水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化理論探討及應用實踐

倪建軍，湯 敏，詹萬林，朱金秀

（1. 河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 常州 213022；2. 江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；3. 盱眙縣水土保持辦公室，江蘇 盱眙 211700）

水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化理論探討及應用實踐

倪建軍1，2，湯 敏1，詹萬林3，朱金秀1

（1. 河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 常州 213022；2. 江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；3. 盱眙縣水土保持辦公室，江蘇 盱眙 211700）

根據(jù)水利信息化的發(fā)展歷程，介紹水聯(lián)網(wǎng)的定義和特點，并闡明水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化、智慧水利之間的關系，構建一套基于水聯(lián)網(wǎng)模型的水利信息系統(tǒng)綜合應用體系與框架，結合水聯(lián)網(wǎng)在防汛決策、水資源管理中的具體應用，給出基于水聯(lián)網(wǎng)的水利信息化系統(tǒng)的特點及未來的發(fā)展方向。

水聯(lián)網(wǎng)；水利信息化；物聯(lián)網(wǎng)；防汛決策；水資源管理

目前，大到三峽工程，小到一條小的溝渠，各種大大小小的水利工程遍布全國。這些水利工程大多實現(xiàn)了操作自動化，有些也進行了本地信息化改造，然而，很多水利站點之間、站點與水利管理部門之間沒有實現(xiàn)互聯(lián)互通，綜合應用程度低，是一個個信息孤島，特別是很多中小型水利工程，這個問題尤為嚴重和突出。作為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一的物聯(lián)網(wǎng)，其在水利行業(yè)的具體應用產(chǎn)生了水聯(lián)網(wǎng)。隨著水聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用推廣，其在水利信息化建設中的作用也越來越受到關注［1］。因此，如何充分利用現(xiàn)代信息化技術和手段，建設完整的水聯(lián)網(wǎng)體系，實現(xiàn)水利現(xiàn)代化，成為當前水利信息化建設最為迫切的任務［2］。

1　水聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念及其應用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things），指的是通過各種信息感知設備，把一切物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換與共享，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡體系或技術框架，通俗點講就是物物相連［3-4］。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應用拓展，通信與網(wǎng)絡技術只是物聯(lián)網(wǎng)技術框架中的一個核心技術，因此，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務和應用?？梢钥闯觯锫?lián)網(wǎng)可以應用到幾乎所有工業(yè)、軍事和日常生活等領域，于是，出現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等，物聯(lián)網(wǎng)在水利行業(yè)的應用，就是所謂的水聯(lián)網(wǎng)。

1.2水聯(lián)網(wǎng)的概念及作用

水聯(lián)網(wǎng)是在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上提出的，從物聯(lián)網(wǎng)的應用角度看，水聯(lián)網(wǎng)是水利信息化發(fā)展的新階段，有學者將其稱為水利行業(yè) 4.0［5］，因此，將水聯(lián)網(wǎng)理解為物聯(lián)網(wǎng)在涉水行業(yè)的具體應用是比較合適的。

水利作為國民經(jīng)濟的基礎設施，信息化則是水利現(xiàn)代化的基礎［6-7］。早期，水利信息化建設內容主要是指以信息自動采集、設備自動化控制為特征的最基礎的水利自動化系統(tǒng)［8］；后來，發(fā)展到以網(wǎng)絡互連、信息系統(tǒng)集成、水利信息綜合展示為特征的水利網(wǎng)絡信息系統(tǒng)；最近這幾年，水利信息化系統(tǒng)建設則圍繞以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、智能決策等為主要特征的智慧水利系統(tǒng)展開［9］。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，水聯(lián)網(wǎng)的最終目的就是為了實現(xiàn)真正的智慧水利。

利用水聯(lián)網(wǎng)技術，可以進一步提高水利信息化能力、提升水利數(shù)字化程度，更好地服務于流域城鄉(xiāng)供水、水生態(tài)環(huán)境保護與修復、防汛抗旱減災及水資源管理，并且把傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化、智能化推進，以便更好更快地發(fā)展。

2　水聯(lián)網(wǎng)技術實踐

針對水利信息化系統(tǒng)的特點，利用物聯(lián)網(wǎng)的相關理論，本文構建了一套基于水聯(lián)網(wǎng)模型的綜合應用體系與框架。該框架結合物聯(lián)網(wǎng)的體系架構，將信息系統(tǒng)分為 4 層：1）感知層。包括傳感器網(wǎng)絡和智能化終端設備等。2）網(wǎng)絡層。也叫傳輸層，包括移動網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)等。3）平臺層。包括統(tǒng)一的協(xié)議管理平臺、智能化數(shù)據(jù)交換平臺和面向服務的總線式應用服務平臺。4）應用層。在最上層，主要是基于 CS，BS 架構的應用，包括圖像與數(shù)據(jù)綜合展示、移動信息集成應用等。

