智慧河流體系構(gòu)建及生態(tài)評估管理實現(xiàn)

馬興冠，高春鑫，冷杰雯，劉雅琴

(沈陽建筑大學(xué)遼河流域水污染防治研究所，110168，沈陽)

智慧河流體系構(gòu)建及生態(tài)評估管理實現(xiàn)

馬興冠，高春鑫，冷杰雯，劉雅琴

(沈陽建筑大學(xué)遼河流域水污染防治研究所，110168，沈陽)

以創(chuàng)建“智慧城市”的技術(shù)為鑒創(chuàng)建“智慧河流”的管理體系?！爸腔酆恿鳌币詳?shù)字信息、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息化手段為技術(shù)支撐，以智慧化生態(tài)體系為評估標(biāo)準(zhǔn)，分析“智慧河流”的技術(shù)支撐和管理模式，闡述“智慧河流”管理優(yōu)勢：可以實現(xiàn)對流域信息不間斷地實時傳送和分析，并且依據(jù)健康河流的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)對河流的生態(tài)狀況進(jìn)行自我評估、自我分析診斷、自我調(diào)度修復(fù)。“智慧河流”管理體系可以克服現(xiàn)有河流管理模式單一化弊端。

智慧河流；生態(tài)評估；智慧管理

一、現(xiàn)代智慧管理理念的發(fā)展思路

2008年，IBM首次提出了 “智慧地球”的理念并將“智慧”引入現(xiàn)代化生活管理中。當(dāng)時“智慧地球”作為一個智能項目被世界各國視為振興經(jīng)濟(jì)的重點。美國、歐盟、日本、韓國、新加坡等陸續(xù)提出了“智慧城市”的概念（“智慧城市”是以網(wǎng)絡(luò)信息為基礎(chǔ)的城市信息體系，即綜合運用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)、多媒體、虛擬仿真及物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)，對城市的基礎(chǔ)設(shè)施、功能機(jī)制進(jìn)行信息自動采集、動態(tài)監(jiān)管和輔助決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)）。隨著時任國務(wù)院總理溫家寶發(fā)表 《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的講話，我國“智慧城市”建設(shè)形成熱潮。目前上海、天津、無錫、深圳、沈陽、武漢、成都等地建立RFID（物聯(lián)網(wǎng)）產(chǎn)業(yè)園區(qū)，期望能率先發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，在“智慧城市”建設(shè)中走在前列。

將“智慧”引入現(xiàn)代化生活中，其目的在于讓現(xiàn)代化管理體系本身擁有思考、分析、探求真理的能力。在水生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞并且多國、多城市、多方面引入“智慧”管理背景下，“智慧河流”的理念尚未廣泛受到人們的重視。本文以 “智慧城市”為鑒，以其較為成熟的構(gòu)建技術(shù)和管理模式為參考，提出“智慧河流”的概念并分析“智慧河流”的支撐技術(shù)和管理模式，以此創(chuàng)建能夠自我監(jiān)測評估、診斷分析、調(diào)度修復(fù)的“智慧河流”。

二、“智慧河流”內(nèi)涵及外延

“智慧河流”是以數(shù)字信息、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息化手段為技術(shù)支撐，以智慧化生態(tài)體系為評估標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對流域信息不間斷地實時傳送和分析，依據(jù)健康河流的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)對河流的生態(tài)狀況進(jìn)行自我評估、自我分析診斷、自我調(diào)度修復(fù)的智慧管理功能體系。

讓河流本身擁有智慧管理能力，就像人體擁有受到病毒侵害時能自動啟動免疫系統(tǒng)對自身機(jī)體進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力一樣，我們正是要通過“智慧河流”的體系來實現(xiàn)河流的這一功能。當(dāng)水量、水質(zhì)、植被等河流組織遭到破壞時，必定引起河流環(huán)境容量、生態(tài)凈化等河流器官功能的下降。這時，智慧管理系統(tǒng)就可充當(dāng)河流機(jī)體的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制的綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)河流機(jī)體本身的自我調(diào)節(jié)，保證河流持續(xù)的健康生態(tài)狀況。

“智慧河流”系統(tǒng)除了可實現(xiàn)河流的自我管理外，還可以實現(xiàn)河流信息的集中化、易獲取化和可參與化。通過計算機(jī)技術(shù)對河流信息的收集和處理，便于獲取和管理河流信息，也便于公眾了解與其生活息息相關(guān)的水體質(zhì)量信息。

