一种面向服务的空地水一体化环境耦合系统的制作方法

本发明属于环境数值模拟领域，涉及面向服务的空地水一体化耦合环境数值模型系统，具体涉及一种通过构建气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型的松散耦合架构，满足流域环境管理多目标需求的模型库系统架构的构建。本发明的构建方法适应于环境模型的耦合和集成，能形成一个适应于流域环境的预测、评估、风险预警、治理和修复等不同领域的通用的环境模型系统，解决目前所面临的各种环境问题。

背景技术：

环境数值模型是环境领域的重要工具。随着数值计算技术的不断发展，具有动力学机理的分布式环境数值模型成为近年来广泛应用的方法。在气象领域，形成了成熟的理论体系，国内外开发了一系列的气象模式，如大气和海洋环流模式(agcm、ogcm等)和中尺度气象模式(arps、wrf等)等，在天气预报、全球气候变化等领域进行了大量的应用；在水环境模型领域，仅美国1993年就已经有了成熟的诸如swat、swmm、strom等水文模型和非点源模型29个；如efdc、hspf、qual2e、wasp5等的地表水(包括河流、湖泊、河口、海洋)的水动力水质模型30个，如bioplumeii、hst3d和swanflow的地下水质模型33个，其中wasp5、rca、oomas等水质模型还具有模拟藻类等浮游植物的水生态功能模块。整体来看，目前，水环境数值领域的模型已经比较成熟，不同的模型能满足不同的功能，不同功能模型的组合基本能解决环境预测、预报、评估、预警、治理等的需要。但仍缺乏一套模型能很好地解决环境领域全过程的需要，无法通用的适应于气象、水文、水动力、水质和水生态的管理需求。急需要整合已有的模型，形成涵盖空、地、水等各领域的模型耦合协作的架构，为环境领域的多目标需求提供通用的解决方案和架构。

水文水动力水质模型的耦合的研究是当前数值模型研究的难点。由于不同的研究部门和模型软件开发者在模型的开发过程中，其所采用的开发平台、所设计的模型数据结构等差异较大，使得模型间的连结相当困难。如何利用已有的模型，通过合理的耦合接口和链接契约方式，有效地将环境管理需求与模型服务链接起来，是水环境模型的应用与管理和耦合领域亟待解决的问题。面向服务的开发理念的提出，websevrices标准的成熟和应用的普及以及模型库系统的发展，为环境领域的耦合模型架构提供了新的技术和思路。基于统一描述、发现与集成(universaldescription,discoveryandintegration)的uddi规范系统的提出，为web应用的开发、发布提供了标准的服务描述与注册规范，该规范通过将每个服务的名称、功能和接口参数的规范化描述，能实现服务的跨平台调用。该套技术在地理信息服务的注册、集成和web服务上得到了良好的应用。基于uddi的标准化描述，以面向服务的理念为指导，构建松散耦合的空地水一体化耦合模型，能为环境领域提供通用的模型架构。

技术实现要素：

针对环境预测、评估、预警等多目标且涉及到空、地、水等多区域的环境管理的需求问题，本发明提出一种面向服务的空地水一体化耦合环境数值模型系统，基于现有成熟的空、地、水模型，通过构建私有uddi注册中心，形成环境管理的需求与服务字典，实现一套松散耦合的“空地水”一体化模型架构，以满足多目标多领域的环境应用需要。

本发明所采用的技术方案是：一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统，其特征在于包括模型库模块、注册模块、需求分析模块和模型调度与响应模块。

所述的模型库模块是在选择成熟的气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型的基础上，构建模型字典，确定模型的接口和契约，构建松散耦合的包含空(气象模式)、地(流域水文模型、非点源模型)、水(水动力模型、水质模型和水生态模型)一体化的模型库。

所述的注册模块包括用户需求注册和模型服务注册。用户需求注册用于明确用户想要请求的服务、构建环境的需求字典；模型服务注册是基于用户需求和模型库已有模型的功能，明确模型能提供的服务，构建模型的服务字典。

所述的需求分析模块用于分析既定的和实时的用户需求，为调用模型提供指令。

所述的模型调度与响应模块是根据需求字典与服务字典，基于用户需求分析的结果，从模型库中调用对应的模型进行模型运算、输出模拟结果，实现对需求的响应。

在上述的一种面向服务的空地水一体化环境耦合系统，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的模型库模块，其包括以下步骤。

步骤1，确定环境模型的服务领域，包括环境质量预测、环境评估、环境风险预警、环境影响评价和环境治理效果评估；定义环境需求和服务的类型，如表1所示：

表1环境需求和服务的类型

步骤2，选择成熟的气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型，为基本的环境模型；所有模型采用可执行程序的方式进行存储。

步骤3，构建模型的模型字典，包括每个模型的名称(modelname)，功能(modelfunctions)、模型的使用范围(modelrange)、模型的参数库(modelparadata)、模型的输入样本数据(modelinputdata)、模型的输出数据样本数据(modeloutputdata)、模型的输出时间(modeloutputtime)、模型存储地址(modelurl)、模型的输出结果地址(modeloutputurl)、。

