智慧水利的發展和關鍵技術研究

□王超鋒 □安根鳳 □袁春麗

(1虞城縣水務局；2許昌市水利規劃設計院；3河南方正水利工程咨詢有限公司)

1 背景及現狀

1.1 智慧水利產生的背景

2009年1月28日美國工商業領袖舉行了一次“圓桌會議”，IBM首席執行官彭明盛（SamPalmisano）首次提出“智慧的地球”（以下簡稱智慧地球）這一概念，建議新政府投資建設下一代智慧型基礎設施。“智慧地球”也稱為“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“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。在這個整合的網絡中，需要能力強大的中心計算機集群，能夠對整合網絡內的人員、設備和基礎設施實施實時的管理和控制。伴隨著全球信息化浪潮和“智慧地球”的提出，“智慧水利”這一詞匯開始進入人們的視野。“智慧水利”是“智慧地球”、“智慧城市”理念的行業延伸[1]。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”的概念。

1.2 我國水利信息化現狀

作為我國水利現代化發展的重要標志及主要內容，水利信息化建設一直以來都是我國信息化建設中的重要組成部分。近些年來，國家水利部陸續實施了一系列水利信息化建設戰略，如今，我國水利信息化建設正在以飛快的速度發展[2]。隨著水利信息化建設的開始，我國水利信息化曾領先于其他信息行業，并取得了矚目的成績，這主要體現在計算機技術、通信技術以及網絡等多項技術的應用方面，水利基礎信息在遙感、遙測等信息技術的推動下得到了快速的傳輸及有效的處理，國內水利系統已經初步實現了水情、雨情等相關信息的采集、處理、傳輸、接收、監測以及洪水聯機預報，并在全國范圍內進行了國家水文數據庫的建立，并取得了一定的成果。

水利系統的辦公自動化建設實現了遠程文件的傳輸以及檔案及公文的聯機管理，并建立了一個同各省、自治區及直轄市相連接的水情信息實時傳輸廣域網，我國的防汛指揮系統工程初步建成，并得到一定程度的應用。

1.3 建設智慧水利的驅動因素

1.3.1 戰略需求

水資源的綜合管理迫切需要通過先進的IT技術對流域水資源開發利用與保護各環節的信息進行實時采集和全程監控，構建水利數學模型來對數據的快速處理和分析，通過物聯網將各類信息和分析結果提供給政府、企事業機構和公眾，從而達到水利信息實時的感知、互聯互通、高度信息化、高度智能化的效果。

1.3.2 技術推動

近年來，信息技術得到了快速的發展，無線傳感，云計算，物聯網等日益成熟，為智慧水利發展提供了堅實的基礎。云計算平臺由數千臺、甚至更多的服務器組成龐大的集群，能夠提供無限量的存儲空間和計算能力，滿足實時數據存儲、管理、處理、分析、計算和可視化的要求。

2 智慧水利的特征

2.1 認識智慧水利

“智”指智能化、自動化，“慧”指人文化、創造力。“水利”一詞解釋為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，開發利用水資源的各項活動。因此，“智慧水利”是基于物質基礎的、能夠迅速正確地感知、并且進行智能的計算、分析、判斷、解決各種水利問題的高級綜合能力。借鑒“智慧地球”的理念，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、泛在網絡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、智能分析，以及云計算等技術建立起來的水利網絡信息服務環境。它自動、實時地感知水資源、水環境、水過程及各種水利工程的各關鍵要素、關鍵點、關鍵位置和關鍵環節的數據;通過信息通信網絡傳送到在線的數據庫、數據倉庫和云存儲中;在虛擬水空間，利用云計算、知識挖掘、自然計算等智能計算技術進行數據處理、建模和推演，做出科學優化的判斷和決策，并反饋給水利管理中或設備，采取相應的措施和行動有效解決水利科技和水利行業的各種問題，提高水資源的利用率、水利工程的效果和效益以及工作效率，有效保護水資源與水環境，防災減災，實現人水和諧。智慧水利是智慧地球的思想與技術應用于水利行業的結果。

2.2 智慧水利的特征

一是全面的感知：利用可以隨時隨地感知、測量和傳遞信息的設備、系統，通過這些設備，將水循環過程中的各種水情信息快速獲取并進行分析，便于快速采取應對措施和進行長期的規劃。二是可靠的傳遞：通過各種形式的高速寬帶通信網絡工程，將個人設備、組織和政府系統中收集和存儲的分散信息及數據連接起來，進行交互和多方共享，從而更好地對水利管理業務狀況進行實時監控。從全局全方位的角度分析解決問題，使得多種工作可以通過多方協作得以遠程完成，從而徹底改變目前水利管理的運作方式，真正意義上實現水資源綜合利用和管理。三是科技創新的應用：通過科技創新為政府、企業和個人提供高效、便捷的業務應用，為水利信息化提供發展動力。四是統一協作：通過統一的水利綜合信息管理平臺，實現各個主要運行系統之間的協同運作，達成最優的運行狀態。

3 智慧水利的總體框架

3.1 智慧水利的要素構成

3.1.1 感知層

通過在水利工程管理對象中廣泛設置智能設備和傳感器實現智能感知，自動采集包括水雨情、水土保持、水質、工程運行、工程安全、視頻監視等基礎信息。該層是信息的采集層。

3.1.2 信息處理層

信息處理層是信息匯集、存儲、分析、計算、決策、處置的中心，是“智慧水利”的核心層。信息處理層實際上是基于云計算架構的數據中心。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，云存儲能夠按照國家標準和行業標準進行分類，按照類別將數據按照一定規則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調度系統、水行政管理、水資源管理決策支持系統、水質監測與評價、水土保持監測、水利工程建設與管理、農村水利建設與管理、水利信息公眾服務等軟件系統，按照要求及時處理這些海量數據。

