智慧水利的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)研究

□王超鋒 □安根鳳 □袁春麗

(1虞城縣水務(wù)局；2許昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院；3河南方正水利工程咨詢有限公司)

1 背景及現(xiàn)狀

1.1 智慧水利產(chǎn)生的背景

2009年1月28日美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會議”，IBM首席執(zhí)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(shè)下一代智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。“智慧地球”也稱為“智能地球”，就是把感應(yīng)器嵌入或裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成“物聯(lián)網(wǎng)”。然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)中，需要能力強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)集群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時(shí)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(jìn)入人們的視野。“智慧水利”是“智慧地球”、“智慧城市”理念的行業(yè)延伸[1]。為了應(yīng)對全球氣候變化和人類劇烈活動(dòng)導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水體污染、水土流失等復(fù)雜的水問題,推動(dòng)水利信息化水平向更高層次發(fā)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(xiàn)狀

作為我國水利現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志及主要內(nèi)容，水利信息化建設(shè)一直以來都是我國信息化建設(shè)中的重要組成部分。近些年來，國家水利部陸續(xù)實(shí)施了一系列水利信息化建設(shè)戰(zhàn)略，如今，我國水利信息化建設(shè)正在以飛快的速度發(fā)展[2]。隨著水利信息化建設(shè)的開始，我國水利信息化曾領(lǐng)先于其他信息行業(yè)，并取得了矚目的成績，這主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用方面，水利基礎(chǔ)信息在遙感、遙測等信息技術(shù)的推動(dòng)下得到了快速的傳輸及有效的處理，國內(nèi)水利系統(tǒng)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了水情、雨情等相關(guān)信息的采集、處理、傳輸、接收、監(jiān)測以及洪水聯(lián)機(jī)預(yù)報(bào)，并在全國范圍內(nèi)進(jìn)行了國家水文數(shù)據(jù)庫的建立，并取得了一定的成果。

水利系統(tǒng)的辦公自動(dòng)化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程文件的傳輸以及檔案及公文的聯(lián)機(jī)管理，并建立了一個(gè)同各省、自治區(qū)及直轄市相連接的水情信息實(shí)時(shí)傳輸廣域網(wǎng)，我國的防汛指揮系統(tǒng)工程初步建成，并得到一定程度的應(yīng)用。

1.3 建設(shè)智慧水利的驅(qū)動(dòng)因素

1.3.1 戰(zhàn)略需求

水資源的綜合管理迫切需要通過先進(jìn)的IT技術(shù)對流域水資源開發(fā)利用與保護(hù)各環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和全程監(jiān)控，構(gòu)建水利數(shù)學(xué)模型來對數(shù)據(jù)的快速處理和分析，通過物聯(lián)網(wǎng)將各類信息和分析結(jié)果提供給政府、企事業(yè)機(jī)構(gòu)和公眾，從而達(dá)到水利信息實(shí)時(shí)的感知、互聯(lián)互通、高度信息化、高度智能化的效果。

1.3.2 技術(shù)推動(dòng)

近年來，信息技術(shù)得到了快速的發(fā)展，無線傳感，云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)等日益成熟，為智慧水利發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。云計(jì)算平臺由數(shù)千臺、甚至更多的服務(wù)器組成龐大的集群，能夠提供無限量的存儲空間和計(jì)算能力，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲、管理、處理、分析、計(jì)算和可視化的要求。

2 智慧水利的特征

2.1 認(rèn)識智慧水利

“智”指智能化、自動(dòng)化，“慧”指人文化、創(chuàng)造力?！八币辉~解釋為對自然界的水進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、治導(dǎo)、開發(fā)、管理和保護(hù)，以防治水旱災(zāi)害，開發(fā)利用水資源的各項(xiàng)活動(dòng)。因此，“智慧水利”是基于物質(zhì)基礎(chǔ)的、能夠迅速正確地感知、并且進(jìn)行智能的計(jì)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(shù)角度將“智慧水利”定義為：“智慧水利”是以水利設(shè)施設(shè)備和設(shè)置在其上的傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及海量存儲器、多媒體設(shè)備、計(jì)算機(jī)集群等實(shí)體信息設(shè)備為基礎(chǔ)，以水利專網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代通信設(shè)施和技術(shù)為紐帶,運(yùn)用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、智能分析，以及云計(jì)算等技術(shù)建立起來的水利網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)環(huán)境。它自動(dòng)、實(shí)時(shí)地感知水資源、水環(huán)境、水過程及各種水利工程的各關(guān)鍵要素、關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵位置和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù);通過信息通信網(wǎng)絡(luò)傳送到在線的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和云存儲中;在虛擬水空間，利用云計(jì)算、知識挖掘、自然計(jì)算等智能計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模和推演，做出科學(xué)優(yōu)化的判斷和決策，并反饋給水利管理中或設(shè)備，采取相應(yīng)的措施和行動(dòng)有效解決水利科技和水利行業(yè)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(hù)水資源與水環(huán)境，防災(zāi)減災(zāi)，實(shí)現(xiàn)人水和諧。智慧水利是智慧地球的思想與技術(shù)應(yīng)用于水利行業(yè)的結(jié)果。