三、“智慧河流”主要技術(shù)支撐

1.數(shù)字河流

“數(shù)字河流”作為“智慧河流”的一部分，主要作用是完成信息數(shù)據(jù)收集、積累和傳遞的基礎(chǔ)工作。在河流數(shù)字化階段，主要關(guān)注的是河流生態(tài)信息的采集和傳遞。具體來說，“數(shù)字河流”就是一個可以覆蓋整個流域的無縫信息模型，把分散在河流各段（各時段、各河段）的各類信息按河流的地理坐標(biāo)組織起來，這樣既能體現(xiàn)流域中的河道、水質(zhì)、水量、防洪等各類信息的相互關(guān)系，又便于結(jié)合地理坐標(biāo)掌握并處理管理流域變化的信息?！皵?shù)字河流”以文本形式提供數(shù)據(jù)，按表現(xiàn)形式可以分為信息點和二維數(shù)字流域平面 （包括流域二維地圖和遙感影像圖等），達(dá)到了整個流域相關(guān)資料的數(shù)字化、地理化和可視化效果。

2.物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)即通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，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(luò)。這一概念于2005年“信息社會世界峰會”上發(fā)布的 《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》正式提出。但早在1999年，中國科學(xué)院就開始了相關(guān)研究并提出了相關(guān)概念，當(dāng)時稱之為“傳感網(wǎng)”。具體來說，物聯(lián)網(wǎng)在“智慧河流”中的應(yīng)用就是把感應(yīng)器嵌入電網(wǎng)、市政管網(wǎng)、橋梁、河道、供水系統(tǒng)、大壩等各種物體中，并且全部被連接成可相互通信的傳感網(wǎng)。按照河流數(shù)據(jù)的采集、控制和安全防護(hù)的功能區(qū)分，可將物聯(lián)網(wǎng)分為智慧傳感網(wǎng)、智慧控制網(wǎng)和智慧安全網(wǎng)。智慧河流的傳感網(wǎng)將各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)和信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心；智慧河流的控制網(wǎng)依據(jù)采集到的實時信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，再依據(jù)分析結(jié)果和規(guī)則預(yù)案對各類物聯(lián)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；智慧河流的安全網(wǎng)負(fù)責(zé)整個物聯(lián)網(wǎng)中傳感和控制信息的安全連接，保證“智慧河流”的傳感網(wǎng)和“智慧河流”的控制網(wǎng)處于對授權(quán)用戶開放、對非授權(quán)用戶完全封閉的狀態(tài)，以防止非法侵入和控制。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)、人與計算機(jī)、人與人的互聯(lián)互通，充分發(fā)揮人與計算機(jī)各自的優(yōu)點。

3.云計算

云計算是以互聯(lián)網(wǎng)為載體,利用虛擬化等手段整合大規(guī)模分布式可配置的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等計算資源,使其以服務(wù)的方式提供給用戶,滿足用戶按需使用的計算模式。其具有整合資源按需擴(kuò)展的意義,利用虛擬化技術(shù),將物理上分散的、來自不同數(shù)據(jù)中心的物理資源“整合抽象”成邏輯上集中的動態(tài)、可伸縮的虛擬資源,使其能夠有效分配和按需擴(kuò)展。這種計算模式給大眾提供充分參與的機(jī)會，一切能夠聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都能利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)位置透明、無所不在的訪問。用戶能夠在不直接購買復(fù)雜軟件和硬件的情況下,最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)獲取所需的計算力。通過云計算，人類對河流信息的獲取和管理可以更加快捷、方便。

四、“智慧河流”生態(tài)評估管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

“智慧河流”生態(tài)評估管理系統(tǒng)主要分為智慧管理層和生態(tài)評估層。其管理過程為在河流、河道整體上利用衛(wèi)片、航片遙感等手段對河流、河道整體進(jìn)行檢測，再將水文監(jiān)測站的智能控制系統(tǒng)和安裝在河流的生態(tài)信息無線傳感器數(shù)據(jù)匯合，運用智慧管理平臺對河流生態(tài)狀況進(jìn)行評估。智慧河流管理過程為結(jié)合遙感傳感，RS-GIS-GPS技術(shù)的智慧監(jiān)測評估、智慧診斷分析、依據(jù)生態(tài)評估體系的自我調(diào)度修復(fù)、修復(fù)后再評估的循環(huán)智慧管理，如圖1所示。這種持續(xù)監(jiān)控、持續(xù)評估、持續(xù)修復(fù)的智慧管理可以適應(yīng)復(fù)雜、高度不確定性、非結(jié)構(gòu)化的流域綜合管理需要，能夠快速發(fā)現(xiàn)河流生態(tài)環(huán)境變化，及時修復(fù)遭到破壞的河流水生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)河流的健康性和持久性。

