智慧型流域建設(shè)探討

沈宏 焦軍

智慧型流域建設(shè)探討

沈宏 焦軍

一、智慧型流域內(nèi)涵與發(fā)展

“智慧地球”（SmartEarth）這一理念的主要內(nèi)容是把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)中，即把傳感器裝備到人們生活中的各種物體中，并且連起來(lái)，形成“物聯(lián)網(wǎng)”（InternetofThings），并通過(guò)云計(jì)算（CloudComputing）將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類(lèi)社會(huì)和物理系統(tǒng)的整合。智慧地球是個(gè)嶄新的概念，將大大推進(jìn)信息化和工業(yè)化的進(jìn)程，IBM商業(yè)價(jià)值研究中心提出了對(duì)電力、醫(yī)療、城市、交通、供應(yīng)鏈和銀行等六大行業(yè)的智慧方案，為智慧地球從理念提出到付諸實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

智慧流域是在智慧地球的概念下局部的、更專業(yè)化的智慧系統(tǒng)。所謂智慧流域，是指把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用于流域綜合管理，把傳感器嵌入和裝備到流域各個(gè)角落的自然系統(tǒng)（如降雨、蒸發(fā)、徑流、地下水、植被等觀測(cè)地）和人工系統(tǒng)（如水源地、輸水、供水、用水、排水和各類(lèi)水利工程等各種物體）中，并通過(guò)普遍連接形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”，而后通過(guò)云存儲(chǔ)和云計(jì)算將“流域物聯(lián)網(wǎng)”整合起來(lái)，以水利專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)為支撐，完成數(shù)字流域與物理流域的無(wú)縫集成；通過(guò)智慧決策服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)設(shè)備將數(shù)字流域界面友好地展示給決策者、技術(shù)人員和普通民眾，使人們能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式對(duì)流域水利狀態(tài)進(jìn)行認(rèn)知、設(shè)計(jì)、規(guī)劃和管理，從而達(dá)到流域的“智慧”狀態(tài)。其核心是利用一種更智慧的方法通過(guò)新一代信息技術(shù)來(lái)改變政府、企業(yè)和人們相互交互的方式，以便提高交互的明確性、效率、靈活性和響應(yīng)速度。智慧流域具有與智慧地球共同的特征：更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能化。

智慧流域是“數(shù)字流域”與“物理流域”的智能化結(jié)合。數(shù)字流域強(qiáng)調(diào)各種數(shù)據(jù)與地理坐標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，以圖形或圖像的方式來(lái)展示，然后提供三維、航空和地面多視角等多維位置服務(wù)。智慧流域以物體基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施的連接為特色，數(shù)字代表信息和服務(wù)，智慧代表智能與自動(dòng)化。數(shù)字流域以信息資源的應(yīng)用為中心，智慧流域以自動(dòng)化智能應(yīng)用為中心。智慧流域不但具有數(shù)字流域特點(diǎn)，更強(qiáng)調(diào)人類(lèi)與物理流域相互作用，實(shí)現(xiàn)流域物理世界中人與水、水與水、人與人之間的便利交流。

二、智慧型流域建設(shè)的意義

智慧型流域有望進(jìn)一步推動(dòng)流域現(xiàn)代化、信息化建設(shè)，有望成為全新的流域綜合管理戰(zhàn)略理念。實(shí)施智慧型流域可以提高數(shù)據(jù)的完備性和利用效率。目前，水利管理和決策所需的數(shù)據(jù)還不夠完整，并且利用效率很低。通過(guò)“智慧流域”建設(shè)，進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)的采集手段和采集點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的完備性和及時(shí)性，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整合和同化，數(shù)據(jù)的有機(jī)整合等，提高數(shù)據(jù)的共享能力，從而充分地利用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的利用效率，以幫助人們更從更為廣闊細(xì)致的角度透視水文循環(huán)的時(shí)空變化過(guò)程，理解流域水利活動(dòng)的規(guī)律。

實(shí)施智慧型流域有望提高水利管理和決策的水平。“智慧流域”能直觀地、全方位地、及時(shí)地為水利管理和決策提供所需依據(jù)，同時(shí)也能為廣泛參與的人民大眾提供更為生動(dòng)形象的水利信息查詢閱讀，使人們更為直觀地認(rèn)識(shí)身邊的水事活動(dòng)及更為廣泛地參與到水行政主管部門(mén)和技術(shù)部門(mén)共同決策中，從而幫助管理人員和決策者提高水利管理和決策的水平。對(duì)于提高防汛管理、水資源優(yōu)化調(diào)度、水土保持、水環(huán)境治理、水行政管理等的水平都能起到重要的作用。

三、智慧型流域建設(shè)整體框架

智慧型流域是在新一代IT技術(shù)的支撐下，將流域水利專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)作為手段，以智能決策支持和人性化的交互服務(wù)為目標(biāo)的高度數(shù)字化、高度仿真、高度智能化的流域。流域運(yùn)轉(zhuǎn)更加智能化。智慧型流域主要有感知層、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層、專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)層、智慧決策服務(wù)層組成，如圖1所示。

