CN107463614A - 基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟的方法,本发明对已有模型按照物理过程进行拆分，从拆分或积累的模块中优选适合研究区域的模块，根据研究的物理过程，基于建模环境内部耦合机理进行模块融合，实现模型重构或改进，本发明还包括：变量、模块、容器、模型、建模语言，形成了HOME集成建模环境架构、软件架构、应用方式和模型构建思路，形成以模块为基本单元的模型管理、构建、耦合与模型集成流程，建立了模型元数据、数据池、数据交换机制、读写I/O接口、Java模块和Fortran模块编译封装运行的关键技术，形成了工程管理、模块管理、图形化建模、模型模拟、可视化和参数优化功能和基于命令行、图形化拖拽构建模型的集成建模环境HOME。

Description

基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法

技术领域

本发明涉及水文测量领域，尤其是基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法。

背景技术

现有集成建模框架对模型的管理和开发能力不足，而且面向的对象不明确，缺乏数据、方法、模型、可视化等方面的有机耦合，给模型构建、运行、评价和应用带了诸多不便，此外，集成建模环境还缺乏对高性能计算的支持，运行效率低。随着观测技术、计算机技术、网络技术和高性能计算的发展，最大限度地利用信息科技，建立一个充分利用信息技术和科学积累的流域集成建模环境是十分必要和迫切的。流域模拟研究中也出现了一些新的发展趋势。

(1)建模环境成为地学模拟研究的趋势

随着水文、生态等各个独立学科研究的逐步深入，将各个要素有机整合开展研究成为流域科学发展的趋势，流域模拟研究领域逐步朝模型集成研究发展，建模框架成为支撑模型集成的主要环境。集成建模框架的引入将有利于现有模型资源的组织管理，方便研究人员的获取模型元信息，在开展模型应用研究的同时，提供模型构建支持，避免冗余开发，节约成本和资源。集成建模框架同时也为模型资源的模块化管理，形成统一的模型和模块规范，研究人员可对模块进行修改、组合、重构，并通过模块之间的耦合构建新模型、改进模型，形成新的模型应用，实现模型和模块的重用和共享。集成建模框架将成为快速模型构建的重要技术手段和支撑环境，国际上的集成建模环境研究发展迅速，已开发了诸如SME、MMS、OpenMI等数十个建模框架，正在成为模型综合集成研究的主要环境。

(2)高性能计算在模型研究以及参数模拟中的应用

高性能计算已被公认为继理论和实验科学之后，人类认识世界的第三大科学研究方法，是科技创新的重要手段。高性能计算逐渐从大气科学、遥感、地质等学科开始向各个学科渗透，尤其是在气候、生态、水文、土壤等对象为一体的流域综合研究中，高性能计算可以为流域的模型综合模拟研究、参数优化、大数据分析、可视化分析提供强有力的计算支持，已经成为流域综合管理和流域复杂问题的模拟研究不可或缺的重要环境。高性能计算在支持将成为促进流域科学的发展和创新的重要平台。

(3)模型的不确定分析、参数模拟、优化以及数据反演成为需要迫切解决的问题驱动数据、参数、模型结构等方面误差，共同作用导致了模型的不确定，因此，须对作为科研成果与管理决策信息来源的模拟结果进行不确定分析。模型对数据和参数高度依赖，特别是分布式流域模型，这对数据资料相对匮乏的我国，尤其是数据和参数更难获得西部地区，进行参数模拟、参数评估与数据反演非常必要。

(4)流域综合研究的一体化和决策支持发展的必然趋势

流域的研究，需要多学科多领域的协同合作，细化每个过程和对象，然后综合集成研究，形成多学科交叉整体优势。随着水文、生态等各个独立学科研究的逐步深入，将各个要素联系起来进行研究和管理成为流域科学发展的趋势，也亟待一种集成多源数据库(实时观测)、资料知识库、方法库、模型库以及管理决策***为一体的高效的综合性集成环境来支持。需要一个通过提供构建生态-水文模型核心模块来支持模型构建的集成建模框架。

基于建模框架的生态－水文模型构建与参数模拟简介：具有对生态、水文模型的管理与开发能力。是具有普适性的集成建模框架，适用生态、水文领域内模型的集成，对生态、水文类模型具有整体模型运行，模型模块化管理，模型数据管理、模块间耦合及可视化。

