淺談“智慧水利”

鄭燦堂，王慶華 ，張洪芳

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013；2.銀泉科技有限公司，山東 濟南 250101；3.濱州市海河管理局，山東 濱州 256600）

“智慧水利”是當前國內水利系統的熱門話題，“智慧水利”研究和建設方興未艾。筆者根據自己對“智慧水利”的認識和研究，談一點膚淺體會，以期與有志于此者商榷。

1 “智慧水利”產生的背景

伴隨著全球信息化浪潮，“智慧水利”這一詞匯也漸入人們的視野?！爸腔鬯笔恰爸腔鄣厍颉薄ⅰ爸腔壑袊?、“智慧城市”理念的行業延伸。

“智慧地球”（Smarter Planet）這一理念，是 2008年11月6日，美國IBM公司董事長兼CEO彭明盛（Palmisano）在紐約召開的對外關系理事會上發表題為《“智慧地球”：下一代領導人議程》的講話中，首次正式提出來的?！爸腔鄣厍颉币卜Q為“智能地球”，就是把感應器嵌入或裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成所謂的“物聯網”。然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合（百科名片）。在這個整合的網絡中，存在能力強大的中心計算機集群，能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理和控制。在此基礎上，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。

目前，全國已有28個省、市將物聯網作為新興產業發展的重點之一。若干一級城市已經提出了建設“智慧城市”的詳細規劃，80%以上的二級城市也明確提出了類似的發展目標。

為了應對全球氣候變化和人類劇烈活動導致的洪澇災害、干旱缺水、水體污染、水土流失等復雜的水務問題,推動水利信息化水平向更高層次發展，我國水利工作者借鑒“智慧地球”的理念提出了“智慧水利”這一概念。

2 “智慧水利”在我國的發展概況

近年來，中國水利水電科學研究院以及江蘇、浙江、福建、山東等地也紛紛上馬“智慧水利”項目。2010年初，江蘇省即借力物聯網技術，開始打造“智慧水利”系統。上海市“十二五”規劃中明確提出要建設“智慧水網”，現已取得了長足進展。山東省水利科學研究院與銀泉科技有限公司雙方共同研發的 《基于云計算架構的智慧水利》行業解決方案，榮獲美國IBM公司系統與科技事業部大中華區2011年度“最佳行業方案獎”。雙方共同研發的《基于云計算架構的萊蕪市水利信息綜合管理與決策支持系統》已安裝就位，開始試運行。雙方共同編撰的《山東省肥城市智慧水網規劃建設實施方案》已完成待批。

3 “智慧水利”的定義

由于“智慧水利”是近幾年出現的新概念，迄今尚無一個得到大家公認的定義，而且對于“智慧”一詞比較權威的定義也不盡相同。例如，《新華字典》對“智慧”一詞的定義是迅速、靈活、正確地理解事物和解決問題的能力。百度百科對“智慧”一詞的定義是由智力體系、知識體系、方法與技能體系、非智力體系、觀念與思想體系、審美與評價體系等，多個子系統構成的復雜系統。維基百科對“智慧”一詞的定義是高等生物所具有的基于神經器官（物質基礎）一種高級的綜合能力，包含有：感知、知識、記憶、理解、聯想、情感、邏輯、辨別、計算、分析、判斷、文化、中庸、包容、決定等多種能力。

百度百科對“水利”的定義是：對自然界的水進行控制、調節、治導、開發、管理和保護，以防治水旱災害，并開發利用水資源的各項事業和活動。

歸納上述定義，“智慧水利”可以理解為是基于物質基礎的、由多個子系統構成的、能夠迅速正確地感知、記憶、理解、計算、分析、判斷、解決各種水利問題的高級綜合能力。

參照上述內容，借鑒“智慧地球”的理念，可以從技術角度將“智慧水利”定義為：“智慧水利”是以水利設施設備和設置在其上的傳感網、物聯網設備，以及海量存儲器、多媒體設備、計算機集群等實體信息設備為基礎，以水利專網、衛星通訊網、互聯網、泛在網等現代通信設施和技術為紐帶,運用遙感、地理信息系統、全球定位系統、數據處理、虛擬現實、實景增強、仿真模擬、智能分析，以及云計算等技術建立起來的客觀感知、實時采集、安全傳輸、海量存儲、信息集成、分析處理、科學決策、及時反饋、智能控制、信息共享的水利網絡信息服務環境。其中，水利設施設備可包括水庫大壩、江河堤防、涵閘泵站、井窖池塘、溝渠管線、工具車輛等，物聯網設備可包括林林總總的傳感器節點、射頻標簽、感知芯片、監控探頭、衛星定位、手機、掌上電腦、個人電腦等信息終端。