感知層：該層是智慧流域的神經(jīng)末梢和人性化交互界面。包含兩方面的感知內(nèi)容，一方面通過(guò)傳感器、射頻標(biāo)簽和監(jiān)測(cè)探頭能夠?qū)崟r(shí)獲取天然水循環(huán)信息和社會(huì)水循環(huán)信息，將其裝備到水利設(shè)施中還可以實(shí)時(shí)采集大壩變形參數(shù)、堤岸安全系數(shù)和管網(wǎng)壓力系數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的數(shù)字化采集和傳輸，將物理世界中正在發(fā)生的水利事件通過(guò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層傳遞給流域?qū)I(yè)應(yīng)用平臺(tái)層進(jìn)行仿真、模擬和優(yōu)化。另一方面，流域管理和決策人員以及廣大的參與者可以通過(guò)手機(jī)、個(gè)人電腦等移動(dòng)終端設(shè)備從智慧決策服務(wù)層獲取需要了解的水文、水利、水環(huán)境、水工程的整體狀態(tài)，人性化的感知流域的存在及其運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，更好地理解人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然狀態(tài)的影響，以便實(shí)現(xiàn)人與水的充分感知、充分交流。

基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層：該層是智慧型流域系統(tǒng)內(nèi)信息輸入、信息交換和人機(jī)交互的通訊技術(shù)保障。如果說(shuō)感知層是神經(jīng)元，那么基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層就是神經(jīng)網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為智慧型流域系統(tǒng)的互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)。

圖1　智慧型流域整體框架

專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)層：該層是綜合應(yīng)用各類(lèi)數(shù)據(jù)采集信息、構(gòu)建面向流域水利專業(yè)的虛擬仿真模型。主要包括基于多源耦合的氣象水文信息模擬平臺(tái)、二元水循環(huán)及伴生過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺(tái)、流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)、流域洪水演變分析平臺(tái)等，相當(dāng)于智慧型流域系統(tǒng)水利專業(yè)的計(jì)算器。

智慧決策服務(wù)層：該層主要目的是通過(guò)智慧決策為決策者提供基于一定規(guī)劃目標(biāo)的均勻非劣的備選方案，并協(xié)助決策者對(duì)不同備選方案的優(yōu)劣進(jìn)行客觀比較，從而使決策者能夠做出正確的決策。通過(guò)智慧服務(wù)界面友好的與決策者、技術(shù)人員和廣大民眾進(jìn)行溝通對(duì)話，為流域治理提供專業(yè)決策支持和信息服務(wù)。智慧決策服務(wù)層通過(guò)與決策者對(duì)話，輸入決策者的設(shè)想、偏好，根據(jù)一定的規(guī)則自動(dòng)生成備選方案，然后調(diào)用專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)層對(duì)備選方案進(jìn)行模擬運(yùn)行，再將結(jié)果返回給決策者，協(xié)助決策者進(jìn)行客觀認(rèn)識(shí)和取舍，然后進(jìn)一步優(yōu)化決策思路、決策方法，進(jìn)行下一輪的備選方案生成、模擬、優(yōu)化、評(píng)估和再評(píng)估，直至生成滿意的方案。該層生成備選方案的規(guī)劃目標(biāo)主要有防汛抗旱、水資源保護(hù)、水資源調(diào)度、水利工程規(guī)劃、水土保持、水生態(tài)修復(fù)、水資源配置、水環(huán)境評(píng)價(jià)等水事行為。

四、建設(shè)內(nèi)容

1.防洪減災(zāi)智慧系統(tǒng)

當(dāng)流域可能發(fā)生特大洪水時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星傳感器傳送的云層信息，采用區(qū)域氣候模式預(yù)測(cè)可能的降雨量，將其作為輸入條件，利用云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)上模型所利用的下墊面條件，啟動(dòng)陸面過(guò)程模型和數(shù)據(jù)同化技術(shù)對(duì)整個(gè)流域的洪水進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，將模型計(jì)算結(jié)果、洪水淹沒(méi)過(guò)程和制定的防洪預(yù)案與調(diào)度方案以及可撤離路線通過(guò)可視化手段展現(xiàn)在三維虛擬場(chǎng)景中，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這些信息以文字、圖片、視頻圖像、語(yǔ)音等多種方式實(shí)時(shí)發(fā)送到流域內(nèi)居民的終端設(shè)備中。

2.抗御干旱智慧系統(tǒng)

智慧流域能夠利用由無(wú)線傳感器組成的天地一體化系統(tǒng)，對(duì)降水、風(fēng)速、溫濕度、蒸發(fā)、土壤墑情等信息全天候連續(xù)不斷地進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)干旱的發(fā)生過(guò)程、危害程度進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，對(duì)干旱造成的各類(lèi)損失進(jìn)行評(píng)估，對(duì)未來(lái)的影響范圍、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度變化等預(yù)報(bào)預(yù)警。同時(shí)對(duì)干旱區(qū)范圍內(nèi)的水庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算水庫(kù)可能的存儲(chǔ)水量，由此制定水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方案，以應(yīng)對(duì)干旱所帶來(lái)的水危機(jī)。