随着水文、生态等各个独立学科研究的逐步深入，将各个要素有机整合开展研究成为流域科学发展的趋势，流域模拟研究领域逐步朝模型集成研究发展，建模框架成为支撑模型集成的主要环境。集成建模框架的研发将有利于现有模型资源的组织管理，方便研究人员获取模型信息，在开展模型应用研究的同时，提供模型构建支持，避免冗余开发，节约成本和资源。集成建模框架同时也为模型资源的模块化管理，形成统一的模型和模块规范，研究人员可对模块进行修改、组合、重构，并通过模块之间的耦合构建新模型、改进模型，形成新的模型应用，实现模型和模块的重用和共享。

建模框架将数据、参数和模型组装在一起，优选参数化方案和集成多个模型，以解决多学科集成和资源合理利用的问题。建模框架实现模型、数据、参数在研究人员间的共享和协作，形成数据、模拟计算和可视化的重要平台。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法

基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其方法为：对已有模型进行按照物理过程进行拆分，然后从拆分或积累的模块中优选适合研究区域或对象的各优势模块，或利用建模环境构建新模块，然后基于针对研究的物理过程，基于建模环境内部耦合机理进行模块融合，或替换已有模型中不完善的模块，实现模型重构或改进,集成建模环境在数据层、应用层和用户层的支持下，由前处理部分、模型管理构建与模拟部分、后处理部分组成，重点形成基于高性能计算命令行访问方式的HOME核心***，基于图形化建模便于用户操作的HOME桌面应用***，以及Web与高性能计算结合的HOME Web应用***。

优选地，另外还包括了：变量、模块、容器、模型、建模语言、模型构建运行过程、模型元数据、数据池、数据交换机制、I/O接口。

优选地，所述模块是模型的最小组成单元，具有完整的物理意义。在参数和数据的驱动下，作为一个独立的模型运行。每个模块的变量个数由需要交换的数据对象个数决定，每个变量都定义元数据。标准化模块包括：模块的元数据、一个或多个变量对象、变量元数据、方法(初始化、执行、清理)。

优选地，所述容器是一个特殊的模块，包容了同一时空分辨率的模块集合，控制着模块间的数据传递、模块执行次序、迭代次数，容器是数据交换的最小单元，同一容器中模块间可以互相传递数据，同一容器中的对象具有统一的时空分辨率。

优选地，所述数据池用于保持模块间传递的变量,每个容器具有一个数据池。模块中的变量与数据池中的变量是同一引用对象，占用内存在同一地址。为了在模块间传递变量，定义了一套能用于传递基本数据类型的对象

优选地，所述模型由多个变量和容器组成，所述容器又由多个定义模块和变量组成，所述容器包括HRU容器、时间容器和空间容器。每个容器有一个数据池来保持模块间传递的变量，在模块间传递的变量必须要定义一套能用于传递的基本数据类型对象，封装了25个变量类型,所述容器内模块间的数据交换，定义了数据池数据类型，定义了模块接口、融合器接口和模型接口。

优选地，包含6封面主要核心功能,工程管理：以工程管理的方式管理HOME模型集成；模块管理：将拆分的模块进行管理，以不同的图标形象化的表达；图形化建模：HOME建模语言对应拖拽式的结构化建模和树形建模；模型模拟：HOME模拟运行与输出，日志管理；可视化：时空数据的可视化与统计分析；参数优化：提出一种基于群体的亚启发式协同搜索群智能算法SLF、ABC、GA。

优选地，所述模型模拟解析及运行包括用于实现模型的描述文件的解析，将.hom文件解析为模型描述对象的XML解析；用于通过模型描述对象，装载容器、模块的类，形成一个可运行的模型对象的模型装载；用于通过调用模型的init()、run()、clear()方法运行模型的模型运行和用于提供了不同类型的文件的数据读取方法，模型运行时，从文件中读取数据，并将结果写入文件的数据读写；所述Fortran模型运行包括用于通过ant实现java代码、fortran代码的自动编译，fortran代码自动封装成java模块，并最终将所有的编译结果打成jar包的代码自动编译打包和实现fortran代码被解析后自动生成调用fortran动态链接库的java标准模块代码的Fortran代码自动封装成java模块。

优选地，在HOME中针对黑河流域研究中涉及的水文模型、参数估计及评价方法，实现模型、参数、数据、参数估计方法以及不确定分析方法的耦合关联，构建了流域水文模型的基于群智能优化算法如混合蛙跳算法和人工蜂群算法的参数优化算法，并基于新安江模型进行了测试，建立的蜂群、蛙跳算法的水文参数优化方法，在很大程度上提高水文模型参数估计的成功率和模拟精度。

