（控制理论与控制工程专业论文）河流水质管理决策支持系统应用研究.pdf

摘璎 摘要 决策支持系统是以信息技术为手段，应用决策科学及有关学科的理 论和方法，针对某一类型的半结构化和非结构化的决策问题，通过提供 f 景材料、协助明确问题、修改完善模型、进行分析比较等方式，为管 理者作出正确决策提供帮助的人机交互信息系统。 近年来，随着东江流域社会经济的迅速发展，排入东江的污染物逐 年增加，建立东江水质管理决策支持系统是实现该地区经济建设与环境 保护协调发展的迫切需要。本文试图建立东江水质预测和评估模型，实 施该流域水质管理决策支持系统，从而提高该流域水质管理与决策的水 平，更好地保护和利用东江水资源，为其他地区的水质管理支持系统的 开发与应用提供有益的参考。 本课题的主要研究内容是应用基于l m 算法的b p 神经网络模型进行 水质预测，并结合东江的实测数据进行了初步探讨，给出仿真结果。采 用几种常用的水质评价方法进行效果对比，在对灰色聚类方法进行详细 分析的基础上，应用等斜率灰色聚类决策方法，对东江惠州段部分断面 的水质数据进行评价计算。使用c hb u il d e r 5 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 等开 发工具进行系统的软件开发，编写了相关的水质查询与水质评价程序。 用户可以利用此系统实现基本的水质监测数据的查询和输出、水质评价 分析。 关键词：决策支持系统；水质管理；水质预测模型；水质评价方法 广东d i p 大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m ( d s s ) i s ah u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v e i n f o r m a t i o ns y s t e m ，w h i c ha p p l yt h ed e c i s i o ns c i e n c et h e o r ya n dm e t h o dt o s e t t l et h ec o n s e q u e n t i a lo rh a l f - c o n s e q u e n t i a ld e c i s i o np r o b l e m i tc a nh e l p t h em a n a g e rt od ot h ec o r r e c td e c i s i o nt h r o u g hp r o v i d i n gt h eb a c k g r o u n d m a t e r i a l ，h e l p i n gt od e f i n i t u d et h ei s s u e ，a m e n d i n gt h em o d e l ，a n ds oo n i nt h i sr e c e n ty e a r ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y a l o n g t h e d o n g j i a n gd r a i n a g e a r e a ，t h e c o n t a m i n a t i o nd r a i ni n t ot h e d o n g j i a n gr i v e ri si n c r e a s i n gr a p i d l yy e a ra f t e ry e a r i t sv e r yu r g e n t l yt o e s t a b l i s ht h ew a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo ft h e d o n g j i a n gd r a i n a g ea r e a t h ea u t h o rt r i e s t oe s t a b l i s ht h ed o n g j i a n gr i v e r f o r e c a s ta n de v a l u a t i o nm o d e lt o g i v et h e r e f e r e n c ef o rd e c i s i o n s u p p o r t s y s t e mo f o t h e ra r e a t h em a i ns t u d yc o n t e n to ft h i s p a p e r i s u s i n gb p n nm o d e lw h i c h b a s e do nt h el mm e t h o dt op r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t yo fd o n g j i a n gr i v e r ， a n dg i v i n gt h er e l a t e da l g o r i t h m sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s