在整個“智慧河流”生態(tài)評估管理過程中，河流信息的診斷、水量的調(diào)節(jié)和水環(huán)境的修復(fù)依據(jù)皆是“智慧河流”的生態(tài)評估體系，也是整個管理過程的核心。對“智慧河流”的生態(tài)評估指標(biāo)體系概念模型基于生態(tài)環(huán)境、生物多樣性、生態(tài)功能、生態(tài)壓力4個方面。評估體系分為3個層次，共28個指標(biāo)，其相互層次關(guān)系如表1所示。表l中：①生態(tài)環(huán)境指標(biāo)直接反映河流生態(tài)環(huán)境健康狀況，可以通過水文、河道地貌和環(huán)境質(zhì)量3個方面表征；②生物多樣性指標(biāo)反映河流所處流域動物和植物的種類及豐富度，可以從生態(tài)系統(tǒng)多樣性、物種多樣性和植被覆蓋率3個方面梳理；③生態(tài)功能指標(biāo)反映河流自身功能提供給人類的服務(wù)，可以從凈化功能和資源功能2個方面影響考慮；④壓力指標(biāo)反映人類社會廢物排放對河流流域的直接影響及流域所處的人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相關(guān)屬性，包括河岸穩(wěn)定性和河口環(huán)境壓力。

五、結(jié)論與展望

1.明確提出“智慧河流”的概念

本文明確提出了 “智慧河流”這一概念，旨在利用數(shù)字信息、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息化工具，實現(xiàn)對流域自身生態(tài)狀況的自我評估、自我分析診斷、自我調(diào)度修復(fù)的智慧管理功能體系。

2.初步構(gòu)建“智慧河流”生態(tài)評估管理體系

我國北方河流基本呈現(xiàn)汛期洪、非汛期澇的季節(jié)性，因此，河流的徑流和水質(zhì)變化幅度極大。但監(jiān)控措施卻一成不變，即定時定點的監(jiān)控方案。這種時間間隔基本不變，檢測地位基本不變的監(jiān)控方案不能很好地適應(yīng)我國北方河流的季節(jié)性，達(dá)不到及時了解河流變化的目的?！爸腔酆恿鳌钡闹腔郾O(jiān)控可依季節(jié)性變化而改變檢測方案，可實現(xiàn)實時檢測、診斷、調(diào)度、修復(fù)、再檢測的循環(huán)自我調(diào)節(jié)功能。“智慧河流”的管理模式同時也可實現(xiàn)統(tǒng)觀的把握，將河流的分段管理和市政管網(wǎng)的鋪設(shè)結(jié)合到一起，克服片面治理和治理效果不持久的弊端。

圖1 智慧河流生態(tài)評估管理結(jié)構(gòu)圖

3.展 望

當(dāng)今，各方面技術(shù)都可以為“智慧河流”生態(tài)評估管理體系提供足夠的技術(shù)支撐，完全可以實現(xiàn)“智慧河流”的管理模式。在水生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞、河流方面缺少有效管理手段的今天，“智慧河流”管理模式必將成為今后河流管理的發(fā)展方向，成為流域管理者的主要管理手段。

表1 生態(tài)評估體系

現(xiàn)有河流自動化調(diào)度系統(tǒng)皆為被動執(zhí)行系統(tǒng)的人為控制指令，缺少河流自身調(diào)控的智慧性，大多數(shù)數(shù)據(jù)依靠人為的判斷、分析進(jìn)而人為地給出命令且數(shù)據(jù)利用率低、綜合分析能力差，未能充分發(fā)揮數(shù)據(jù)在為人類河流管理中可貢獻(xiàn)的最大作用?！爸腔酆恿鳌辈扇〉拇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)來自河流智能系統(tǒng)自身監(jiān)測進(jìn)而診斷調(diào)控、少數(shù)數(shù)據(jù)（如生物種類、多樣性等）人為參與的方案，主要利用信息化管理技術(shù)對河流進(jìn)行實時生態(tài)監(jiān)控、生態(tài)評估和有效調(diào)控、合理分配水資源，使河流達(dá)到最佳的生態(tài)狀況。

在此基礎(chǔ)上可開發(fā)計算機(jī)軟件和APP，方便管理人員操控管理和大眾參與。通過云計算等信息手段提升廣大群眾對河流信息的獲取能力。大眾通過使用手機(jī)軟件就像了解天氣狀況一樣了解與大眾生活質(zhì)量息息相關(guān)的引用水質(zhì)量、河流魚量等，為大眾生活提供便利信息。

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責(zé)任編輯 楊 軼

Creation of Smart River System and management for ecological assessment

Ma Xingguan,Gao Chunxin,Leng Jiewen,Liu Yaqin

Management system of Smart River System can be established with the technology of creation of“smart cities”.The paper summarizes the advantages of Smart River System in terms of technical support and management model.With the adoption of information technology and tools such as digital data,Internet of things (IoT)and cloud computing as technical support and intelligent ecological system as evaluation standards,the system helps to realize constant and real-time data transformation and analysis,and make self-evaluation and analysis of river ecosystem for self-recovery according to ecological standard of a healthy river system.

Smart River;ecological assessment;smart management

TP393

B

1000-1123（2016）12-0005-03

2016-04-20

馬興冠，教授，從事水污染控制理論與技術(shù)研究。

國家水體污染控制與治理科技重大專項——河流主題渾河流域沈撫段水生態(tài)建設(shè)與功能修復(fù)技術(shù)集成與示范課題（2014ZX07202—011）。