基于情境和知识集成的水资源调度流程的知识管理框架研究

基于情境和知识集成的水资源调度流程的知识管理框架研究

1引言气候变化加剧了我国水资源时空分布不均的矛盾，制约了水资源困乏地区的经济社会发展[1]。为了扭转华北水资源承载力不足问题，我国实施了南水北调工程建设，根据工程建设规划，南水北调工程将通过三条调水线路建设与长江、黄河、淮河和海河四大江河形成“四横三纵”总体布局，成为世界上最大调水工程[2～3]。而目前先后开工建设的南水北调东线一期工程和南水北调中线一期工程将分别于2013年和2014年通水。水资源调度是水资源管理的主要内容，其实质是为了落实水量分配方案和取用水总量控制方案，以及统筹水质、水量和水生态保护，对流域或行政区域范围内水资源实行统一调配[4]。南水北调工程运行后，水资源调度必将是其运营法人管理的主要内容。由于水资源调度涉及部门广、因素多的特点，使其水资源调度流程比其他调度流程复杂，为此对其调度流程进行有效管理将是水资源调度高效率运行的关键[5]。知识管理是通过对组织所拥有的知识资源进行管理和创新，促进组织内显性知识和隐性知识的共享和重用，以此提高组织工作效率的有效手段，其主要目的是通过不断的知识创新和知识积累，使知识资产不断增值，并将这些先进的知识，全面应用于组织的业务活动和管理中，从而不断改进服务和产品质量，不断提高管理效率。因此，把知识管理运用到水资源调度流程管理中，势必可以有效地提高水资源调度管理水平和优化水资源调度流程。M.MillieKwan认为知识管理系统应该围绕着业务流程对知识进行组织，业务流程既是知识产生的过程也是知识应用的过程[6]，并提出通过情境和知识集成可以实现知识管理和业务流程的集成，把情境和业务流程进行集成可以减少文档检索的负担，为流程中不同的使用者提供正确的知识。国内学者潘旭伟[7]等也从知识和流程关系的角度分析，认为知识管理缺乏对知识情境的关注，使得用户不能完全理解知识或对知识源不信任，导致用户不采用该知识，以及不知道从知识管理系统中获取的知识是否适用于当前的情境，是否能解决所遇到的问题。Ahh认为情境是解决上述问题和困难的有效手段和方法[8]。不同的天气、水情和地区所产生的水资源调度方案将是不同的，而对其进行知识管理，将情景与其情境下知识进行集成，有助于在水资源调度管理过程中把正确的知识在正确的时间送达正确的人。本文在已有学者研究的基础上，探讨把水资源调度流程过程产生的知识和知识情境进行集成，实现水资源调度业务流程和水资源调度知识管理集成，并基于此提出水资源调度流程知识管理框架。2水资源调度流程与知识管理2.1水资源调度流程对知识管理的需求水资源调度管理是在调水需求和相关信息的基础上制定调度方案，根据调度方案组织调度和实施调度。调度流程如图1所示，整个调度流程分为信息采集、制定调度方案、组织调度、实施调度四个阶段。调度流程的每个阶段对知识管理的需求不同，水资源调度流程对知识管理需求主要体现在：(1)信息采集管理流程对知识管理的需求。为了制定合理、高效的水资源调度方案，需要各种信息提供支持，如来水量、需水量、水质、水分配等，这些信息包含显性和隐性知识，如长期在水文站工作的水文工作者积累的工作阅历等显性知识。如何在信息海洋中找到所需要的信息，并把信息快速、有效的送到需要信息人的手中，将有助于方案制定者制定出高质量的调度方案，但是由于缺乏对这些信息的有效整理、存储和积累，常常会出现知识贫乏和知识爆炸的矛盾现象。(2)制定水资源调度方案流程对知识管理的需求。水资源调度过程中，水服务的对象往往是固定的，面临的供水情境有时也是相似的，如南水北调工程是向华北地区供水，而不对其他地区供水，华北干旱有准3年、5年、6年和7年的周期变化[9]，且需水具有很强的季节变化特征[10]等。