o m em e t h o d so f e v a l u a t i o nw a t e rq u a l i t ya r es t u d i e d ，w h i c ha r eo f t e nu s e di nw a t e rq u a l i t y m a n a g e m e n t a ne x a m p l eo fe s t i m a t i n gd o n g j i a n gc r o s s s e c t i o ni sb r o u g h t f o r w a r d ，w h i c hi su s i n gt h ei s o g r a d i e n to b s c u r ec l u s t e r i n gm e t h o d s o f t w a r e i s d e v e l o p e dw i t hs o m et o o l ss u c ha sc + + b u i l d e r 5a n ds q l s e r v e r 2 0 0 0 d a t a b a s em a n a g e m e n ts u b - s y s t e m ，w h i c hc a nq u e r ya n de x p o r td a t af r o m d a t a b a s eo fs e r v e r s a n daw a t e rq u a l i t ym o d e l b a s ei se s t a b l i s h e d i nt h i s s y s t e m ，u s e rc a nc o m p u t et h ep a r a m e t e r so fw a t e rq u a l i t ya n da n a l y z et h e i r c h a n g e s k e y w o r d s d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t ，w a t e r q u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e l ，w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础，也是人类文明发展不可 缺少的自然资源。虽然地球表面大部分被水覆盖，但真正可以开采利用 的淡水资源不到地球总储量的l 1 1 。早在1 9 7 2 年，联合国第一次环境 与发展大会就指山，“石油危机之后，下一个危机是水”。1 9 7 7 年联合困 大会进+ 步强渊“水不久将成为一个深刻的社会危机”。1 9 9 2 年，一些 专家指出：“到2 l 世纪，水、粮食和能源这三种资源中，最重要的足水”。 1 9 9 7 年联合国再次呼吁：“目前地区性水危机可能预示着全球危机的到 来”。2 l 世纪的水正在变为- - , q , 宝贵的稀缺资源。 一、全球水资源的现状 在我们人类生存的地球，水资源总量并不多，虽然有7 0 8 的面积为 水所覆盖，但其中9 7 5 的水是咸水，无法饮用。在余下的2 5 的淡水 中，有8 7 是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪。 人类真正能够利用的是江河、湖泊以及地f 水中的一部分，约占地球总 水量的0 2 6 。有人比喻说，在地球这个大水缸里可以利用的水只有一 汤匙。 全球水资源分布并不均匀。仝球每年人均水资源量为7 3 4 2 立方米， 远在每年人均3 0 0 立方米的缺水上限之上。因此，总体而言世界上是小 缺水的。但是，世界上淡水资源分布极不均匀，每年约6 5 的水资源集 中在不到1 0 个国家，约占世界人l i 总数4 0 的8 0 个国家和地区却严重 缺水，尤其是人类使用水资源的方式也加剧了水资源的紧张形势。在每 年消耗的淡水资源中，家庭用水占8 ，工业用水占2 2 ，农、止用水占 7 0 。人i x l 的增氏和城市化进程也严重影响着水资源形势。 二、水资源匮乏对人类生存构成威胁 水污染造成的危害正在加剧。水污染是指水体受到人类活动的影 厂东t 业大学l 学碗士学位论文 响而使水的感观、物理化学性质、化学成分、生物组成以及底质状况等 发生恶化的现象。水污染使水的使用价值降低，给水生生物和用水名造 成危害，并加剧水资源短缺的矛盾。随着人口的增长、社会的进步、经 济的发展，水体污染日益严重，成为当今最突出的环境问题之一。 ：个世纪9 0 年代中期以来，全世界每年约有5 0 0 0 亿立方米污水排 入江河湖海，造成3 5 5 亿立方米以上的水体受到污染，导致1 0 亿人的 饮用水不合乎卫生标准。全世界每年至少有i5 0 0 万人死于水污染引起 的疾病，仅痢疾每年就夺走近5 0 0 万儿童的生命：冈沼泽污水传染疟疾 每年1 0 亿人，造成2 7 0 万人死r ：，其中非洲儿童占1 0 0 万。 水资源缺乏同时已威胁到了农业的发展。缺水使全球耕地面积逐年 减少，危及了粮食的供应，长此下去势必导致粮食价格上涨，进一步加 重贫困人口的负担。全球灌溉农业养活着2 4 亿人口，差不多世界人口 的一半。