基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，包括HOME功能结构，所述HOME功能结构包括模拟解析及运行和Fortran模型运行，所述模拟解析及运行包括用于实现模型的描述文件的解析，将.hom文件解析为模型描述对象的XML解析；用于通过模型描述对象，装载容器、模块的类，形成一个可运行的模型对象的模型装载；用于通过调用模型的init()、run()、clear()方法运行模型的模型运行和用于提供了不同类型的文件的数据读取方法，模型的运行时，从文件中读取数据，并将结果写入文件的数据读写；所述Fortran模型运行包括用于通过ant实现java代码、fortran代码的自动编译，fortran代码自动封装成java模块，并最终将所有的编译结果打成jar包的代码自动编译打包和实现fortran代码被解析后自动生成调用fortran动态链接库的java标准模块代码的Fortran代码自动封装成java模块。

进一步的包括util，runtime，model，io，poolData，ui，nap七个包组成，其中util是公共包，用于存放一些公共的方法；runtime包是home的运行控制包；model包是home的核心；io包定义了不同类型数据的读取方法及xml的解析；poolData定义了home的数据类型；ui是用户接口，即home命令行入口；nap包包含了实现fortran代码的自动封装。

进一步的包括定义了模块、容器、模型和变量。优选地，所述模型由多个变量和容器组成，所述容器又由多个定义模块和变量组成，所述容器包括HRU容器、时间容器和空间容器。

优选地，每个容器有一个数据池来保持模块间传递的变量，在模块间传递的变量必须要定义一套能用于传递的基本数据类型对象，封装了25个变量类型。

优选地，所述容器内模块间的数据交换，定义了数据池数据类型，定义了模块接口、融合器接口和模型接口。

优选地，所述模型用xml描述，通过运行时Runtime对象，框架对xml文件进行解析，将它装载成一个可运行的模型对象，最后有Runtime对象调用model对象的init()、run()、clear()方法运行模型。

本发明HOME建模环境主要以模型和模块为管理对象，在提供管理模型的功能的基础上，将各个模型拆分成具有物理意义的多个模块，形成HOME的模块资源库。围绕模型拆分、构建和导入的模块资源，针对一个研究过程，提供通过多个模块的耦合，构建新模型或改进模型的功能；HOME围绕研究的模型或模块，提供模型参数、专题数据管理，提供模型的模拟计算、模拟可视化和数学统计支持，提供参数优化和模型模拟结果评价分析的支持，HOME要支持外部模型、模块的导入，并将导入的模型、模块并入模型库和模块库，提供外部导入模型的测试、验证、模拟和评价，HOME集成建模框架开发了图形化的模型管理与构建工具，包括图形化的模块管理、模型构建、模型运行、参数优化、运行结果可视化等功能。。

附图说明

图1为本发明的HOME框架图；

图2为本发明的HOME功能流程图；

图3为本发明的HOME数据交换机制；

图4为本发明的HOME数据交换机制示意思；

图5是本发明的HOME模块定义；

图6是本发明的模型构建与运行流程；

图7是本发明的Fortran模块编译图；

图8是本发明的参数优化。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图8所示，基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其方法为：对已有模型进行按照物理过程进行拆分，然后从拆分或积累的模块中优选适合研究区域或对象的各优势模块，或利用建模环境构建新模块，然后基于针对研究的物理过程，基于建模环境内部耦合机理进行模块融合，或替换已有模型中不完善的模块，实现模型重构或改进,集成建模环境在数据层、应用层和用户层的支持下，由前处理部分、模型管理构建与模拟部分、后处理部分组成，重点形成基于高性能计算命令行访问方式的HOME核心***，基于图形化建模便于用户操作的HOME桌面应用***，以及Web与高性能计算结合的HOMEWeb应用***。

进一步的，另外还包括了：变量、模块、容器、模型、建模语言、模型构建运行过程、模型元数据、数据池、数据交换机制、I/O接口，所述模块是模型的最小组成单元，具有完整的物理意义。在参数和数据的驱动下，作为一个独立的模型运行。每个模块的变量个数由需要交换的数据对象个数决定，每个变量都定义元数据。标准化模块包括：模块的元数据、一个或多个变量对象、变量元数据、方法(初始化、执行、清理)，所述容器是一个特殊的模块，包容了同一时空分辨率的模块集合，控制着模块间的数据传递、模块执行次序、迭代次数，容器是数据交换的最小单元，同一容器中模块间可以互相传递数据，同一容器中的对象具有统一的时空分辨率。