所以在制定调度方案时，以往的调度方案知识就对当期方案的制订有很大的参考价值。通过对比的知识情境和利用必要的知识管理工具，获得必要的知识载体，实现知识的共享与重用。(3)组织水资源调度流程对知识管理的需求。组织调度过程中，关键调度管理人员的流动或离岗将会给调度工作带来知识流失问题，通过知识管理把员工拥有的隐性知识显性化，以阻止知识的流失；新的水资源调度执行组织在调度执行中会产生新知识，也需要知识管理把这些新知识保留下来。(4)水资源调度实施流程对知识管理的需求。在水资源调度实施过程中，不可避免的会面临各种新问题的挑战，如极端气候天气、水污染突发事件等，通过多个搜索、整理和学习知识，从而获得解决问题新的发现，得到新的知识。同时需要将这些问题的解决方案进行收集、转化、积累和重用，以便指导下次水资源调度的实施。2.2知识情境与水资源调度流程的知识管理水资源调度知识产生于特定情境下的水资源调度流程，并将应用于水资源调度流程，在水资源调度流程中得到检验和提升，可以说水资源调度流程是水资源调度知识的源泉，也是水资源调度知识管理的根基。只有把知识管理、调度流程和人三者结合起来，才能实现提高业务水平和效率目标[11]。对现有的技术来讲，调度业务流程技术集成了人和过程，而知识管理技术实现了人和知识的集成。但是，光有这两种技术还不能够达到人、过程和知识三者的集成。为了实现三者的集成，在过程和知识之间还缺少一种集成技术，这种技术可以依靠业务流程与知识管理的集成来解决[12]。所以，要实现对水资源调度流程的知识有效管理，就必须把调度流程和知识管理进行集成，知识情境为调度流程和知识的集成提供了可能。图1水资源调度流程Fig.1Schedulingflowofwaterresources在知识管理中，情境是与知识、知识活动等相关的条件、背景和环境等，它刻画了与知识、知识活动等相关的情形特征。这些情形特征是区分、识别不同知识和知识活动的重要因素。对从事知识活动的知识主体而言，这些情形特征刻画了他在从事知识活动时的个性化特征。情境在知识管理中发挥着重要作用，它有利于知识管理与业务过程之间的集成，便于知识的组织，促进人们对知识的理解和知识价值的判断，有利于知识共享与重用，是减少知识过载的重要手段和方法[8]。知识情境和知识管理关系主要体现为：(1)情境是完整理解知识的关键要素。没有合适的情境知识，知识将与情境和其它相关知识相互隔离，可能导致其含义不能得到完整地理解或被错误地理解[13]。例如在2009年年初，南水北调东线工程江苏段对苏北干旱地区进行应急调水，如果忽略这次调水的相关情境因素，这次调水方案对今后的调水方案定制和实施将不会有帮助。(2)情境可转化为知识[14]。当人们把知识和与它相关的情境结合成为一体时，情境就转化为了知识。在水资源调度过程中，可以把天气、需水量、水质和调度持续时间等情境要素和调度方案制定结合在一起，它们将共同构成了新知识的一部分。(3)情境影响知识活动的特点和结果。同样的知识活动，在不同的情境下，其特点和结果会不同。例如，同时调水，在丰水期和枯水期调度的方法就不同；南水北调工程中线和东线特点不同，调度过程就呈现出不同的活动。(4)情境是知识共享和重用的重要基础。基于情境的“回想”是人类解决问题的一个基本方法。知识的产生和应用在一定情境下发生，人们之所以需要并且能够共享和重用已有的知识，很大程度上是因为他们当前所处的情境与已有知识的情境具有一致性或相似性。3实现调度流程的情境和知识集成的关键技术3.1水资源调度流程的知识建模技术在对知识进行建模上，本文采用文献[15]的分析方法，把知识管理的知识建模主要是分为对知识载体、知识内容(knowledgecontent)和知识情境的建模。