农业用水约占全球淡水用量的7 0 ，在发展中国家甚至达到 9 0 。1 9 9 7 年9 月，国际水源协会在蒙特利尔召开圆桌会议，一致认为 缺水已成为全球粮食生产的关键性因素，目前大约l o 亿人口没有足够 的食物，到2 0 5 0 年全球将有一半的人生活在缺水地区，粮食难以自给。 三、我国水资源的现状 1 9 9 5 年水利部进行了第二次全国水质评价工作 4 1 。根据1 9 9 1 年水质 监测断面资料，按照国家g b 3 9 3 9 8 8 地面水环境质量评价标准，对近 7 0 0 条河流，约1 0 万k m 河长的水质进行了评价。结果表明：在全国综 合评价河长9 8 6 1 4 k m 中，水质为i 、i i 、i i i 的河长分别占评价河长的 2 7 6 、2 6 1 和2 1 3 ；水质为、v 类和超v 类的污染河长分别占评 价河长的2 7 6 、8 3 和1 0 6 。污染总河长占评价河长的4 6 5 ，与 1 9 8 0 年的水质评价成果相比，污染河长增加了l 倍多。根据1 9 9 9 年水 资源公报资料，全国污染河长占总评价河长的比重下降为3 7 6 ，单超 v 类严重污染河长比重较1 9 9 1 年增加了6 6 个百分点。 水质污染比较严重的往往是人口密集、经济发达的地区，而水资源 比较缺乏的地区尤为突出。例如，1 9 9 2 年上海黄浦江受到严重污染，降 水连续发黑发臭3 0 0 天；1 9 9 4 年7 月渭河发生严重污染事故，使附近的 3 0 万人发生饮水困难。由于每年有大量未经处理或处理尚未达标的废污 第一苹绪隆 水排入江河或用r 农业灌溉，使全国受污染的农刖己达1 0 0 0 多万h m 2 ， 损失粮食1 2 0 亿k g 。据初步调查分析，因水污染造成的经济损失约4 3 0 亿兀。 8 0 年代以来，随工、化和城镇化发展，废污水人量排放，全国江河 湖库水质日益恶化。1 9 9 7 年全国废污水年排放总量约为5 8 4 亿t ，绝大 部分废污水未经处理或尚未达标就排入江河或直接用于农田灌溉。在全 国约1 0 万k m 的评价河长中，类以上的污染河长占4 7 。北方辽、黄、 海、淮等流域，污水弓地表径流的比例高达1 ：6 1 ：4 ；湖泊约有7 5 以 上水域水质受到严重污染。全国1 1 8 个城市的饮i 【 j 水调查冠示：6 4 的 城市，其地f 水受到严重污染：3 3 的城市，地下水受到轻度污染：仪 3 的城市水质尚属清洁。 水体污染严重已成为实现中国水资源可持续利用的重要障碍之一。 加强水资源的综合利用，防治水污染，对水环境进行综合治理势在必行。 1 2 水环境管理的现状、面临的问题 1 2 1 国内外水环境管理研究现状介绍 水环境保护与发展是一个世界性的重大课题，加强水资源管理和水 资源保护已经成为全球性环境整治的首要问题。 国外水环境管理起步早，发展较快，并已取得一定的成果1 5 ：! 9 7 7 年，美国p u r d u e 大学研制了一个简单的河流规划决策支持系统g p l a n ， 它仅有三个构件：对话部件、模型库、数据库。1 9 8 8 年，德国的s c h w a b l a 研制了环境影向评价d s s ( 简称s u s ye i a ) ；1 9 8 9 年，美国 a r n o l d ，u o r l o b ，g t 研制了海湾水质管理d s s ，用于海湾水质规划；1 9 9 0 年，葡萄牙c a m a r a ，a s 等人也研制了海湾水质管理的d s 8 用1 i 污染扩 散的计算和污水处理系统的优化：日本m i k i k ok a i n u m a n 研制了人气环 境质量管理的d s s ，用于预测经济发展对大气中n o ，浓度的影响：1 9 9 1 年，西班牙f r a n c i s c oc u b i l l o 等人研制了河流水质管理d s s ；澳大利弧 d a v i s ，j r 研制了流域政策分析的d s s ，用于土地利用政策对水库水质的 影响分析。 在国内，由于资金和技术等条件的限制，水环境质量管理起步较晚， 广东i 业大学i 学硕士学位论文 大多还处于还停留在信息系统的应用阶段，相应的分析工具比较少，水 环境管理的综合水平不高。随着我国对环境问题的日益重视，对环保科 研事业的投入也在不断增加。我幽。些水环境及水流域管理决策支持系 统已经研制成功，并开始投入实际应用。1 9 9 9 年，国家环境保护总局华 南环境科学研究所的曾凡棠、林李研制了潮汐河刚区水环境管理和决策 的软件系统，对珠江三角洲潮汐河网水环境数学模型研究进行了系统的 总结 6 】。2 0 0 0 年- j 山大学的黄平提出了研制水环境管理决策支持系统 ( w e m d s s ) 设计原则与实现功能，并给出了在广东省谭江的应用实例。 2 0 0 1 年广东省环境信息中心开发了“东深流域水环境管理辅助决策系 统”，为监控与管理该地区的水质情况、制定水质保护决策提供了有力 的帮助。 可以预见，随着决策者对决策支持的需求越来越大，同时相关的技 术研究不断成熟，决策支持系统将成为水环境管理中必不可少的重要组 成部分。 