进一步的，所述数据池用于保持模块间传递的变量,每个容器具有一个数据池。模块中的变量与数据池中的变量是同一引用对象，占用内存在同一地址。为了在模块间传递变量，定义了一套能用于传递基本数据类型的对象，所述模型由多个变量和容器组成，所述容器又由多个定义模块和变量组成，所述容器包括HRU容器、时间容器和空间容器。每个容器有一个数据池来保持模块间传递的变量，在模块间传递的变量必须要定义一套能用于传递的基本数据类型对象，封装了25个变量类型,所述容器内模块间的数据交换，定义了数据池数据类型，定义了模块接口、融合器接口和模型接口。

进一步的，包含6封面主要核心功能,工程管理：以工程管理的方式管理HOME模型集成；模块管理：将拆分的模块进行管理，以不同的图标形象化的表达；图形化建模：HOME建模语言对应拖拽式的结构化建模和树形建模；模型模拟：HOME模拟运行与输出，日志管理；可视化：时空数据的可视化与统计分析；参数优化：提出一种基于群体的亚启发式协同搜索群智能算法SLF、ABC、GA，所述模型模拟解析及运行包括用于实现模型的描述文件的解析，将.hom文件解析为模型描述对象的XML解析；用于通过模型描述对象，装载容器、模块的类，形成一个可运行的模型对象的模型装载；用于通过调用模型的init()、run()、clear()方法运行模型的模型运行和用于提供了不同类型的文件的数据读取方法，模型运行时，从文件中读取数据，并将结果写入文件的数据读写；所述Fortran模型运行包括用于通过ant实现java代码、fortran代码的自动编译，fortran代码自动封装成java模块，并最终将所有的编译结果打成jar包的代码自动编译打包和实现fortran代码被解析后自动生成调用fortran动态链接库的java标准模块代码的Fortran代码自动封装成java模块。

进一步的，在HOME中针对黑河流域研究中涉及的水文模型、参数估计及评价方法，实现模型、参数、数据、参数估计方法以及不确定分析方法的耦合关联，构建了流域水文模型的基于群智能优化算法如混合蛙跳算法和人工蜂群算法的参数优化算法，并基于新安江模型进行了测试，建立的蜂群、蛙跳算法的水文参数优化方法，在很大程度上提高水文模型参数估计的成功率和模拟精度。

基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，包括HOME功能结构，所述HOME功能结构包括模拟解析及运行和Fortran模型运行，所述模拟解析及运行包括用于实现模型的描述文件的解析，将.hom文件解析为模型描述对象的XML解析；用于通过模型描述对象，装载容器、模块的类，形成一个可运行的模型对象的模型装载；用于通过调用模型的init()、run()、clear()方法运行模型的模型运行和用于提供了不同类型的文件的数据读取方法，模型的运行时，从文件中读取数据，并将结果写入文件的数据读写；所述Fortran模型运行包括用于通过ant实现java代码、fortran代码的自动编译，fortran代码自动封装成java模块，并最终将所有的编译结果打成jar包的代码自动编译打包和实现fortran代码被解析后自动生成调用fortran动态链接库的java标准模块代码的Fortran代码自动封装成java模块。

进一步的包括util，runtime，model，io，poolData，ui，nap七个包组成，其中util是公共包，用于存放一些公共的方法；runtime包是home的运行控制包；model包是home的核心；io包定义了不同类型数据的读取方法及xml的解析；poolData定义了home的数据类型；ui是用户接口，即home命令行入口；nap包包含了实现fortran代码的自动封装。

进一步的包括模块(component)、容器(context)、模型(model)、变量(AttributeAccess)。

进一步的，所述模型由多个变量和容器组成，所述容器又由多个模块和变量组成，所述容器包括HRU容器、时间容器和空间容器。

进一步的，每个容器有一个数据池来保持模块间传递的变量，在模块间传递的变量必须要定义一套能用于传递的基本数据类型对象，封装了25个变量类型。

进一步的，所述容器内模块间的数据交换，定义了数据池数据类型，定义了模块接口、融合器接口和模型接口，所述模型用xml描述，通过运行时Runtime对象，框架对xml文件进行解析，将它装载成一个可运行的模型对象，最后有Runtime对象调用model对象的init()、run()、clear()方法运行模型。