2.1基于智能設備的前端數(shù)據(jù)采集終端

基于智能設備的前端數(shù)據(jù)采集終端主要是指基于 Android 及 IOS 平臺的智能化設備及基于嵌入式軟件的智能儀表等，通過開發(fā)可視化交互終端，可以實現(xiàn)水務執(zhí)法、站點巡檢和智能查詢等功能。

2.2統(tǒng)一協(xié)議管理平臺

開發(fā)統(tǒng)一協(xié)議管理平臺，可以統(tǒng)一規(guī)劃和管理業(yè)務系統(tǒng)交換協(xié)議，可以維護不同時期、不同版本的交換協(xié)議與公共代碼，另外平臺動態(tài)生成交換數(shù)據(jù)，通過構造解析中間件，能夠為大系統(tǒng)集成提供數(shù)據(jù)級的一致性保障。

2.3智能化數(shù)據(jù)交換平臺

智能化數(shù)據(jù)交換平臺適用于多個子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)交換的需求，同時支持在線與離線多種工作方式。該平臺交換方案可配置、可管理，支持交換過程多目標實時監(jiān)控與日志訪問，并且可以實現(xiàn)基于TCP/IP 數(shù)據(jù)流、FTP、文件共享、共享 DB 等多種形式的數(shù)據(jù)交換。

2.4面向服務的總線式應用服務平臺

面向服務的總線式應用服務平臺可以提供基于HTTP 協(xié)議的跨平臺遠程服務，提供數(shù)據(jù)庫、資源文件和在線數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編碼服務。平臺可以實現(xiàn)多系統(tǒng)并行工作，運行過程實時監(jiān)控，同時可以實現(xiàn)服務與應用分離，使得應用模塊簡單化。一個平臺可以同時采集多路數(shù)據(jù)源，為多個應用系統(tǒng)提供融合后的數(shù)據(jù)與服務，并且支持多種專業(yè)化服務的平臺化掛接。面向水利信息化系統(tǒng)的統(tǒng)一應用服務平臺基本結構如圖 1 所示。

圖1　面向服務的總線式應用服務平臺

3　水聯(lián)網(wǎng)應用案例

3.1基于水聯(lián)網(wǎng)的城市防汛信息集成平臺

以2013年開發(fā)的某市防汛信息集成平臺為例進行介紹。該防汛信息集成平臺的核心功能是對城市所轄范圍內所有泵、閘站的機組運行與現(xiàn)場工況進行綜合監(jiān)控，為城市水利信息化一級平臺提供支撐數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)系統(tǒng)功能目標，該平臺在實現(xiàn)層面上分為基礎數(shù)據(jù)采集與控制、業(yè)務管理、預警決策應用等 3 個層次。系統(tǒng)整體設計理念：以水利業(yè)務為基礎、以提高管理效率為目的、以計算機和物聯(lián)網(wǎng)技術為手段，利用水利專網(wǎng)和 4G 無線網(wǎng)絡，結合云計算、GIS 和視頻監(jiān)控等領域的先進技術，對地下水、地表水和地上水進行立體化管理，構建“一張圖、一個數(shù)據(jù)中心、兩個平臺”，即水利電子地圖、水利數(shù)據(jù)中心、采集控制和業(yè)務管理平臺，形成一體化水利信息化綜合平臺，實現(xiàn)城市的“智能水利”。系統(tǒng)的主要界面如圖 2 所示。

3.2基于水聯(lián)網(wǎng)的灌渠安全運行信息系統(tǒng)

介紹水聯(lián)網(wǎng)在灌渠信息系統(tǒng)中的應用情況。系統(tǒng)建設前，該灌渠在通信、水位測量和管理上都存在一些問題。通信上，處于電話通信階段；水位測量處于水位遙測階段；管理上，管理處歷年灌溉調度等相關資料主要以紙制形式保存，查詢不便且歷史資料難以利用，業(yè)務部門手工操作，易出錯且工作量大，灌溉管理純人工，預警機制不建全。

圖2　基于水聯(lián)網(wǎng)的防洪信息集成平臺主要界面

利用水聯(lián)網(wǎng)相關技術，建設和開發(fā)了一套渠道安全運行信息系統(tǒng)，主要功能包括：水情跟蹤、動態(tài)配水、防洪預警、灌渠檔案、工程、水務政務等。另外還建立了工程、水情、政務、灌溉和雨晴等數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了管理和控制一體化，提高了渠道運行的安全性和效率。