1 2 2 水质管理决策支持面临的问题 水质管理决策支持系统本身足一项复杂的系统工程，涉及到数学、 统计分析、环境工程、环境规划、数据库管理、软件设计与开发、优化 控制等多种学科，研究内容相对广泛，技术层次相对要求较高。水质管 理面临的问题主要存在于以下两个方面： 一是方法学方面的相对欠缺，例如，建立水质模型是对河流水质进 行分析的一项重要内容，也是实现水质管理决策支持系统的技术关键。 目前，常规的零维、一维水质模型都来源于经验公式，对于特定的河流 或水域计算出的结果会有相对大的误差：而二维、三维水质模型则较为 复杂。近年来，国内外许多学者都在寻求利用新的数学工具和系统方法 来建立更为有效的水质模型。 二是实践上的灵活不足，在实现效果上看，许多国内的水环境管理 系统都存在或多或少的困难，需要改进的方面的地方包括有：问题分析 与处理能力较弱，决策功能有限；界面复杂，非专业人士难于使刚；功 能单一，且普通用户难于扩充；较难实现环境信息的动态显示功能等几 个方面。究其原因，首先是规划由专业技术人员编制，决策者在规划的 第章绪论 编制与实施巾参与1 i 够，往往与实际决策脱节；其次，规划的编制周期 和更新周期过长，导致与实际情况脱节；第三是在实施中缺少反馈和适 时的渊整。 1 3 本课题的研究背景及意义 东江是珠江水系i 大河流之，发源于江西省寻鸟县的桠髻岭，自 东北向西南流入广尔省，经龙j i 、河源、紫金、惠阳、惠州、博岁、东 莞等县( 市) 注入狮子洋，经虎fj 出海。千流全长5 6 2 k m ，其中存广东 省境内4 3 5 k m ，流域总而积3 5 3 4 0 k m2 ，其中在广东省境内3 1 8 4 0k m2 ， 占流域总面积的9 0 。东江水资源丰富，不仅在防洪、发电、灌溉、航 运等方面发挥重要作用，而曰是我省的重要饮用水源。东江水除供本流 域使用之外，还作为饮用水源通过东深供水工程供应流域外的深圳、香 港以及广州的东部地区。当前每年向香港供水近l l 亿m3 ，向深圳供水 近5 亿m 3 ，其中惠州段( 惠州一东岸) 河流水质直接影响着深圳利香港的 淡水供应质量，可见东江水不但对流域的社会、经济发展，而且对维持 香港地区和深圳特区人们的正常生活，促进这两个地区的经济繁荣和政 治稳定具有重要的意义。 随着东江流域的社会、经济迅速发展，人u 的增长以及经济结构从 以农业为主逐渐向以工业为主的转变，东江水的纳污负荷愈来愈大，排 入东江的污染物逐年增加，对深港地区的经济发展和社会稳定都会产生 负面的影响。因此，建立东江流域水环境综合管理决策支持系统足实现 经济建设与环境保护协调发展的迫切需要。该系统不仅让科研、舱测等 部门更加快速、便利地管理和共享各种信息资源，更重要的是还可以使 决策者直接利用这些信息和相关的辅助工具，帮助他们分析、评估某项 决策可能给环境带来的效益与代价，从而作出更有利于环境保护的决 策。建立东江水质预测和评估模型，实施水质的综合管理，以及建立突 发性污染事故的决策支持系统，对于提高该流域水环境管理与决策的水 平，从而更好地保护和利用东江水资源，实行可持续发展战略具有重要 的现实意义。 广东i 业大学t 学硕十学位论文 1 4 本论文的研究内容 本沦文研究的内容是以水质管理为对象，应用基于l - m 算法的b p 神 经网络模型进行水质预测，并结合东江的实测数据，给出仿真结果。采 用几种常用的水质评价方法进行效果对比，并在此基础 ：，应用等斜率 灰色聚类决策方法，对东江惠州段部分断面的水质数据进行评价计算分 析。使用c + + b u i l d e r 5 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 等开发工具进行系统的软件 开发，实现了基本的水质查询与水质评价功能。该系统的设计目标是建 市面向水质管理，融会水质相关技术方法和现代数据库技术、网络技术、 计算机可视化技术为一体，实现信息管理分析现代化，为水质管理决策 提供有效支持。该项目研究工作得到了国家自然科学基金项目 ( 6 0 2 7 4 0 3 0 ) 和广东省科技攻关项目( c 3 | 8 0 1 ) 的支持。 6 第二章决策支持系统介绍 第二章决策支持系统介绍 2 1决策及决策支持的基本理论 21 1 决策定义 所谓决策是指在众多备选方案中选取某方案以满意地实现一个f 1 标或多个m 标的过程。通俗地说，决策就意味着解决问题。s i m o n ”认 为决策的对象包含从高度结构化问题到高度非结构化问题的伞系列。 a n t h o n y 【9 1 把决策问题分为三大类：一是决定长期目标及资源分配的战 略规划性决策：二是完成组织机构日标中最有效地使用资源的管理控制 性决策；三是最有效地完成某一特定任务的操作控制性决策。 21 2 决策问题的分类 按照对决策内容的分析，决策问题可以分为3 类【1 o ： ( i ) 结构化决策：在问题求解的各阶段都能使用确定的算法或决策规 则来确定问题，设计各种解决方案，并从中寻找最优的解。换句 话说就是程序化了的，无需人工干预就能自动完成的决策，如库 存报表、零件订货、生产规划调度等。 ( 2 ) 非结构化决策：在各阶段都不能用确定的算法或决策规则来确定 问题，几乎完全依靠人的直觉做出结论的决策，如人员的录用、 公司政策的制定等。 ( 3 ) 半结构化决策：介于结构化和非结构化决策之间的决策。