4 “智慧水利”的愿景

隨著無線傳感網、物聯網、普適計算、情景感知、實景增強等高新技術的發展和運用，世界萬物在貼上射頻標簽或嵌入感知芯片后都變成了可以感知和自治的“智慧生物”。不管你是在家、在辦公室，還是在工程現場，都可以手持掌上電腦（PDA）“感、視、令”各種“智慧生物”。如檢測水庫大壩，當把PDA朝向壩體時，會看到壩內滲壓傳感器當前的壓力和安全范圍、測縫傳感器的縫隙量和預警范圍。

測量土壤墑情時，將PDA對準麥田里的智慧傳感器，馬上會知道土壤水分含量、光照強度、麥子生長狀況；當你想啟動機井水泵、打開分水閘門時，輕觸PDA中“智慧生物”的觸覺，它就為你啟泵、開閘。

當然，上述命令也可不必你親自在PDA上下達：當“墑情智能生物”感到干渴時，它自己會通過物聯感知網告訴“水泵智能生物”開泵抽水；當“墑情智能生物”喝飽后它又告訴“水泵智能生物”關機?，F實中的你只需要通過PDA告訴“墑情智能生物”水分缺到什么程度時才需要發出喝水的請求，告訴智能雨量感應器“感雨智能生物”多久沒有降雨就發出報警，告訴“水泵智能生物”在接到“墑情智能生物”、“感雨智能生物”、“作物感知智能生物’、數據中心氣象預報未來雨情等閾值時請自動抽水灌溉。

你也可以預先通過PDA告訴這些“智能生物”在感覺“不舒服”的時候告訴“我”，這樣，你就可以在家、辦公室或其他任何地方感知它們的 “身體和工作”狀況了，甚至還可以給它們“安慰和治療”。

無所不在、無所不感、無所不治。麥子告訴渠道要喝水、渠道告訴水閘要輸水，水閘聽到互聯網天氣預報說今明兩天大雨概率60%，它拿不定主意開不開閘放水，它又呼叫他的主人“水管PDA”給它做主，主人在PDA上發出先給最渴的麥田喝水，明天如果收到“感雨智能生物”雨量超過20 mm的報告就關閉閘門，如果小于20 mm就繼續開閘。這就是泛在網，這就是智慧感知。人和貼上射頻標簽或嵌入感知芯片的物體都是“生物”，每時每刻、天涯海角的這些“生物”都在相互溝通，而你和我是智慧“生物”的“智慧思維程序”的開發者、輸入者，是他們的主人。泛在的“智慧水利”就是人們想要的現代信息設備和技術與水利實體設施設備深度融合的模式。

5 “智慧水利”技術框架

“智慧水利”是架構在實體水利設施之上、現代信息設備和技術支撐下、以區域（省、市、縣）或流域云服務平臺為核心、以水利各專業應用與決策支持為目標的高度智能化的信息系統。該系統主要由信息采集層、通信網絡層、信息處理層和應用服務層構成（見P64頁附圖）。

5.1 信息采集層

該層是“智慧水利”的基礎。它包括傳感器節點、射頻標簽、感知芯片、監控探頭、衛星定位、手機、掌上電腦、個人電腦等信息終端，構成智能型分布式自動監測監控系統，用來監測監控水庫大壩、江河堤防，涵閘泵站、井窖池塘，溝渠管線、工具車輛等實體水利設施，實時采集諸如水位、水質、流速、流量、閘門開度、供水壓力以及水情、雨情、墑情、工情、災情等數據信息。該層需要突出的重點是泛在互聯、人物相聯、物物相聯、智慧推送、成本低廉、易于維護。