知识可用三元组表示：KI=｛KCarrier,KContent,KContext｝(1)式中KI表示知识项(KnowledgeItem)；KCarrier表示知识载体；KContent表示知识内容；KContext表示知识情境。(1)知识载体建模。主要是对载体的类型、所处的位置、可用性以及其它与知识载体有关的主要特征信息进行表达，以便于人们通过这些信息访问或获得知识载体。知识载体可以表示为[12～13]：KCarrier=＜载体标识＞：｛载体类别，载体位置，载体可用性，[作者，创建时间，版本，联系方式]｝(2)式中方括号中的要素表示对不同载体类型的一些选择项；载体类别表示为对知识载体的唯一标识或名称；载体类别表示为载体的具体媒介，如纸质文档、光盘、原型产品、人等等；载体位置表示为载体所处的位置，从该位置可以访问或获取知识载体；载体的可用性表示知识载体的时间局限性、空间局限性、存取局限性、质量局限性等多种约束。(2)知识内容建模。知识内容建模是对知识所包含的内容进行简练、概要的描述。在这方面已经形成了比较一致的表达方式，即通过关键词和摘要(概要)来表达知识主要的核心内容。在这里，对知识内容信息的建模也采用关键词和摘要(概要)的方式。(3)知识情境建模。M.MillieKwan认为知识管理应该围绕着工作流程对知识进行组织。在每一个流程中，流程的设计、流程的情境和知识资源应该被识别、存储和重新使用。知识情境是知识产生和应用的具体背景和环境，也是知识得以共享和重用的重要基础。所以含有知识情境的知识，实现了知识和工作流程的集成。情境建模是对情境的一种显性描述，通过与知识和知识过程的集成应用于知识管理，以提升知识管理的效果。但是知识情境的建模相对比较困难，其根本原因在于：目前还无法阐释人类思维是如何进行的，而知识正是人类思维的产物。知识产生和应用的背景是对思维过程的反映，而知识情境建模是对这个复杂思维过程的描述。为更好地描述各方面的情境要素，提出了多维情境建模方法，从多个情境维度对情境进行描述，每个情境维度由该维度下的若干情境要素和属性构成，情境模型KContext可以描述为[7]：本文在结合水资源调度流程特征，在相关研究的基础上提出水资源调度管理中的知识情境模型，从调度目标、水情、水质、气候、调度方案、执行组织、人员、时间、地点等维度对知识情境进行描述(见表1)，即：KContext=｛调度目标、水情、水质、气候、调度方案、执行组织、人员、时间、地点｝。(4)(4)基于本体的集成情境知识模型的实现。本体论是一种概念化的说明，是对客观存在的概念及其关系的一种描述。基于本体对集成情境知识模型进行有效的存储，有利于计算机对集成情境知识进行处理。它的实现是将知识载体、知识内容、知识情境的有关的概念和属性转化为本体的类和关系，从而使得知识项和情境实体转化为本体实例。利用以描述逻辑为基础发展而来的OWL本体表示语言可以对集成情境知识进行本体存储和处理[16]。3.2水资源调度流程的知识识别获取技术基于水资源调度流程的知识管理的实现，需要识别获取知识过程发生时的情境。为识别获取多数的情境要素，提出了直接情境识别获取和间接情境推理获取相结合的情境识别获取方法。该方法根据识别获取方式的不同，把情境分为直接情境和间接情境，通过情境传感设备识别获取直接情境。在此基础上，根据情境模型定义的关系和约束，以及用户自定义规则，通过推理获取间接情境[7]。(1)水资源调度流程的直接情境的识别：①覆盖全调度区域的调度监控系统和GIS采集的实时数据会传输到数据库中，通过读取数据库的数据识别获取情境信息。②通过与调度管理信息系统、调度决策支持系统等应用软件的交互获取调度过程、调度事件和信息资源等情境信息，这方面的识别获取是调度过程中非物理实体的情境要素信息。如决策支持系统可以分析出最佳的调度方案的信息。③从外部信息源识别获取。(2)间接情境的推理获取。