这种决 策是半程序化的，且需要人工干预，如经费预算、资本的获利分 析、股票管理等。 结构化问题是管理工作中重复出现的问题，解决这类问题有现成的、 确定的方法和步骤，一般由计算机自动完成，很少需要人的介入。非结 构化问题则没有专门的步骤来处理，决策者一般靠经验、主观判断甚至 是靠灵感来处理。而对于半结构化问题，一方面由于问题的复杂性，单 凭决策者的管理经验很难解决这类问题；另方而，由于数学分析模型 广东工业大学上学硕上学位沦文 的某些简化假设造成的误差也不能满足解决这类问题的需要，必须南决 策者和计算机共同完成。为了解决半结构化和非结构化问题，人们捉山 了决策支持系统的概念。 2 2 决策支持系统介绍 2 2 1 决策支持系统的产生 电子计算机问世后不久就应用于管理领域，从其发展历程来看，大 致可分为三个主要阶段i “j ： 第一阶段一一电子数据处理系统( e l e c t r o n i cd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ， 简称e d p s ) 。e d p s 一般用于操作层的天天重复、但变化不大的各种过 程处理和事务处理，例如工资计算、帐务处理中的原始凭证录入等。 e d p s 把人们从繁琐的事务中解脱出来，从而提高了工作效率。e d p s 是开发信息系统初级阶段的产物，是建立下述各种信息系统的基础。 第一阶段一一管理信息系统( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称 m i s ) ：管理信息系统是南信息收集、信息存储、信息加工、人机对话与 输出等部分以及信息管理者所组成。对于那些目标明确、具有确定的规 则和程序及信息需求的决策问题，即结构化决策，m i s 可以有效地支持 决策中各个阶段的活动。 第三阶段一一决策支持系统2 1 ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称 d s s ) ：管理决策的制订是一个包括确定目标、收集信息、探索方案，以 及对各种方案进行分析、预测、选择的过程。m i s 往往只是按照它在建 立时所确定的模式来收集、存储和加工信息。随着新技术的发展，所需 要解决的问题越来越复杂，除了完成一般信息管理系统的要求外，需要 涉及到越来越多的模型。管理信息系统或者模型辅助决策系统不能很好 地解决问题。于是决策支持系统就应运而生了。 决策支持系统( d s s ) 是m i s 的发展与深化。与m i s 相比d s s 通 常具有以下特点m 】： 较强的语言处理和人机交互能力，能够为高级管理决策人员提供 非结构化决策问题的有用信息。 拥有以知识为基础的信息存储系统，由数据库、模型库和知识库 第一章决策支持系统介绍 组成的知识系统是d s s 的基础。 将数学模型、算法和推理方法结合起来的问题处理系统，能够为 用户提供一种功能很强且使用方便的问题求解语言。 2 2 2 决策支持系统的定义 决策支持系统最初按其功能被定义为个“注重提高制定决策的效 能而不是效率”的系统n “。但是这个定义过于笼统，很多学者试图给出 一个更加正式的、明确的定义。b o n e z e k j 将d s s 定义为个具有a i 功能的问题解答器；l e v i n e 和p o m e r o l l l 6 将定义为一个信息处理系统， 能够在数据领域和模型领域上进行启发式推理。到目前为止，d s s 尚未 有一个学术界公认的定义。至此，笔者较为认可的一个定义为：“决策 支持系统足一个人机交互计算机系统，通过使用该系统，决策者能更好 地表达和认识决策问题，并因此改善决策。该系统通过完善的人机界面 提供灵活有效的数据管理和模型管理，决策者可以根据自己对问题的认 识来构建所需的数据管理、模型管理和人机界面”。 2 2 3 决策支持系统结构组成 决策支持系统的结构是决定决策支持系统功能的重要因素，决策支 持系统的结构研究是决策支持系统的设计者和开发者一直十分关注的 问题。 d s s 是由会话系统、控制系统、运行及操作系统、数据库系统、模 型库系统等共同构成。其中最基本的一种逻辑结构包括有数据库、模型 库、知识库及其相关的管理系统。d s s 的运行过程可以简单描述如卜： 用户通过界面输入要解决的决策问题，界面管理系统收集数据、处理信 息，根据知识库中已有的知识，与用户交互，直到决策问题明确，然后 系统选择适用的模型，通过调用模型计算出分析结果，最终提交给用户。 d s s 几个部分的关系如图2 一l 所示： 东9 9 1 k 大学工学硕士学位论文 图2 1d s s 各部分之问的关系 f i g 2 1e a c h p a r to fd s sr e l a t i o n 22 3 1 界面管理部件 d s s 不能代替人的决策，它只能支持决策者进行决策。界面管理部件 是d s s 的重要组成部分，主要具有下述几方面的功能： ( 1 ) 提供多种多样的显示和对话形式 人机界面包括有图形化的菜单、窗口以及多媒体技术、命令语言和 自然语言。图形化的菜单、窗口以及多媒体技术的应用，增加系统的美 观和直观程度，提高了系统的友好性及使用效率。命令语言操作可以减 少交互操作，更有效地控制系统的运行。