新時期智慧水利內涵及框架體系研究

王志東 魏至勝 孫赟惲 楊 帆

（北京電信規劃設計院有限公司，北京 100048）

智慧水利是智慧社會的重要組成部分，也是水利信息化發展的新階段。智慧水利作為一項復雜的系統性工程，具有管理層級多、業務范圍廣、技術要求高等特點，智慧水利建設需在統一的總體框架體系下分階段、分目標、分層次循序推進，必須加強智慧水利內涵與框架體系的研究。

1 我國水利發展階段

“工程水利”階段（1949—1999年）以水工程建設、大規模開發利用水資源為目標和指導思想開展水利工作。

“資源水利”階段（2000—2012年）重視水資源的合理利用，促進人水和諧發展。

“生態水利”階段（2013—2020年）以生態保護、建設生態文明為目標開展水利工作。水利工作以節水、水生態保護、水文化建設為重點發力方向，開始進行智慧水利的研究、技術準備工作[1]。

“智慧水利”階段（2021—2050年）以豐富的水利經驗為基礎，充分利用新一代信息技術使傳統水利向智慧水利轉型。智慧水利的發展受信息化戰略和新時代水利發展改革要求的驅動，云計算、大數據、物聯網、移動互聯網以及人工智能等為代表的新技術成為水利行業創新驅動發展的先導力量，智慧水利是新時期水利發展的重要方向。

智慧水利在前期已積累的水利建設和治水經驗的基礎上，結合智慧水利研究成果，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設，構建具有預報、預警、預演、預案[2]功能的智慧水利體系。

2 智慧水利內涵與特征

2.1 智慧水利內涵

智慧水利綜合利用各種信息技術，達到能夠自動即時地探測、記錄、存儲水及其存在環境、物理大氣水文過程及其他水利工程的元素指標數據，通過智能化手段對數據進行整理、分析，根據分析結果做出最佳決策，發出對應的指令，支撐操作者和設備做出有效的反應，達到有效解決水利中存在的各類問題、提升對水資源的利用率及防范抵御水旱災害能力的目的。智慧水利的內涵為利用新一代信息技術，對水利對象、水利活動進行透徹感知、全面互聯、深度挖掘從而支撐水利智慧應用[3]。

2.2 智慧水利特征

智慧水利為新一代信息技術在水利行業的高度集成應用，具備透徹感知、全面互聯、深度挖掘、智慧應用等特征。

透徹感知通過水利感知網實現，水利感知網依托前端感知設備對涉水對象及其環境信息進行感知和接收，是水利大腦的“感知系統末梢”，為水利大腦獲取信息提供信息獲取的渠道。

全面互聯基于水利信息網實現，是智慧水利的“神經網絡系統”，構建水利大腦與“感知系統末梢”的連接。

深度挖掘通過水利大腦實現，水利大腦由水利云、水利數據資源池以及使能支撐平臺構成，為水利大腦的思考和記憶提供物質基礎。

智慧應用依托水利業務的智慧應用體系實現，智慧化應用是水利大腦的“功能表現層”，智慧應用涵蓋水利具體業務，如水資源、水災害、水工程、水生態、水監督、水行政以及水公共服務等，是水利大腦的智慧能力在具體業務領域發揮作用的交互窗口。

3 智慧水利總體框架體系研究

智慧水利總體框架體系以水利感知網和水利信息網為基礎，以“一云一池兩平臺”構成的水利大腦為核心，以智慧應用為標志，以網絡安全體系和綜合保障體系為保障。

智慧水利總體框架體系邏輯如圖1所示。

圖1 智慧水利總體框架體系邏輯

從水利業務的視角分析，智慧水利建設充分運用信息技術，建立全要素真實感知的物理水利，構建多維、多時空、高保真的各類水利模型，強化物理水利與數字水利之間全要素、動態、實時、暢通交互和深度融合，推進數字水利與物理水利的實時同步仿真運行，實現洪水、干旱、江河湖泊、水土流失、水利工程建設、水利工程運行、水資源開發利用、城鄉供水、節水等上層業務的“預報、預警、預演、預案”功能。

從信息技術的視角分析，智慧水利建設主要通過水利感知網采集感知江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動以及其他信息，經過水利信息網匯聚至水利云，形成水利數據資源池。通過治理池中數據，實現統一的數據管理與服務，基于智慧使能平臺、應用支撐平臺為水利大腦提供預報、預警、預演、預案的“四預”基礎能力，從而支撐上層的各類智慧化應用。

3.1 水利要素感知體系

水利感知網是構建各類水利要素的智能感知體系，負責獲取涉水對象屬性信息及其環境數據。

水利感知網使用各類感知設備、技術手段和方法，實時采集和動態監測水利感知對象的業務特征和事件信息，形成物聯感知數據，如無人機及衛星遙感觀測數據、導航定位數據以及視頻監控數據。數據經過基礎加工處理后，分級分類通過水利信息網、各級匯集平臺進入水利云平臺，為水利大腦提供全面可靠的感知大數據。

3.2 水利網絡互聯體系

水利信息網連接智慧水利中的各種主客體，為智慧水利各類數據在主客體中的傳遞提供傳輸服務，構建智慧水利的網絡互聯體系。

水利信息網根據不同環境條件，依托國家電子政務網絡、租賃公共網絡、自建專用網絡等多種方式構建，連通國家、流域、省、地市、區縣等各級水行政主管部門、各級各類水利水務企事業單位。

水利信息網包括水利業務網和水利工控網，水利業務網覆蓋各級水利部門，承載各類水利信息系統，水利工控網覆蓋各水利工程及其各級管理單位，承載各類水利工程控制系統，水利業務網與水利工控網相對獨立。