在间接情境的推理获取方面，可以采用建立在一阶谓词逻辑(FirstOrderLogic，FOL)基础上基于规则的方法(Rule-basedFOLmethod，R-FOL)实现。具体方法请参考文献[7]。3.3水资源调度流程的知识检索技术在水资源调度过程中，知识使用者之所以需要并且能够共享和重用已有的知识，关键在于当前问题情境与以往知识情境具有一致性或相似性。因此，对集成情境知识进行检索是知识得以共享和复用的重要基础，但基于关键词匹配、全文检索等传统检索技术尚难充分体现情境特征在知识检索方面的重要作用。基于情境树相似性匹配的知识检索技术能有效地解决这一问题。知识检索是根据用户的需求找出相关信息和知识的过程。基于情境树相似性匹配的知识检索方法结合情境特征分层描述特征，借鉴树匹配中的思想，依据情境树相似匹配进行知识检索，可以在一定程度上解决相似情境间的知识复用问题，并充分利用已有知识检索过程信息，作为知识检索结果排序输出的重要参数[17～18]。该种知识的检索技术的详细算法请参考文献[17]。4南水北调东线一期工程调度的知识管理框架构建南水北调东线工程是从江苏省扬州附近的长江干流引水，基本沿京杭大运河逐级提水北送，向黄淮海平原东部和胶东地区供水。该线路的供水区域人口稠密，城市集中，长期面临地表水过度开发、地下水严重超采、水体污染和环境恶化的严峻形势，使得水资源供需矛盾尤为突出，建设东线工程十分必要和紧迫。根据南水北调东线工程规划，东线工程分三期实施，其中一期工程主要向江苏和山东两省供水，抽江规模500m[3]/s，以京杭运河为输水主干线，并利用三阳河、淮河入江水道、徐洪河等分送，此外，东线一期工程是由输水河道、泵站、蓄水湖泊、穿黄工程以及治污工程、水土保持工程、供电、调度运行管理设施等一系列单项工程组成，在单项工程基础上，组成不同规模的调水方案[19～20]，所以南水北调东线一期工程运行调度是一个涉及因素众多的复杂系统工程。水资源调度流程产生的知识被知识管理工具识别获取，并存储到知识库中，这些知识包括显性知识和隐性知识，其知识管理系统能实现在正确的时间，以正确的形式，把正确的知识传递给正确的人，这对于南水北调东线一期工程有效运行至关重要。基于当前南水北调工程建设管理体制，本文提出南水北调工程东线工程运行管理体制如图2所示。图2南水北调东线一期工程运行管理体制Fig.2TheoperationmanagementsystemofthefirstphaseprojectofeasternrouteofSouth-to-NorthWaterDiversion国务院南水北调建设委员会办公室下设南水北调东线工程调度控制中心，该调度控制中心属于南水北调东线水资源调度决策管理层，主要职责：制定东线工程水资源调度总体方案、统筹调度、宏观指导和监管江苏水源公司和山东干线公司调度工作等。江苏水源公司和山东干线公司都属于作为授权经营、自负盈亏的法人实体，在东线调水工程运行期间，对辖区内水利工程运行进行管理，在确保水安全的前提下进行水资源的联合调度和交易，直接面向东线供水区域内的水用户。南水北调东线一期工程的水资源调度流程的知识流是产生于其调度指令和调度执行的过程中，每一个显现知识或者隐性知识都有其产生的特定情景。图3是本文基于情境和知识集成给出的南水北调东线一期工程水资源调度流程知识管理框架，该框架有两个大系统：东线一期工程水资源调度信息采集系统、东线一期工程水资源调度管理信息系统；四个层面：用户界面层、水资源调度流程层、知识库层、流程管理设备和知识管理设备层。4.1东线一期工程水资源调度信息采集系统东线一期工程水资源调度信息是一期工程区域内水资源调度决策的基础，信息采集系统是东线一期工程水资源调度知识管理系统重要组成部分。