对于不熟悉计算机的管理人员， 使用自然语言更方便些，但对计算机技术要求更高，需采用人_ i 二智能技 术，如自然语言理解和问题分析等技术。 ( 2 ) 输入输山转换 系统输入与用户的对话，要转换成系统能够理解和执行的内部表示。 当系统运行结束后，把系统的输出结果显示或打印给用户。 ( 3 ) 问题处理 利用d s s 语言系统编制实际决策问题的程序，使得人机交与、模型 运行、数据调用，达到有机地统一，以更好地解决决策问题。 22 32 数据部件 数据部件由数据库和数据库管理系统组成。 ( 1 ) 数据库存储的组织形式 第一二章决策支持系统介绍 数据库用米存储大量数据，一般组织成易于进行大量数据操作的形 式。典型的数据组织模型有：网络模型、层次模型和关系模型等形式。 数据库由数据库管理系统来管理和维护。 ( 2 ) 数据库管理系统 数据库管理系统必须具有数据库建立、删除、修改与维护、数据存 储、榆索、排序、索引、统计等功能。 ( 3 ) 数据库管理语言体系 般来说，数据库管理系统应提供一个语言体系供用户使用数据库 或卜j 某种程序设计语言的接口，这个语言体系般由两个部分构成： 数据库定义语言( d l l ) ，提供定义数据库中数据的组成形式，如 数据模式、数据依赖关系等手段。 数据库操作语言( d m l ) ，提供对数据库中的数据进行操作，包括 数据库建赢、删除、数据字典的建立和维护、数据存储、检索等于段。 22 3 3模型部件 模型部件由模型库和模型库管理系统组成。 ( 1 )模型库 模型库用来存放模型。模型总是以某种计算机程序形式表示的，如数 据、语句、子程序甚至于对象等。这种物理形式在模型库中具体为：模 型名称及相关的计算机程序、模型功能的分类、模型的输入输出数据、 控制参数等属性。模型可以以某种方式运行，进行输入、输出、计算等 处理。 ( 2 )模型库管理系统 模型库管理系统用来管理模型库。为了适应模型的静态与动态特眭， 模型库管理系统有两方面的功能：一是模型库静态管理。其功能包括： 模型库的建立、删除、模型字典的维护，模型的添加( 登录模型的有关 属性) 、删除、检索、统计等功能，有关模型的各种计算机程序的维护 ( 如源程序、执行程序等的管理与维护) 。二是模型的动态管理( 即运 行管理) 。模型的动态管理控制了模型的运行。模型不但可以单独运行， 还町以组合运行。运行控制机构必须能够提供顺序、选择、循环三种基 本的运行控制机制。模型的动态管理还负责模型与数据库部件之问的联 东t n k 大学工学硕士学位论文 系。在模型运行时，规定输入输出数据的来源及去向，并同数据库管理 系统进行数据交换。 ( 3 ) 模型库管理系统的语言体系 与数据库管理系统相似，模型库管理系统也应有一个语言体系，这 个语言体系应包括如下两个方面的组成部分：是模型管理语言。定义 模型的有关属性，如名称、功能、参数、程序构成以及与其他模型的关 系等。二是模型操作语言。执行模型，控制模型与数据库之间的动态数 据交互，模型的运行控制等。 ( 4 ) 模型库管理系统的特定功能 模型在计算机中表现为程序形式。用计算机语言编制的模型程序分 为源程序和目标程序，这两种状态与计算机的编辑功能和语言的编译功 能相连，这就有必要把编辑功能和编译功能以特定的形式纳入模型库管 理系统中。 224 d s s 在国内外的应用 22 4 1 水环境管理决策支持系统国外的应用情况 在图外，特别是工业发达的西方国家，d s s 已经进行实际应用阶段。 国外开发的d s s 主要支持企业管理的决策活动，不同程度地改善了决策 者利信息决策工作人员的素质和行为，为各级主管决策提供科学依据。 决策支持系统在水环境管理方面得到了快速的应用叩 ：由葡萄牙政 府资助，g a m a r a 等人开发的水质管理决策支持系统t e j o 包括有两个数 据库( 水质数据库和污染数据库) 以及四个模型，采用数据的描述参数 来压缩数据库和转移函数代替扩散模型的方法，解决了维数高引起的运 行时间长的问题。澳大利亚学者d a v i s 等人开发的用于分析土地利用与 土地管理政策对水质影响的决策支持系统，在利用专家的知识和经验支 持决策上很有特点。加州大学a r n o l d 和o r l o b 等人开发的河口管理 d s s ，侧重于应用地理信息系统( g i s ) 和交互式计算机图形技术0 c g 、 支持数据管理、建模过程。1 9 9 4 年由c u sw a t e rq u a l i t vg r o u p 、n o r t h c a r o l i n as t a t e u n i v e r s i t y 、n o r t h c a r o l i n a c o o p e r a t i v e e x t e n s i o n d e p a r t m e n to fb i o l o g i c a la n da g r i c u l t u r a le n g i n e e r i n g 等单位联合开发r 流域尺度的非点源污染水质问题决策支持系统( w a t e r s h r d s s ) 软件。 