4　發(fā)展方向

水聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向同物聯(lián)網(wǎng)和水利信息化的發(fā)展方向保持一致。其發(fā)展方向主要分以下 3 個方面：1）技術層面；2）服務層面；3）商業(yè)模式和政策層面。

水物聯(lián)網(wǎng)核心技術的研究要著力突破水聯(lián)網(wǎng)核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎共性技術，加快水利傳感器網(wǎng)絡、智能終端、大數(shù)據(jù)處理、智能分析、服務集成等關鍵技術研發(fā)。在技術層面水聯(lián)網(wǎng)主要的發(fā)展方向包括：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知、基于高帶寬的無線通信、基于分布式計算的云計算、智能數(shù)據(jù)集成與分析、智能控制與決策支持等技術。

在水信息服務層面，其發(fā)展趨勢是逐漸從目前側重水信息采集、處理和集成轉向水信息挖掘、分析和應用。在規(guī)范組織水信息基礎上，通過決策算法和仿真技術，不斷挖掘和分析水信息潛在價值，為水問題決策提供科學支持。

在商業(yè)模式層面，目前理論和實踐都還不成熟，未形成完善的體系。 因此，急需拓展思維，從發(fā)展服務經(jīng)濟的戰(zhàn)略高度出發(fā)，整合水業(yè)價值鏈，實現(xiàn)水利現(xiàn)代化。通過引進技術、消化吸收和再創(chuàng)新 3 個方面融合，形成水聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)群，在現(xiàn)代市場機制下探索水聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的創(chuàng)新，全面提升物聯(lián)網(wǎng)典型應用與示范帶動作用。

5　結語

隨著物聯(lián)網(wǎng)在水利方面的快速發(fā)展及深入展開，水聯(lián)網(wǎng)在水利工程防洪減災、水資源管理、水生態(tài)建設等方面的作用將更加突出。隨著對水聯(lián)網(wǎng)研究的不斷深入，不僅要正視其發(fā)展和應用中出現(xiàn)的問題，更要致力于理論及應用方面的關鍵技術研究，為水聯(lián)網(wǎng)在智慧水利中的推廣應用做出更大貢獻。

［1］ 吳建剛，房福龍，許建平，等. 物聯(lián)網(wǎng)在水利樞紐工程中應用的探討［J］. 水利信息化，2011 （4）: 38-40，55.

［2］ 王忠靜，王光謙，王建華，等. 基于水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利提高水資源效能［J］. 水利水電技術，2013，44 （1）: 1-6.

［3］ 溫小莉，柏屏. 淺談物聯(lián)網(wǎng)技術及其在水利上的應用［J］.江蘇水利， 2011 （9）: 16-19.

［4］ 芮曉玲，吳一凡. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧水利系統(tǒng)［J］. 計算機系統(tǒng)應用，2011，21 （6）: 161-163，156.

［5］ 左其亭. 中國水利發(fā)展階段及未來“水利 4.0”戰(zhàn)略構想［J］. 水電能源科學，2015，33 （4）: 1-5.

［6］ 蓋永偉，劉恒，耿雷華，等. 中國特色水利現(xiàn)代化內涵與特征淺析［J］. 中國水利，2015 （8）: 6-9，21.

［7］ 黃鳳崗. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧水利工程信息管理系統(tǒng)［J］. 中國水能及電氣化，2013 （7）: 47-50.

［8］ 丁強，王紹勤. 水利信息化之水利自動化發(fā)展趨勢探討［J］. 水利信息化，2013 （6）: 9-11.

［9］ 柳林，劉恒偉，王哲. 云計算在水利信息化建設中的應用探討［J］. 海河水利，2012 （4）: 52-56.

Theoretical Discussion and Application Practice on Internet of Water and Water Resources Informatization

NI Jianjun1，2， TANG Min1， ZHAN Wanlin3， ZHU Jinxiu1
（1. College of IOT Engineering， Hohai University， Changzhou 213022， China；2. Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of World Water Valley and Water Ecological Civilization，
Nanjing 211100， China；3. Water and Soil Conservation Office of Xuyi County， Xuyi 211700， China）

According to the development process of water resources informatization， the article introduces definition and characteristics of internet of water， and illustrates the relationship among internet of water， water resources informatization and smart water constructs a set of comprehensive application system of water resources information system and framework which is based on the model of internet of water. In addition， using some concrete applications about internet of water in flood control decision and water resource management， it presents the characteristics and the future directions of water resources informatization system based on internet of water.

internet of water； water resources informatization； internet of things； flood control decision； water resources management

TV39；TP393

A

1674-9405（2016）04-0032-04

10.19364/j.1674-9405.2016.04.007

2015-11-15

江蘇省水利科技項目（2015077）

倪建軍（1978-）， 男，教授，主要研究領域：智慧水利、自動控制等。