2.2 智慧水利的特征

一是全面的感知：利用可以隨時(shí)隨地感知、測量和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)，通過這些設(shè)備，將水循環(huán)過程中的各種水情信息快速獲取并進(jìn)行分析，便于快速采取應(yīng)對措施和進(jìn)行長期的規(guī)劃。二是可靠的傳遞：通過各種形式的高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)工程，將個(gè)人設(shè)備、組織和政府系統(tǒng)中收集和存儲的分散信息及數(shù)據(jù)連接起來，進(jìn)行交互和多方共享，從而更好地對水利管理業(yè)務(wù)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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(xié)作得以遠(yuǎn)程完成，從而徹底改變目前水利管理的運(yùn)作方式，真正意義上實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用和管理。三是科技創(chuàng)新的應(yīng)用：通過科技創(chuàng)新為政府、企業(yè)和個(gè)人提供高效、便捷的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為水利信息化提供發(fā)展動(dòng)力。四是統(tǒng)一協(xié)作：通過統(tǒng)一的水利綜合信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)各個(gè)主要運(yùn)行系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)作，達(dá)成最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 智慧水利的總體框架

3.1 智慧水利的要素構(gòu)成

3.1.1 感知層

通過在水利工程管理對象中廣泛設(shè)置智能設(shè)備和傳感器實(shí)現(xiàn)智能感知，自動(dòng)采集包括水雨情、水土保持、水質(zhì)、工程運(yùn)行、工程安全、視頻監(jiān)視等基礎(chǔ)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(jì)算、決策、處置的中心，是“智慧水利”的核心層。信息處理層實(shí)際上是基于云計(jì)算架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心。大量傳感器感知的海量數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)皆朴?jì)算平臺的云存儲，云存儲能夠按照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，按照類別將數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則存儲在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，部署在云計(jì)算平臺的防汛抗旱指揮調(diào)度系統(tǒng)、水行政管理、水資源管理決策支持系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)、水土保持監(jiān)測、水利工程建設(shè)與管理、農(nóng)村水利建設(shè)與管理、水利信息公眾服務(wù)等軟件系統(tǒng)，按照要求及時(shí)處理這些海量數(shù)據(jù)。

3.1.2 應(yīng)用層

該層是智慧水利構(gòu)成要素的重要組成部分。應(yīng)用服務(wù)層可以分為兩個(gè)方面：一方面是自動(dòng)響應(yīng)，可以事先做好各種事件的應(yīng)用模型，對這些事務(wù)做好各種預(yù)案，一旦某種事件條件符合，系統(tǒng)會自動(dòng)響應(yīng)，向云計(jì)算平臺發(fā)出請求，云計(jì)算平臺會自動(dòng)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(yīng)用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，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(jù)。

3.1.3 保障環(huán)境

智慧水利系統(tǒng)的運(yùn)行離不開安全可靠的保障環(huán)境。通過制定和頒布水利行業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)確保系統(tǒng)融合、資源共享的基本要求；通過建立安全策略、安全法規(guī)、安全管理、安全標(biāo)準(zhǔn)、安全技術(shù)、安全基礎(chǔ)設(shè)施和安全服務(wù)等安全體系，保證智慧水利的健康、有序發(fā)展；通過建立建全運(yùn)行管理體系加強(qiáng)智慧水利建設(shè)的組織協(xié)調(diào)，合理配置資源，提高管理的效率，使智慧水利建設(shè)滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

3.2 智慧水利的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 智能感知技術(shù)

利用各種先進(jìn)靈敏的信息傳感設(shè)備和系統(tǒng)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置等，對系統(tǒng)所需的防洪、供水、航運(yùn)和工程等各類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測、采集和分析。如應(yīng)用射頻識別技術(shù)，通過對流域中的水工建筑物、水文測站、量測設(shè)備等裝備射頻標(biāo)簽，能夠自動(dòng)獲取水工建筑物的特征數(shù)據(jù)和水文測站信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過裝備和嵌入到流域中的各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種流域環(huán)境或監(jiān)測對象信息，然后將這些信息以無線方式發(fā)送出去，以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶端，實(shí)現(xiàn)物理流域、計(jì)算流域和人類社會三元世界的連通，是感知自然水循環(huán)和社會循環(huán)過程水情信息的重要組成部分。