第二章决策支持系统介绍 22 4 2水环境管理决策支持系统国内的应用情况 国内的水环境管理决簧支持系统的研究，起步较晚，但发展较快， 尤其在流域水环境管理以及防洪决策等方面进行很多研究，并上上取得了 大_ 最成果1 。 太湖流域管理局、河海大学和荷兰d e l f t 水力实验室联合研制开发了 太湖流域水量水质管理决策支持系统”。天津大学李锡研究过水库电站 群k ( 短) 期优化调度决策支持系统，清华大学翁文斌等人对京津唐地 区水资源决策支持系统进行了研究。长江水利委员会与南京水文水资源 所等单位共同开发了“长汀防洪决策支持系统”，存分析总结长江中下 游防洪决策的经验和现行防洪调度决策流程的基础上，进行i 峡建设期 间和建成初期长江三峡至螺山河段防洪系统的调度决策运行决策研究。 黄河水利委员会组织有关人员开发了“黄河防洪防凌决策支持系统”。 太湖防汛指挥系统总体设计组设计了太湖流域防洪决策支持系统脚】。 22 5 d s s 的发展趋势 随着d s s 应用范围的不断扩大，应用层次逐渐提高，d s s 已进入区 域性经济社会发展战略研究、大型企业生产经营决策等领域的决策活动 中。这些决策活动不仅设计到经济活动各个方面，涉及到生产管理、经 营管理的各个层次，而且各种因素千h 互关联，决策环境更加错综复杂。 采用单一的信息为基础的系统，或以数学模型为基础的系统，或以知识 ( 规则) 为基础的系统，都不能满足这些决策活动的要求。因此，需要 将系统分析、运筹学方法、计算机技术、知识工程、专家系统等有机结 合起来，在面向问题的前提下，充分发挥各自的优势，特别发挥它们联 合运用的优势。智能型、交互型、集成型决策支持系统的提出和实际应 用使d s s 进入一个新的发展阶段1 。下列几种d s s 是当前研究的重点 方向： 2 2 ，5 1 群决策支持系统g d s s 现代社会中，决策的制定往往不是由一个人而是由决策群体做出的。 支持个体决策的传统的d s s 已经很难适应群体决策的需要，为此人们开 发7g d s s ( g r o u pd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 。g d s s 是在多个d s s 和多 个决策者的基础上进行集成、优化的结果，即g d s s 是集成多个决策者 广东t 、f k 大学t 学硕士学位论史 的智慧、经验以及相应的决策支持系统组成的集成系统，以计算机及其 网络为基础解决一些半结构化、非结构化问题。随着通信、计算机等技 术的进步，如电子会议、局域网、远距离视频会议以及决策支持软件的 研究成果，g d s s 技术将发展得越来越成熟。 2 2 5 2智能决策支持系统i d s s i d s s ( i n t e l l i g e n c ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 是d s s 的一个重要发展 方向雎“。它是将传统的d s s 与人工智能a i 相结合的。人工智能在d s s 中的应用可以分为两类：一类是用人工智能技术去实现d s s 管理的一般 功能，如模型库管理和人工智能界面等：另一类是利用人工智能的知识 表达和推理技术直接为决策者解决决策问题提高支持。i d s s 着重研究把 a l 的知识推理技术和d s s 的基本功能模块有机地结合起来。近年来人 工智能领域中专家系统( e s ) 的研究发展很快，专家系统主要参与解决管 理科学中半结构和非结构化问题，d s s 与专家系统的结合把计算机用于 决策支持技术推向一个新的高度。 2 2 5 3决策支持中心d s c 1 9 8 5 年o w e n 等人提出了决策支持中心d s c ( d e c i s i o ns u p p o r tc e n t e r l 的概念口“。由专家组成决策小组作为决策支持中心的核心。该中心能及 时有效地为高层领导提供决策支持，而且决策支持小组随时准备开发或 修改d s s 以支持高层领导做出紧急和重要的决策。d s c 的特点是处在 高层次重要决策部位，有一批参与政策制定、决策分析和系统开发的专 家，装备有计算机等先进设备，通过人机结合等多种方式支持高层决策 者做出应急和重要决策的广义d s s 。 22 5 4 基于数据仓库( d a t aw a r e h o u s e ) 的d s s d s s 经常要访问大量的历史数据，也即从大量的事务型数据库中抽 取数据，并将其清理、转换为新的存储格式，从而为决策月标把数据聚 合在一种特殊的格式中。随着c s 、并行处理和分布式技术的飞速发展， 这种支持决策的、特殊的数据存储，即数据仓库应运而生。 数据仓库的提出以关系数据库、并行处理和分布式技术的飞速发展 为基础，目的是解决在信息技术发展中存在的拥有大量数据、然而有h j 信息贫乏的问题。总的来说，数据仓库就是面向主题的、集成的、稳定 第二章抉策支持系统介绍 的、不同时间的数据集合，用以支持经营管理中的决策制定过程。数据 仓库的建立并不是要取代数据库，它要建立在一个较全面和完善的信息 应用的基础上，用于支持高层决策分析，而事务处理数据库在企业的信 息环境中承担的是日常操作性的任务。 数据仓库的多维特征可以满足d s s 对数据的分析要求，克服传统数 据库的数据组织性筹、利用率低的缺点，为d s s 开辟了一条新的途径。 