始終高于傳統預測系統。預測準確性具體數據見表3。

綜上所述，本文基于大數據研究的區域水資源可持續承載力預測系統預測時間短、準確性高，更適合環境保護和水資源調度工作。

4? 結? 語

本文在探討水資源承載力的一般概念、內涵和理論后，基于大數據技術設計了一種新的預測系統。該預測系統能夠區分出可再生資源和不可再生資源之間的特性，分析地區水資源經濟發展局限性，從而合理地預測出水資源承載能力。本文設計的預測系統突破了傳統水資源預測系統的局限性，從多方面考慮，提出一套合理有效的預測理論，預測結果能夠很好地反映出區域水資源各個要素之間的關系，為我國的水資源治理工作提供了明確的導向。

本文所設計的系統屬于嘗試性設計，雖然做出了大量創新，也具備一定的實用性，但是系統內部加入的參數數據并不全面，很多基礎數據不完整，未來必須進行專門的區域水資源數據統計，以完善預測系統。

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