3.3 水利智慧大腦體系

水利智慧大腦體系是一套以水利云為基礎，結合數據處理、機器視覺、智能算法、水利模型等能力，在開放平臺上實現江河湖泊與水利工程的大規模計算和智慧決策的人工智能系統。

水利智慧大腦體系的核心由“一云一池兩平臺”構成。一云指水利云，利用公共云和建設專有云的混合方式，為水利大腦提供彈性化的大規模存儲和計算能力；一池指數據資源池，匯聚和治理水利系統內外的所有相關數據，構建海量異構多元的數據資源體系，兩平臺指智慧使能平臺和應用支撐平臺。

（1）水利云。

水利云建設基于公專結合的混合云模式，進一步擴展計算、存儲和網絡資源的服務能力。應加強水利云災備中心建設，形成可靠的互備架構[4]，保障數據及應用的安全性和可靠性。

（2）數據資源池。

數據資源池是建立在水利云上的海量的數據采集、存儲、處理和服務管理體系，數據資源池通過分布式數據任務調度、分布式數據監控管理、分布式存儲資源管理、分布式計算作業調度，完成非結構化、半結構化、結構化數據的統一服務和管理。數據資源池匯聚各類水利數據，經過數據抽取、融合、轉換、治理、服務等環節，深度挖掘數據的價值，構建中臺式的全域數據資源體系，為水利大腦思考和決策提供數據輸入。

（3）智慧使能平臺。

智慧使能平臺使用數據挖掘、業務建模、融合分析、規則應用、知識應用等技術手段進行視覺智能、數據智能和決策智能的開發與能力輸出，為水利大腦提供預報、預警、預演、預案的“四預”基礎能力。平臺內容包括水利模型庫、學習算法庫、感知使能庫、知識圖譜庫[5]等，為業務應用提供預測、模型、算法等智慧能力的統一服務。

應用支撐平臺為上層應用的運行提供支撐，包括集成環境的支撐、可視化能力的支撐。集成環境的支撐為水利應用提供大量應用基礎組件和通用服務能力，如統一日志、統一用戶、統一權限、統一認證、工作流引擎等。可視化能力支撐是以水利一張圖為智慧水利應用提供地理信息和空間展示平臺。

3.4 智慧應用體系

智慧應用包括水資源、水災害、水生態、水環境、水工程、水監督、水行政和水公共服務[6]等。在水利大腦的支撐下，面向水利業務和水利監督領域，基于天空地多元立體的智能感知，全面融合信息資源，聚焦水資源、水災害、水生態、水環境，全面掌握江河湖泊庫綜合信息，動態監測評估河湖生態狀況，實現水旱災害防御、水資源管理與調配以及病險水庫、河湖長制、水利工程運行等業務的智慧化，基于水利大腦的支撐，以預報預警預案為基礎、預警為反饋、知識為驅動，推動政府監管精細化、江河調度協同化、工程運行自動化、應急處置實時化，大幅提升水利管理智能化水平。

3.5 智慧水利保障體系

智慧水利建設是一項系統性的工程。水利業務智慧應用體系、水利大腦體系以及水利感知體系與水利互聯體系間、體系內各層間均需具有統一標準的接口規范。智慧水利建設涉及具體的業務需求部門、信息化建設部門、設計咨詢單位以及實施單位，在建設過程中需要高效協同，構建智慧水利保障體系，從標準規范、體制機制兩個方面進行統籌謀劃。

完善標準規范體系需要依據智慧水利總體框架和技術特點，制定智慧水利的標準體系。標準規范體系主要包括智慧水利技術標準和智慧水利評價標準。智慧水利技術標準根據智慧水利建設的需要建設，覆蓋智慧水利建設全生命周期、全技術層級。智慧水利評價標準主要從智慧水利的建設、應用、維護等多個角度出發，按照技術提升、業務價值、使用效果、用戶體驗等維度形成智慧水利的檢驗與評價標準。

健全體制機制主要根據智慧水利建設總體要求及框架體系，針對水務感知網、水利信息網、水利大腦、智慧應用、網絡安全等建設內容，在現有信息化管理制度基礎上優化完善，制定適應于智慧水利建設、應用、推廣、維護等方面的管理制度。

3.6 網絡安全體系

在智慧水利建設過程中，網絡安全至關重要，且網絡安全覆蓋智慧水利框架體系各層，智慧水利各層內容建設時需同步考慮各層安全能力的構建。網絡安全的實施也需要統一的管理制度及標準體系。智慧水利網絡安全體系包括網絡安全技術能力建設、網絡安全管控制度建設以及網絡安全標準體系建設。

網絡安全技術能力建設主要包括智慧水利的物聯網安全、計算機網絡安全、大數據安全、云安全以及應用平臺安全等多位安全技術能力。網絡安全管控制度根據智慧水利建設實際，對網絡安全組織的機制、安全運營管理體系以及相關的管控制度進行規范和統一。網絡安全標準體系主要為安全技術能力的構建提供統一的標準規范體系指導網絡安全建設。

4 結語

智慧水利是我國水利發展的新階段。信息技術是智慧水利建設的核心動能，在智慧水利進行系統性建設時，需落實物聯網、大數據、人工智能等技術的運用，完善智慧水利感知體系及網絡互聯體系建設，落實水利智慧大腦體系下的各類信息技術基礎設施建設以提高水利數據采集、處理、挖掘、分析的能力，為新時期智慧水利的建設和發展提供支撐保障。