物聯網在智慧水利領域的應用

宋倍 朱子建 張昴

摘要 “智慧水利”這一新興概念，是由物聯網與傳統水利業務相碰撞而產生的。 “智慧水利”雖已在流域信息感知、數據智能處理、業務智能分析決策等方面獲得了一定成果，但與物聯網在其他領域的應用研究相比，尚處于起步階段。本文對物聯網在“智慧水利”的應用研究現狀進行梳理，分析并提出了若干尚待解決的關鍵問題。

[關鍵詞]物聯網 智慧水利

物聯網、云計算、大數據技術的發展，為水利信息化建設注入了新的活力。具有“感知化、互聯化和智能化”特點的物聯網及其廣泛應用，極大地提升了各行業信息化服務的規范性、高效性和易用性，使水利信息化發展進入了新的階段。

1 物聯網與智慧水利

物聯網概念提出以來，通過在交通、物流、電力、醫療、農業、城市管理等領域的應用實踐，形成了眾多理論成果，產生了巨大的經濟社會效益。

受物聯網廣泛應用的啟發，結合水資源供需與配送具有物流的典型特征的特點，王光謙等提出了智慧水利的概念。智慧水利也被稱為智慧水網、水聯網等。但是，水流又不同于物流，傳統上對水流“場”和“質”的雙重描述使水聯網在研究和應用上，與物聯網相比面臨著更復雜和特殊的困難。智慧水利基于物聯網思想，實現對整個水循環過程進行實時感知、過程跟蹤和動態模擬，對市場水網和物理水網進行信息融合和數據挖掘，實現水資源的優化配置和智能監管，從而提升水資源效能。

水資源短缺、水環境污染等問題日益突出，極端天氣導致的洪旱災害等對社會民生產生極大影響，傳統水利行業面臨嚴峻考驗。物聯網相關技術的發展應用，為智能化解決水利問題提供了有效措施。

2 智慧水利研究進展

物聯網相關技術在智慧水利領域的研究和應用，主要集中在實時感知、水信互聯、過程跟蹤、智能處理等方面。利用物聯網的數據獲取和環境感知技術，研究和提升各類水信息監測設備數據獲取的時效性和準確性;借鑒物聯網在智能識別、跟蹤定位和監控管理等方面的成果，對流域水資源調配過程、水環境變化過程、水文要素演變過程及其他水利要素的運動過程進行全方位跟蹤監控，從時間和空間上實現精細化管理;利用物聯網在動態、開放和不可控的環境下從流域各業務系統獲取和處理數據的能力，完成流域水信息共享;利用物聯網在工業智能控制、領域知識處理及大數據分析等方面的研究成果，提升水利業務處理效率和準確性，逐步實現智慧水利。

2.1 水利信息全面感知

通過物聯網技術獲取更全面、更完整的信息，使智慧水利的智能傳感系統覆蓋自然和社會水循環的全過程。

在水環境監測領域，通過利用大量隨機分布的無線傳感器，實現對復雜水域，尤其是很少或者沒有布設基礎設施的地區，進行水環境進行監測，并利用物聯網相關技術解決數據處理、通信傳輸、傳感器網絡維護等問題;在水下傳感器通信組網方面，通過研究水下傳感器網絡關鍵協議、信息處理技術，解決水下信道低帶寬、高延遲和可靠性低等問題;在土壤墑情監測和智能灌溉方面，利用物聯網相關通信技術，實現低功耗、高穩定性的持續監測。

利用物聯網的實時全面感知技術和多載體自動組網、異構網絡單元的互聯技術，提高流域信息實時全面感知能力。

2.2 水利數據智能處理

通過物聯網技術對異構數據的分析、集成和標準化技術，實現水信息異構數據預處理。由于傳感器及監測指標的多樣性，采集數據具有不同的名稱、格式和數據結構，不便于直接存儲或處理，監測站和監控中心之間存在著多種類型的海量信息傳輸，對數據實時處理有嚴格要求。研究海量數據的高效壓縮、分布式數據存儲、混合多層次索引技術以及構建智能搜索引擎，以提高數據庫存儲效率、減少網絡傳輸量、實現快速搜索。

在水利數據資源整合方面，利用面向對象概念建立水利數據模型，實現對水利對象的唯一描述，解決領域數據“一數多源”問題，保證信息廣泛共享。在領域知識發現處理方面，利用在線數據挖掘技術進行在線數據分析，建立知識發現模型，從各類涉水數據或相關領域數據發現自然和社會水循環規則。整合現有孤立數據，深入挖掘新收集數據，為科學決策和及時反應提供有效支持。

2.3 水利業務智能分析決策

隨著全球氣候變化，極端天氣頻發，基于歷史資料的傳統預報模型準確率受到很大影響，極大影響了業務決策的準確性。利用物聯網技術提高數據感知能力，結合大數據分析、領域知識庫和智能分析，有效提高預測精度、延長預測期、提高決策分析準確度。

基于加強感知的物理水網和市場水網的各類水信息，以及氣象、遙感、社會經濟情況等相關數據資源，通過大數據挖掘分析發現規則，建立領域知識庫。利用云計算的高效率、高可靠性、低成本的計算服務能力，以及廣泛獲取的實時信息和歷史資料，集成模擬水循環各環節過程，增加自然水循環相關預報以及社會經濟和自然生態需水預報的預見期、提高預報的準確性。

物聯網與智慧水利結合產生的眾多科研成果和技術創新，很大程度上改變了傳統水利行業模式，水利業務智能決策能力逐漸提升。

3 智慧水利研究應用展望

智慧水利的研究應用正全面鋪開，但相比智慧城市、智慧電力、智慧交通、智慧醫療等領域還有很大差距，還處在起步階段。完善智慧水利的理論和方法，拓展智慧水利應用體系，逐步形成完整的智慧水利理論，還有很多方向需要探索。

（1）建立智慧水利地理空間框架，將空間信息和業務應用統一建模，把標準不統一、建設分散的水利地理空間信息資源進行整合，使空間信息資源在智慧水利各業務中達到最大效果的共享共用。

（2）建立水利要素身份特征標識體系，對每一個水利要素編碼，提升傳感器多載體自動組網和異構網絡單元的互聯技術，研究傳感器的數據自過濾和自動提取模式，尤其是利用各類智能識別技術對水流流場進行識別，建立水聯網體系。

（3）對傳統水利信息化框架進行重構，實現功能互操作、數據全面共享、網絡泛在、智能感知，尤其是要實現解釋、分析、挖掘水利領域知識，研究利用知識驅動整個智慧水利框架運轉的智慧引擎，從根本上實現水利行業的智慧化。

參考文獻

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