3.污染治理智慧系統(tǒng)

智慧型流域系統(tǒng)通過(guò)遙感傳感器和地面觀測(cè)設(shè)施對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)、飲用水水源地、地下水觀測(cè)點(diǎn)、近岸海域等流域內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，客觀地記錄水質(zhì)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水域或下游進(jìn)行水質(zhì)污染預(yù)報(bào)，達(dá)到掌握水質(zhì)和污染物通量，防治水污染事故的目的。水質(zhì)量測(cè)傳感器將感知的水質(zhì)參數(shù)傳遞給環(huán)境管理部門(mén)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并裝置報(bào)警傳感器。在某種污染物濃度超過(guò)閾值時(shí)，由水質(zhì)量測(cè)傳感器自動(dòng)與報(bào)警傳感器和控制供水傳感器相連，通過(guò)流域物聯(lián)網(wǎng)，啟動(dòng)報(bào)警裝置并自動(dòng)關(guān)閉供水管網(wǎng)，

4.水資源管理智慧系統(tǒng)

智慧流域通過(guò)取用水戶的取水和排水?dāng)?shù)據(jù)、行政分區(qū)的入境水量和出境水量數(shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)等的互相智能校核，為實(shí)行“總量控制，定額管理”提供支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的科學(xué)調(diào)配和精細(xì)管理。在準(zhǔn)確掌握水資源狀況的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)社會(huì)水循環(huán)過(guò)程與天然水循環(huán)過(guò)程的合理匹配，為實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置、高效利用和科學(xué)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

五、技術(shù)保障

1.射頻識(shí)別技術(shù)（R FID）

通過(guò)對(duì)流域中的水工建筑物、水文測(cè)站、量測(cè)設(shè)備等裝備射頻標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取水工建筑物的特征數(shù)據(jù)和水文測(cè)站信息，它和傳感器感知的水工建筑物運(yùn)行數(shù)據(jù)和水文測(cè)站的實(shí)時(shí)水情信息通過(guò)“流域物聯(lián)網(wǎng)”經(jīng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送至信息處理中心的專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)層。

2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)裝備和嵌入到流域中的各類(lèi)集成化的微型傳感器共同協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種流域環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，然后將這些信息以無(wú)線方式發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)物理流域、數(shù)字流域和人性化交互式流域的連通。

3.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織能力，在流域中的具體應(yīng)用就是將感應(yīng)器嵌入和裝備到水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)站等各種物體或設(shè)施中通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”。

4.云計(jì)算與云存儲(chǔ)

通過(guò)云計(jì)算，可將流域模擬程序拆分成無(wú)數(shù)個(gè)較小的子程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交由分布式計(jì)算機(jī)所組成的龐大系統(tǒng)計(jì)算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶，整個(gè)計(jì)算過(guò)程只需要幾秒就能完成。這意味著對(duì)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)。通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)，流域中海量的原型觀測(cè)、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(huì)、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)將不再受制于硬盤(pán)空間。

5.流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)

流域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究以構(gòu)建流域三維仿真模擬系統(tǒng)為目標(biāo)，融合流域內(nèi)各種數(shù)字信息而建成系統(tǒng)平臺(tái)，形成流域及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一數(shù)字化體系，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感和交互性要求。在虛擬仿真系統(tǒng)支撐下，將全流域水循環(huán)及其伴生過(guò)程進(jìn)行模擬，并將其結(jié)果通過(guò)復(fù)雜實(shí)體建模集成于三維流域環(huán)境中，直觀地展現(xiàn)水循環(huán)、泥沙沖淤及污染物遷移過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。

6.探討性建議

智慧型流域建設(shè)是個(gè)復(fù)雜開(kāi)放的巨系統(tǒng)工程，覆蓋面極廣，影響因素眾多，需要總體規(guī)劃、分步實(shí)施：

（1）在現(xiàn)有測(cè)站的基礎(chǔ)上統(tǒng)一規(guī)劃流域站網(wǎng)系統(tǒng)，建立降雨、蒸發(fā)、徑流、水質(zhì)、溫度、土壤墑情、水源地、輸水、供水、用水、排水、水利工程等信息采集傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建流域物聯(lián)網(wǎng)。

（2）分步實(shí)施防洪減災(zāi)智慧系統(tǒng)、抗御干旱智慧系統(tǒng)、污染治理智慧系統(tǒng)和水資源管理智慧系統(tǒng)，整合流域物聯(lián)網(wǎng)信息和專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)資源。

（3）建設(shè)流域智慧決策中樞，全面整合各目標(biāo)水利管理智慧系統(tǒng)，提供智慧化的決策機(jī)制，協(xié)調(diào)流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源和水利發(fā)展關(guān)系。

要真正實(shí)現(xiàn)智慧流域的建設(shè)，就需要加大研發(fā)力度，提高傳感器監(jiān)測(cè)要素全面性以及數(shù)據(jù)的采集精度，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)可靠的智慧化系統(tǒng)支持

（作者單位：中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司230601）