步骤4，确定模型的接口和契约，基于wsdl(webservicedescriptionlanguage)文档定义模型的接口为输入数据、输入参数和输出结果；wsdl文档中描述模型输入的数据类型，输入的个数、输入的格式、调用模型的标准语句、模型输出的数据类型、输出的格式等契约；

步骤5，建立不同模型的松散耦合架构：按照气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型的边界条件和输入输出接口，确定气象模式为流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型提供气象边界；流域水文模型、非点源模型为水动力模型、水质模型和水生态模型提供陆地入汇边界条件；水动力模型为水质模型和水生态模型提供水动力条件。接受别的模型提供的条件的模型为应用模型，为应用模型提供条件的模型为条件模型。一个应用模型，可以有多个条件模型；一个条件模型可以为多个应用模型提供条件。

在上述的一种面向服务的空地水一体化环境耦合系统，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的模型库模块，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的注册模块，其包括以下步骤。

步骤1，基于统一描述、发现与集成(universaldescription,discoveryandintegration,uddi)的uddi规范，构建私有uddi注册中心；

步骤2，定义uddi注册中心的用户需求字典描述方案，包括需求名称(requestname)，需求方式(requestmode)，需求类型(requesttype)，需求描述(requestdest)，需求部门(requestdepartment)和需求时间(requesttime)，其中，需求类型依据表1确定,需求方式有两种模式，一种是既定模式，即需要服务端定时定点的一次性或重复执行；一种是实时模式，即需要服务端立即响应需求；

步骤3，定义uddi注册中心的模型服务字典描述方案，包括服务名称(servicename)，服务类型(servicetype)，服务描述(servicedest)，服务部门(serviceprovider)、服务发布时间(servicetime)、服务访问入口(serviceurl)、服务对应的模型名称(servicemodel)、服务对应模型的功能(servicemodelfunctions)、服务对应模型的使用范围(servicemodelrange)、服务对应模型的参数库(servicemodelparadata)、服务对应模型的输入样本数据(servicemodelinputdata)、服务运算速度(serviceruntime)、服务输入条件描述(serviceinput)、服务输出结果描述(serviceoutput),其中，需求类型依据表1确定，模型对应的模型名称由用户选择，对应模型的功能等信息在选择模型名称后，通过模型字典自动查询获得。

在上述的一种面向服务的空地水一体化环境耦合系统，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的模型库模块，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的需求分析模块，其包括以下步骤。

步骤1，基于用户需求字典描述方案，提供客户端界面，由用户选择或输入所需求的基本信息；

步骤2，分析用户需求的类别和用户需求的描述，基于uddi提供的关键字查询法，查询模型服务字典中对应的服务名称、类型；确定满足要求的服务，形成模型调用的指令。

在上述的一种面向服务的空地水一体化环境耦合系统，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的模型库模块，搭建一种面向服务的空地水一体化环境耦合模型系统的模型调度与响应模块，其包括以下步骤。

步骤1，对于既定需求，在既定需求所规定的时刻，将需求中对应的模型，按照模型之间的耦合架构，先运行应用模型的条件模型，等待条件模型执行完成后，再运行应用模型；

步骤2，对应实时需求，先分析应用模型是否拥有条件模型，若没有条件模型，则直接运行应用模型；若有条件模型，则先分析模型字典中对应的该条件模型是否在应用模型所需运行的时间段内有输出结果，若存在对应的结果，表明该应用模型模拟时间内的条件已经存在，则可直接运行应用模型；若无，则先运行应用模型的条件模型，等待条件模型执行完成后，再运行应用模型；

步骤3，待应用模型执行完成后，将模拟结果输出至客户端，完成对需求的响应。

本发明通过多种模型的松散耦合解决单个模型无法满足环境领域环境保护、环境治理、环境评价和环境应急等环境管理多目标需求的问题；通过面向服务的松散耦合模型架构，将模型通过良好的接口和契约联系起来，能解决不同模型异构性的耦合难题，实现模型间跨平台的交互和协作。本发明能为环境领域的多目标需求提供通用的模型解决方案和架构。

附图说明

附图1是本发明的系统架构示意图。

附图2是本发明的系统构建过程示意图。

附图3是本发明的空地水一体化耦合模型架构示意图。

附图4是本发明的需求与服务注册过程示意图。

附图5为模拟结果一在客户端的展现。

附图6为模拟结果二在客户端的展现。

附图7为模拟结果三在客户端的展现。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

步骤1，确定三峡库区空地水一体化环境耦合模型系统，包括四个模块，分别为模型库模块、注册模块、需求分析模块和模型调度与响应模块，如附图1所示。

步骤2，确定面向三峡库区水环境管理服务的系统架构的构建路线，包括数据库构建、服务与需求注册、需求分析和模型调度与响应五个步骤，如附图2所示。

2.1模型库构建，选择已有成熟的模型，构建模型库，具体包括以下步骤：

2.1-1：确定环境模型的服务领域，包括环境质量预测、环境评估、环境风险预警、环境影响评价和环境治理效果评估；定义环境需求和服务的类型，如表1所示：

表1环境需求和服务的类型

2.1-2：选择成熟的气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型，为基本的环境模型，本发明实例所选择的模型如表2所示；所有模型采用可执行程序(.exe)的方式进行存储。