3.2.2 三維3S技術(shù)

3S技術(shù)是遙感技術(shù)(Remote sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(Geography information system，GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global positioning system，GPS)的統(tǒng)稱，是利用遙感、空間地理信息、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航以及通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對空間信息進(jìn)行采集、分析、傳輸和應(yīng)用的一項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，將遙感、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)緊密結(jié)合起來的“3S”一體化技術(shù)已顯示出更為廣闊的應(yīng)用前景[3]。智慧水利系統(tǒng)設(shè)計(jì)對現(xiàn)有水利技術(shù)進(jìn)行了延伸，將RS、GIS、GPS三種技術(shù)集成，構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的技術(shù)體系，并且加入三維分析和可視化技術(shù)，更加直觀準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對各種水利工程空間信息和環(huán)境信息的快速、準(zhǔn)確、可靠的收集、處理與更新，為防汛抗旱、水資源調(diào)度管理決策、水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)、水土保持監(jiān)測與管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供決策支持。

3.2.3 云計(jì)算與云存儲技術(shù)

云計(jì)算（cloud computing）通過虛擬化、分布式處理和寬帶網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，使得互聯(lián)網(wǎng)資源可以隨時(shí)切換到所需的應(yīng)用上，用戶可以按照“即插即用”的方式，根據(jù)個(gè)人需求來訪問計(jì)算機(jī)和存儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所需要的操作。其強(qiáng)大的計(jì)算能力可以模擬水資源調(diào)度、預(yù)測氣候變化、發(fā)展趨勢等。云計(jì)算的應(yīng)用會使任何大尺度和高精度的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算成為可能．通過云計(jì)算，將流域或河流模擬程序拆分成無數(shù)個(gè)較小的子程序，通過網(wǎng)絡(luò)交換由分布式計(jì)算機(jī)所組成的龐大系統(tǒng)搜索、計(jì)算分析之后將處理結(jié)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(xiàn)實(shí)。現(xiàn)有的多數(shù)“半分布式”系列模型將向“完全分布式”系列模型轉(zhuǎn)變，其中對水循環(huán)過程的模擬是采用二維或者三維水動(dòng)力學(xué)及其伴生過程模型。云存儲是在云計(jì)算概念基礎(chǔ)上延伸和發(fā)展的一個(gè)新概念，是以數(shù)據(jù)存儲和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)．通過云存儲技術(shù)，流域中海量的原型觀測、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及流域管理的自然、社會、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)的存儲將不再受制于硬盤空間。

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)具有基于標(biāo)準(zhǔn)的操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標(biāo)識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。在流域中的主要應(yīng)用就是將感應(yīng)器嵌入和裝備到水質(zhì)監(jiān)測斷面、供水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、大壩、水文測站等各種水利工程或設(shè)施中，通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，形成所謂的“流域物聯(lián)網(wǎng)”。

4 結(jié)語

水利行業(yè)是一個(gè)信息密集化的行業(yè)，水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理，都必須對相關(guān)海量信息進(jìn)行采集、分析和處理，并進(jìn)行科學(xué)合理決策。無論是防洪、排澇、抗旱、水環(huán)境保護(hù)方面，還是供水、排水、污水處理、中水回用等各個(gè)環(huán)節(jié)的水利工作，也都是緊密聯(lián)系的，這就需要通過先進(jìn)的信息技術(shù)進(jìn)行智能化的分析處理和決策。海量信息通過傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等傳送到數(shù)據(jù)中心，利用仿真模擬等技術(shù)對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，科學(xué)決策，對水利事件及時(shí)反饋和智能監(jiān)控。對相關(guān)信息和處置結(jié)果及時(shí)上報(bào)給政府、有關(guān)單位或社會公眾。在我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展過程中，水利信息化一直發(fā)揮著重要的作用。因此，加快智慧水利建設(shè)，推進(jìn)現(xiàn)代化通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙測遙感技術(shù)等高新技術(shù)在水資源管理、暴雨洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)、防洪抗旱指揮調(diào)度、水利工程運(yùn)行管理等方面的應(yīng)用，對于水利現(xiàn)代化建設(shè)具有非常重要意義。

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