3.1.2 應用層

該層是智慧水利構成要素的重要組成部分。應用服務層可以分為兩個方面：一方面是自動響應，可以事先做好各種事件的應用模型，對這些事務做好各種預案，一旦某種事件條件符合，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，提出處理方案。另一方面是按照用戶的請求，分析處理各種信息，應用數據庫、數據倉庫和數據挖掘技術，得到用戶請求的事件處理方案，為部門決策人員提供決策依據。

3.1.3 保障環境

智慧水利系統的運行離不開安全可靠的保障環境。通過制定和頒布水利行業信息化標準確保系統融合、資源共享的基本要求；通過建立安全策略、安全法規、安全管理、安全標準、安全技術、安全基礎設施和安全服務等安全體系，保證智慧水利的健康、有序發展；通過建立建全運行管理體系加強智慧水利建設的組織協調，合理配置資源，提高管理的效率，使智慧水利建設滿足國民經濟發展要求。

3.2 智慧水利的關鍵技術

3.2.1 智能感知技術

利用各種先進靈敏的信息傳感設備和系統，如無線傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置等，對系統所需的防洪、供水、航運和工程等各類信息進行實時的監測、采集和分析。如應用射頻識別技術，通過對流域中的水工建筑物、水文測站、量測設備等裝備射頻標簽，能夠自動獲取水工建筑物的特征數據和水文測站信息。無線傳感器網絡通過裝備和嵌入到流域中的各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種流域環境或監測對象信息，然后將這些信息以無線方式發送出去，以自組多跳的網絡方式傳送到用戶端，實現物理流域、計算流域和人類社會三元世界的連通，是感知自然水循環和社會循環過程水情信息的重要組成部分。

3.2.2 三維3S技術

3S技術是遙感技術(Remote sensing，RS)、地理信息系統(Geography information system，GIS)和全球定位系統(Global positioning system，GPS)的統稱，是利用遙感、空間地理信息、衛星定位與導航以及通信網絡等技術，實現對空間信息進行采集、分析、傳輸和應用的一項現代信息技術。隨著3S技術的不斷發展，將遙感、全球衛星定位系統和地理信息系統緊密結合起來的“3S”一體化技術已顯示出更為廣闊的應用前景[3]。智慧水利系統設計對現有水利技術進行了延伸，將RS、GIS、GPS三種技術集成，構成一個強大的技術體系，并且加入三維分析和可視化技術，更加直觀準確的實現對各種水利工程空間信息和環境信息的快速、準確、可靠的收集、處理與更新，為防汛抗旱、水資源調度管理決策、水質監測與評價、水土保持監測與管理等業務系統提供決策支持。

3.2.3 云計算與云存儲技術

云計算（cloud computing）通過虛擬化、分布式處理和寬帶網絡等技術，使得互聯網資源可以隨時切換到所需的應用上，用戶可以按照“即插即用”的方式，根據個人需求來訪問計算機和存儲系統，實現所需要的操作。其強大的計算能力可以模擬水資源調度、預測氣候變化、發展趨勢等。云計算的應用會使任何大尺度和高精度的實時模擬計算成為可能．通過云計算，將流域或河流模擬程序拆分成無數個較小的子程序，通過網絡交換由分布式計算機所組成的龐大系統搜索、計算分析之后將處理結果回傳給用戶，這樣對局部河段或者流域干流的高精度的三維模擬從理想變成現實。現有的多數“半分布式”系列模型將向“完全分布式”系列模型轉變，其中對水循環過程的模擬是采用二維或者三維水動力學及其伴生過程模型。云存儲是在云計算概念基礎上延伸和發展的一個新概念，是以數據存儲和管理為核心的云計算系統．通過云存儲技術，流域中海量的原型觀測、實驗數據和數學模型計算的歷史數據和實時數據以及流域管理的自然、社會、經濟等數據的存儲將不再受制于硬盤空間。

3.2.4 物聯網技術

物聯網具有基于標準的操作通信協議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，與信息網絡無縫整合。在流域中的主要應用就是將感應器嵌入和裝備到水質監測斷面、供水系統、輸水系統、用水系統、排水系統、大壩、水文測站等各種水利工程或設施中，通過互聯網連接起來，形成所謂的“流域物聯網”。

4 結語

水利行業是一個信息密集化的行業，水利工程的規劃、設計、建設和管理，都必須對相關海量信息進行采集、分析和處理，并進行科學合理決策。無論是防洪、排澇、抗旱、水環境保護方面，還是供水、排水、污水處理、中水回用等各個環節的水利工作，也都是緊密聯系的，這就需要通過先進的信息技術進行智能化的分析處理和決策。海量信息通過傳感網、物聯網和互聯網等傳送到數據中心，利用仿真模擬等技術對上傳的數據進行分析處理，科學決策，對水利事件及時反饋和智能監控。對相關信息和處置結果及時上報給政府、有關單位或社會公眾。在我國經濟和社會的發展過程中，水利信息化一直發揮著重要的作用。因此，加快智慧水利建設，推進現代化通信技術、物聯網技術、遙測遙感技術等高新技術在水資源管理、暴雨洪水監測預報、防洪抗旱指揮調度、水利工程運行管理等方面的應用，對于水利現代化建設具有非常重要意義。

[1]李德仁，龔健雅，邵振峰．從數字地球到智慧地球[J]．武漢大學學報:信息科學版，2010，35(2):127－132.

[2]蔣云鐘，冶運濤，王浩.智慧流域及其應用前景[J].系統工程理論與實踐，2011（6）：1174-1181.

[3]王禮仁，陳波，楊陽，等．3S技術在數字水利中的應用[J]．測繪科學，2008，33(3):210－212.