表2本发明实例选择的模型

2.1-3，构建模型的模型字典，包括每个模型的名称(modelname)，功能(modelfunctions)、模型的使用范围(modelrange)、模型的参数库(modelparadata)、模型的输入样本数据(modelinputdata)、模型的输出数据样本数据(modeloutputdata)、模型的输出时间(modeloutputtime)、模型存储地址(modelurl)、模型的输出结果地址(modeloutputurl)、。

2.1-4：确定模型的接口和契约，基于wsdl(webservicedescriptionlanguage)文档定义模型的接口为输入数据、输入参数和输出结果；wsdl文档中描述模型输入的数据类型，输入的个数、输入的格式、调用模型的标准语句、模型输出的数据类型、输出的格式等契约；

2.1-5：建立不同模型的松散耦合架构：按照气象模式、流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型的边界条件和输入输出接口，确定气象模式为流域水文模型、非点源模型、水动力模型、水质模型和水生态模型提供气象边界；流域水文模型、非点源模型为水动力模型、水质模型和水生态模型提供陆地入汇边界条件；水动力模型为水质模型和水生态模型提供水动力条件。接受别的模型提供的条件的模型为应用模型，为应用模型提供条件的模型为条件模型。一个应用模型，可以有多个条件模型；一个条件模型可以为多个应用模型提供条件，如附图3所示。

2.2注册模块构建：基于uddi标准，确定用户需求的描述方案和模型服务的描述方案，在uddi注册中心注册后，生产用户需求字典与模型服务字典，包括如下步骤：

2.2-1，基于统一描述、发现与集成(universaldescription,discoveryandintegration,uddi)的uddi规范，构建私有uddi注册中心。

步骤2，定义uddi注册中心的用户需求字典描述方案，包括需求名称(requestname)，需求方式(requestmode)，需求类型(requesttype)，需求描述(requestdest)，需求部门(requestdepartment)和需求时间(requesttime)，其中，需求类型依据表1确定,需求方式有两种模式，一种是既定模式，即需要服务端定时定点的一次性或重复执行；一种是实时模式，即需要服务端立即响应需求；

2.2-3，定义uddi注册中心的模型服务字典描述方案，包括服务名称(servicename)，服务类型(servicetype)，服务描述(servicedest)，服务部门(serviceprovider)、服务发布时间(servicetime)、服务访问入口(serviceurl)、服务对应的模型名称(servicemodel)、服务对应模型的功能(servicemodelfunctions)、服务对应模型的使用范围(servicemodelrange)、服务对应模型的参数库(servicemodelparadata)、服务对应模型的输入样本数据(servicemodelinputdata)、服务运算速度(serviceruntime)、服务输入条件描述(serviceinput)、服务输出结果描述(serviceoutput),其中，需求类型依据表1确定。

2.2-4，进行用户需求和服务注册流程的确定，中心的注册流程如附图4所示。注册时，按照需求字典和服务流程字典，人工填写或选择需求与服务对应的名称、描述、时间等信息

2.3需求分析模块：需求分析模块通过客户端获取用户需求，在服务端对用户需求进行分析，包括两个步骤。

2.3-1：基于用户需求字典描述方案，提供客户端界面，由用户选择或输入所需求的基本信息；

2.3-2：分析用户需求的类别和用户需求的描述，基于uddi提供的关键字查询法，查询模型服务字典中对应的服务名称、类型；确定满足要求的服务，形成模型调用的指令。

2.4模型调度与响应模块：在需求分析的基础上，调用模型，输出模拟结果，具体包括以下步骤。

2.4-1，对于既定需求，在既定需求所规定的时刻，将需求中对应的模型，按照模型之间的耦合架构，先运行应用模型的条件模型，等待条件模型执行完成后，再运行应用模型；以三峡库区水环境管理为例，其既定需求包括每天整点预报库区水体的水质(cod\氨氮\tn\tp)和叶绿素浓度。附图5为预测的2016年6月7日三峡库区全流域的河道的氨氮浓度；附图6为预测的2016年6月7日三峡库区彭溪河的叶绿素浓度分布。

2.4-2，对应实时需求，先分析应用模型是否拥有条件模型，若没有条件模型，则直接运行应用模型；若有条件模型，则先分析模型字典中对应的该条件模型是否在应用模型所需运行的时间段内有输出结果，若存在对应的结果，表明该应用模型模拟时间内的条件已经存在，则可直接运行应用模型；若无，则先运行应用模型的条件模型，等待条件模型执行完成后，再运行应用模型。水污染事故的模拟是水体常见的需要实时模拟的模型需求，附图7为模拟的三峡库区突发20吨苯酚泄露事故后，污染物在2小时后的分布情况。

2.4-3，待应用模型执行完成后，将模拟结果输出至客户端，完成对需求的响应。附图5-7为模拟结果在客户端的展现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。