进一步的，标准化模块包括模块的元数据、一个或多个变量对象、变量元数据、方法(初始化、执行、清理)。

本发明HOME建模环境主要以模型和模块为管理对象，在提供管理模型的功能的基础上，将各个模型拆分成具有物理意义的多个模块，形成HOME的模块资源库。围绕模型拆分、构建和导入的模块资源，针对一个研究过程，提供通过多个模块的耦合，构建新模型或改进模型的功能；HOME围绕研究的模型或模块，提供模型参数、专题数据管理，提供模型的模拟计算、模拟可视化和数学统计支持，提供参数优化和模型模拟结果评价分析的支持，HOME要支持外部模型、模块的导入，并将导入的模型、模块并入模型库和模块库，提供外部导入模型的测试、验证、模拟和评价，HOME开发了基于图形化的模块耦合建模功能，图形化的***管理与应用功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：其方法为：对已有模型进行按照物理过程进行拆分，然后从拆分或积累的模块中优选适合研究区域或对象的各优势模块，或利用建模环境构建新模块，然后基于针对研究的物理过程，基于建模环境内部耦合机理进行模块融合，或替换已有模型中不完善的模块，实现模型重构或改进,集成建模环境在数据层、应用层和用户层的支持下，由前处理部分、模型管理构建与模拟部分、后处理部分组成，重点形成基于高性能计算命令行访问方式的HOME核心***，基于图形化建模便于用户操作的HOME桌面应用***，以及Web与高性能计算结合的HOME Web应用***。

2.如权利要求1所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：另外还包括了：变量、模块、容器、模型、建模语言、模型构建运行过程、模型元数据、数据池、数据交换机制和I/O接口。

3.如权利要求2所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：所述模块是模型的最小组成单元，在参数和数据的驱动下，作为一个独立的模型运行，每个模块的变量个数由需要交换的数据对象个数决定，每个变量都定义元数据，标准化模块包括：模块的元数据、一个或多个变量对象、变量元数据和方法。

4.如权利要求2所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：所述容器是一个特殊的模块，包容了同一时空分辨率的模块集合，控制着模块间的数据传递、模块执行次序、迭代次数，容器是数据交换的最小单元，同一容器中模块间可以互相传递数据，同一容器中的对象具有统一的时空分辨率。

5.如权利要求2所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：所述数据池用于保持模块间传递的变量,每个容器具有一个数据池，模块中的变量与数据池中的变量是同一引用对象，占用内存在同一地址，为了在模块间传递变量，定义了一套能用于传递基本数据类型的对象。

6.如权利要求2所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：所述模型由多个变量和容器组成，所述容器又由多个定义模块和变量组成，所述容器包括HRU容器、时间容器和空间容器。每个容器有一个数据池来保持模块间传递的变量，在模块间传递的变量必须要定义一套能用于传递的基本数据类型对象，封装了25个变量类型,所述容器内模块间的数据交换，定义了数据池数据类型，定义了模块接口、融合器接口和模型接口。

7.如权利要求1所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法、其特征在于，进一步包含6封面主要核心功能,工程管理：以工程管理的方式管理HOME模型集成；模块管理：将拆分的模块进行管理，以不同的图标形象化的表达；图形化建模：HOME建模语言对应拖拽式的结构化建模和树形建模；模型模拟：HOME模拟运行与输出，日志管理；可视化：时空数据的可视化与统计分析；参数优化：提出一种基于群体的亚启发式协同搜索群智能算法SLF、ABC、GA。

8.如权利要求1所述的基于建模框架的生态水文模型构建与参数模拟方法，其特征在于：所述模型模拟解析及运行包括用于实现模型的描述文件的解析，将.hom文件解析为模型描述对象的XML解析；用于通过模型描述对象，装载容器、模块的类，形成一个可运行的模型对象的模型装载；用于通过调用模型的init()、run()、clear()方法运行模型的模型运行和用于提供了不同类型的文件的数据读取方法，模型运行时，从文件中读取数据，并将结果写入文件的数据读写；所述Fortran模型运行包括用于通过ant实现java代码、fortran代码的自动编译，fortran代码自动封装成java模块，并最终将所有的编译结果打成jar包的代码自动编译打包和实现fortran代码被解析后自动生成调用fortran动态链接库的java标准模块代码的Fortran代码自动封装成java模块。

9.如权利要求3所述的参数优化方法，其特征在于：在HOME中针对黑河流域研究中涉及的水文模型、参数估计及评价方法，实现模型、参数、数据、参数估计方法以及不确定分析方法的耦合关联，构建了流域水文模型的基于群智能优化算法如混合蛙跳算法和人工蜂群算法的参数优化算法，并基于新安江模型进行了测试，建立的蜂群、蛙跳算法的水文参数优化方法，在很大程度上提高水文模型参数估计的成功率和模拟精度。