其信息包括调度区域的气象、调度水资源的水文、实时水情、水质、旱情与墒情、水蒸发损耗等，以及调度的江苏水源公司和山东干线公司调度监控数据和实施方案，以及各泵站、洪水和分水处水资源调度情况等，此外信息采集范围还包括受水区域的经济、人口、地形地貌以及水资源状况等基本信息。数据信息采集采取人工采集和自动化采集，其中自动化采集是由各监测站遥测自动采集并固态存储，对数据做出基本处理后，再利用短波、超短波、微波、光纤、卫星通信等进行传输，人工采集是由人工测量获取，直接人工输入并自动传输，所有采集信息输入水资源调度信息采集系统的数据库中心。信息数据采集设备主要有气象信息综合处理系统、自动化观测仪器、移动检测仪以及遥测通信传输网络系统等。4.2东线一期工程水资源调度信息管理信息系统南水北调东线一期工程运行是一个复杂系统，高效运行离不开信息化管理。南水北调东线一期工程调度管理信息系统主要对调度过程的信息进行处理和管理，在信息采集阶段为方案的制订提供信息支持，例如需要实时了解调度水量、调度水质、调度水文水情等情况；在调度方案选定阶段，通过数据挖掘等相关决策支持技术确定最优方案，如山东应急需水量和江苏苏北应急需水量最优分配方案。在方案实施中，监控水资源调度高效率运行，以及对水资源调度情境进行记录和集成。图3基于情境和知识集成的南水北调东线一期工程水资源调度流程知识管理框架Fig.3TheknowledgemanagementframeworkofwaterschedulingflowforthefirstphaseprojectofEasternRouteofSouth-to-NorthWaterDiversionbasedoncontext-knowledgeIntegration4.3南水北调东线一期工程调度知识管理用户界面层面由于水资源调度知识管理用户不同，如东线调度控制中心、江苏水源公司、山东干线公司以及水使用者、水泵站管理人员等，每一个用户对知识需求不同，但是提供一个标准的、直观的和易于使用的用户界面对于提高知识管理效率十分必要，更有助于知识在使用者之间实现共享和传递。4.4南水北调东线一期工程水资源调度流程层面在南水北调东线一期工程运行过程中，调度人员围绕水资源调度主要进行信息采集、方案制定、组织调度和调度实施等调度工作，涉及水情与水量信息采集、调度方案管理、工程维护与安全监测、调度协调、应急处理等管理内容，与此同时需要调度管理信息系统为调度过程提供决策支持。其中，东线工程调度控制中心对南水北调的调度工作给予指导和监管，以保证调度目标的实现，同时为协调江苏水源公司、山东干线公司以及与二者共同指导南四湖供水公司运行，以及协调南水北调水资源调度与受水区域的航运、灌溉、防洪抗旱等；水资源管理专家为调度流程各个阶段工作的开展提供专家建议，以及在出现重大攻关难题方面提供解决问题的方法；调度管理人员依据组织岗位设计，对调度进行管理和控制，把自己学到的知识和经验运用到调度过程中，调度人员既包括东线工程调度控制中心调度实施人员，也包括江苏水源公司和山东干线公司及其下属机构的调度实施人员。4.5南水北调东线一期工程调度知识库层面知识库层面主要包括调度文件数据库、调度情境知识库、人员之间讨论和交流数据库。(1)调度文件数据来源调度管理信息系统的传输，主要包含水资源调度的组织状况、水情、水量、相关水价、调度管理体制、调度相关的法律法规、相关技术以及调度所处区域的经济、社会发展等数据。其中，水资源调度组织状况主要包括水资源调度主体拥有的资源量(如水库、水泵站、水闸站、资产、人员等)、每次调度执行情况、财务状况等。(2)调度情境知识库的知识主要来源于调度流程中的知识，调度过程中产生大量的知识，包括结构和半结构知识，结构知识主要是计算机能够直接处理的知识，如水资源调度业务知识、调度方案、调度实施评估等。半结构知识