5.2 通信網絡層

該層是信息的傳輸通道。它包括水利專網、衛星通訊網、因特網、電信運營商的2G-3G-4G移動通信網和 WiMax、Zigbee、WLAN 等無線網。

5.3 信息處理層

該層是信息匯集、存儲、計算、分析、決策、反饋、處置的樞紐，是“智慧水利”的核心，相當于人的大腦。信息處理層實際上是基于云計算架構的數據中心，或稱之為“云平臺”。

云計算是一種基于互聯網的、大眾參與的計算模式，其計算資源（計算能力、存儲能力、交互能力等）是動態、可伸縮且被虛擬化的，以服務的方式提供。這種新型的計算資源組織、分配和使用模式，有利于合理配置計算資源并提高其利用率，促進節能減排，實現綠色計算。云計算平臺是云計算中心的內部支撐，處于云計算體系核心。對內將不同的計算資源和服務統一管理，隱藏了復雜的軟硬件配置、擴展、升級，以及故障修復等，使用戶無需面對系統軟件、中間件和應用軟件，而直接轉向定制服務功能。對外提供了通用的、集成的、便捷的使用所有計算資源的手段和人機交互接口，讓用戶通過無所不在的網絡方便高效地獲取服務和進行信息處理；同時，他還可以根據需求的變化，自動地對計算資源進行分配和調度，實現高度“彈性”的縮放和優化使用。實際上，云計算平臺實現了計算資源在組織和管理模式上的規?；?、集約化和專業化。

大量傳感器感知的海量數據通過通信網絡層傳輸到云計算平臺的云存儲，云存儲會按照國家標準和行業標準進行分類，按照類別將所有數據有序地存儲在云計算數據中心，部署在云計算平臺的防汛抗旱指揮、水利行政資源管理、水資源管理決策、水質監測與評價、水土保持監測與管理、水利工程建設與管理、農村水利建設與管理、水利規劃設計管理、水利工程移民管理、水利專業數字圖書館、水利信息公眾服務等軟件系統，隨時按照用戶要求處理這些海量數據。

5.4 應用服務層

該層相當于人的思維和行動。應用服務層可以分為兩個方面：一方面是自動響應，可以事先做好各種數學模型，對各種事務做好各種預案，一旦某種條件符合，系統會自動響應，向云計算平臺發出請求，云計算平臺會自動分析處理這些請求。比如蔬菜大棚的某種蔬菜，通過傳感器感知光照不足，向云計算平臺發出請求，云計算平臺的相應軟件系統根據相應的數據進行分析后，向該大棚的相關設備發出指令，在晚上光照不足時自動開啟相關燈光補充照明；溫度過高時會及時開啟相關通風設備通風或通過噴淋設備噴水降溫。另一方面是隨時按照用戶的請求，分析處理各種信息數據，為領導和相關人員提供決策依據。比如汛期，連續的陰雨天氣已經使得某水庫水位處于臨界狀態，對水庫泄洪量的把握怎樣決策，系統會根據當前水庫上游各個雨量檢測點的實時數據，以及當前水庫水位狀況，再根據天氣預報情況，為決策者提供水庫泄洪量的參考數據；根據預案和泄量，系統也會自動設定閘門開度，開閘泄洪。泄出的洪水對下游的影響會以三維地圖的形式展現在決策者面前。

6 結語

水利行業是一個信息密集的行業，無論是水利工程建設還是水資源管理，都離不開建立在對相關信息進行大量采集、分析處理基礎之上的科學決策。無論是防洪、排澇、蓄水、抗旱等方面的水利工作，還是供水、排水、污水處理、中水回用等各個環節的水利工作，都需要緊密聯系，統一規劃、統一建設、統一調度、合理配置；將區域（省、市、縣）或流域范圍內的地表水與地下水、城市水與農村水、水量與水質、水體與環境統籌考慮，綜合管理，這就需要通過先進的信息技術對水資源的開發、利用、管理與保護的方方面面、時時刻刻產生的信息進行采集，通過傳感網、物聯網和互聯網等傳送到數據中心，通過仿真模擬等技術對上傳的數據進行分析處理，科學決策，給相應對象以及時反饋，智能監控。相關信息和處置結果同時共享給政府、有關單位或社會公眾。因此，深化“智慧水利”研究，加快“智慧水利”建設，是十分必要的。

［1］蔣云鐘，冶運濤，王浩.智慧流域及其應用前景.系統工程理論與實踐，2011（6）.

［2］陳陽宇.數字水利.北京：清華大學出版社，2011.

［3］劉慶濤，崔瑞玲，耿丁蕤.水利信息云建設初探.水利信息化，2012（2）.

［4］李德毅，林潤華，李兵.2012云計算技術發展報告.北京：科學出版社，2012.