2 3 小结 d s s 是个融计算机技术、信息技术、人_ | ：= 智能、管理科学、决策 科学、心理学、行为科学和组织理论等学科与技术于一体的技术集成系 统。随着其它学科的不断发展，尤其是计算机技术和信息技术的巨大进 步d s s 作为新的交叉学科，将会随着其它技术的迅速发展而产生突破 性进展。 本章介绍了决策及决策支持的基本理论、定义及其分类，详细介绍 了决策支持系统的产生、结构组成以及国内外的应用情况，并对决策支 持系统的发展趋势做详细分析。 广东i 一业大学i ：学硕+ 学位论文 第三章水质预测模型研究 3 1 水质预测的基本内容与常用方法 水质预测是水环境规划、评价和管理工作的基础。目前，比较常用 的预测方法有水质模拟预测 2 4 1 巾”、神经网络模型预测h ”l 、多元【叫归 模式1 和灰色预测模型法四】 ”1 等。但由于受水文、水质临测条件的限 制，国内大部分河流河段还未建立相应的水质模型，或者成果较为零散， 表现形式较为单一，这给水质模拟预测方法的运用带来困难”“。 3 2 水质模型简介 3 2 1 水质模型概念及其在水质管理中的应用 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系 的数学描述”。在理论上，水质模型从最初的质量平衡原理发展到现在 的随机理论、灰色理论和模糊理论；在实际应用上，从最初的城市排水 工程设计发展到现在的污染物水环境过程模拟、水环境质量评价，污染 物水环境行为预测，水生物污染暴露程度分析和水资源科学管理规划等 水环境保护的各个方面；在研究方法上，从最初的解析解和浓度表达发 展到现在的以人工神经网络模拟辅助解析、与地理信息系统( g i s ) 相结合 的数值解和逸度表达法。 3 2 2 国内外的水质模型研究进展 作为河流水资源规划和管理、水质量评价和预测以及污染治理的有 效工具，河流水质模型在水环境问题中扮演着非常重要的角色且应用越 来越广泛。在国外，最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年， 美国的两位工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活污 水造成的可度量影响的研究中，提出了氧平衡模型的最初形式【3 4 】。 s t e w a r t 和b a t e s 提出了用于洪泛区污染物迁移仿真研究的分布模型 35 1 ， 该模型对于在河水到达的一定范围内( 如l 6 0 k m ) 进行沉积和渗漏污 第三章水质预测模型研究 染物的立体分布预测。f r a s e r 和b a r t e n 等人在应用迁移模型的基础上建 立了一个用来预测河流内病原体指数的地理信息系统”“。国外一些在五 六十年代曾经严重污染的河流，如芝加哥河、泰晤士河、莱茵河以及特 拉华河等，利用所建立的水质模型进行水质规划和管理，使水质量得到 人幅度的提高 3 7 1 。 国内的水质数学模型研究起步较晚，对潮汐河流、河网的水质数学 模型研究基本上是在“六五”期间才正式开展，并在“七五”期问得到 了进一步的发展和深化”。我国利用河流水质模型在对苏州河进行综合 整治、大汉河水污染控制、太湖流域河网水环境治理以及其它河流的水 资源综合利用及管理等方面均取得了初步成效 3 9 1 - 4 4 1 。针对水流域在广 义上属于动态不确定非线性系统，河流污染扩散中存在滞后现象，张新 政将时滞大系统理论引入东江惠州段的水质建模和水污染控制研究中， 利用了多组多滞后分析方法并取得了良好的效果。目前正利用这些理论 方法对水环境污染控制和综合治理进行深入研究 4 5 1 巾”。李莹对基于神 经网络的东江惠州段水质建模进行了有益的探讨 4 9 1 巾o l 。 3 3 常见的河流水质模型 河流水质预测一般采用定性及定量两种方法。定量预测同前多采用 水质模拟来进行，在数学模型、物理模型、模拟模型3 种模拟系统中， 最常用的是数学模型，它代表水环境中各因子相互作用的数学方程，是 定量描述水体中污染物时空变化的一种数学表达式 5 1 1 。目前常见的河流 水质模型有以下几种： 1 河水完全混合基本方程 c ：坠亟 f 31 、 q + g 式( 3 1 ) 中c 为河水及污水均匀混合后的浓度( m g l ) ；c 为河水中某 种物质浓度( m g l ) ；c ：为污水中某种物质浓度( m g l ) ；q 为河水流 量( m 3 s ) ；q 为污水流量( m 3 s ) 。该方程假定条件是河流稳态，均 匀河段，定常排污，即河流过水断面、流速、流量及污染物排入量不随 时间变化，污染物质为保守物质，既不分解，也不沉淀。故该方程常用 广东y _ q k 人学工学硕士学何论文 于估算在相对窄而浅的河流中，保守物质排入后的水质预测。 2 一维稳态河流水质模型 对于较宽浅的大中河流，若为稳定流，污染物为保守物质且均匀排 放，则由稀释混合作用决定水体污染物质浓度的水质预测模型为： p 。= p 。+ ( 尸。一p 口) e x p - a xj ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中：p b 为河流断面下某种污染物的最大可能浓度，m g l ： p 。，为废水中