基于智慧城市的智慧河流框架研究

馬興冠，席風(fēng)祥，王嘉毅

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)不斷更新，2008年IBM首席執(zhí)行官的彭明盛（S. J.Palmisano）首次提出了智慧地球的方案，旨在通過新一代信息技術(shù)，使地球的各種事物，更加互聯(lián)，更加智慧[1]。2009年8月溫家寶總理提出“感知中國(guó)”，無錫市率先建立了“感知中國(guó)”研究中心，拉開中國(guó)智慧城市建設(shè)的序幕[2]。智慧城市就是運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測(cè)、分析、整合城市運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對(duì)包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)[3]。其實(shí)質(zhì)是利用先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市智慧式管理和運(yùn)行，進(jìn)而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活，促進(jìn)城市的和諧、可持續(xù)成長(zhǎng)[4]。2016年9月中荷水管理研討會(huì)，陳雷提出加快水利信息化與現(xiàn)代化的步伐。智慧河流和智慧醫(yī)療，智慧小區(qū)等都是智慧城市的重要組成部分。智慧河流建設(shè)需要依托智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)手段，反之智慧河流建設(shè)必然推動(dòng)智慧城市向更深層次發(fā)展，更好的實(shí)現(xiàn)智慧城市的發(fā)展目標(biāo)。

1 河流管理現(xiàn)狀

人類逐水而居，大江大河一直是人類文明的發(fā)源地。以河流為中樞的水循環(huán)是地球上最重要的物質(zhì)循環(huán)[5]。人類對(duì)河流的開發(fā)利用大致可以分為3個(gè)階段：從以為了灌溉、航運(yùn)、防洪的原始管理到改造河流的開發(fā)管理到現(xiàn)在人與河流和諧相處的智慧管理，更加注重人水和諧，更加注重河流信息化。對(duì)河流不同層次的開發(fā)利用，也決定了應(yīng)該采取不同的河流管理方式。

Google Trend 可以直觀的顯示某一關(guān)鍵詞的搜索熱度，圖1是對(duì)“河流管理”一詞進(jìn)行檢索，時(shí)間設(shè)置為近5年，從搜索結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家對(duì)河流管理的研究保持較高的興趣，同樣這些國(guó)家也最早實(shí)施了河流管理計(jì)劃。美國(guó)確立了與自然相協(xié)調(diào)的可持續(xù)的河流管理理念，在尋求控制河流的同時(shí)，保護(hù)河流的自然價(jià)值，在治理河流的同時(shí)創(chuàng)造更多的濕地與野生動(dòng)物棲息地[6]。澳大利亞開展了“國(guó)家河流健康計(jì)劃”，評(píng)價(jià)現(xiàn)行水管理政策及實(shí)踐的有效性，并為管理決策提供更全面的生態(tài)學(xué)及水文學(xué)數(shù)據(jù)，有助于確定河流恢復(fù)的目標(biāo)，引導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的河流管理[7]。日本也將河流環(huán)境整治和保護(hù)列入河流管理的工作內(nèi)容，河流的管理目標(biāo)不斷擴(kuò)大，明確河流管理的目標(biāo)應(yīng)實(shí)現(xiàn)多樣化，注重聽取地方政府和居民的意見，針對(duì)問題，修改相應(yīng)法律[8]。

2 智慧河流內(nèi)涵

2.1 概念

到目前為止，對(duì)“智慧河流”的概念還沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，并綜合考慮我國(guó)的實(shí)際情況“智慧河流”是指以河流健康管理為中心，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、GIS等現(xiàn)代化技術(shù)為手段，以計(jì)算機(jī)，射頻識(shí)別設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等為工具、以智慧管理、智慧應(yīng)用為主要的表現(xiàn)形式、以滿足為科研工作、政府主管部門提供輔助策略，發(fā)揮信息的更大價(jià)值為根本任務(wù)的一種新型河流管理模式。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將感知功能賦予到萬(wàn)物中，實(shí)現(xiàn)人與物，物與物的有效結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)更全面的互聯(lián)互通、更有效的數(shù)據(jù)整合、更完善的信息共享、更好的業(yè)務(wù)協(xié)同和更強(qiáng)的創(chuàng)新發(fā)展。

圖1 Google Trend顯示的搜索熱度圖

智慧河流框架設(shè)計(jì)分為4層，分別為智基工程、智心工程、智腦應(yīng)用、效能展示層，詳見圖2。智基工程主要包括物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的架設(shè)，為互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)共享奠定良好的基礎(chǔ)。智基工程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)、采集工作；智心工程為大數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)處理的載體。此層更多依托以智慧城市的大數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)提供數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)、交換、共享、開放環(huán)境。智腦應(yīng)用主體為智慧河流運(yùn)營(yíng)管理中心，該中心已大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘，一方面擴(kuò)充、修正河流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面，通過對(duì)數(shù)據(jù)的整合分析，為民生服務(wù)、科研管理、產(chǎn)業(yè)提升等應(yīng)用帶來數(shù)據(jù)支撐。智慧河流運(yùn)營(yíng)管理中心通過可視化、智能化的方式，將河流相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綜合顯示在管理者面前，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與管理。

圖2 智慧河流概念框架圖

2.2 特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)感知——通過先進(jìn)的傳感器和智能設(shè)備構(gòu)筑遍布流域的“河流傳感網(wǎng)”，全面實(shí)時(shí)的測(cè)量、監(jiān)控和分析水文、水情等信息。

（2）全面整合——通過通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)水利系統(tǒng)完全連接和融合，充分整合共享現(xiàn)有系統(tǒng)的的基礎(chǔ)設(shè)施。

（3）統(tǒng)一協(xié)作——通過統(tǒng)一的綜合信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)作，達(dá)成科學(xué)的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）創(chuàng)新應(yīng)用——通過科技創(chuàng)新為政府、企業(yè)和個(gè)人提供更為高效、便捷的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為水利信息化提供源源不斷的發(fā)展動(dòng)力。

2.3 智慧河流建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域

（1）智能基礎(chǔ)設(shè)施

智能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是智慧河流建設(shè)的基礎(chǔ)工作。主要包括2個(gè)部分，智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和智能傳輸設(shè)備。取代傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的新型監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)全方位、快速準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)的要求。替代人工操作，節(jié)約人力成本。建立以有線寬帶網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)、4G移動(dòng)網(wǎng)為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系，及時(shí)有效的向網(wǎng)絡(luò)中心傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）智慧人文

河流現(xiàn)代化的管理一方面需要現(xiàn)代化設(shè)備的支持，另一方面也離不開科研工作者的實(shí)力。要充分利用高校、科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)在人才方面的資源優(yōu)勢(shì)，為構(gòu)建智慧河流提供可靠地智慧源泉。要完善人才的發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)和使用機(jī)制，營(yíng)造良好的人才環(huán)境。

（3）智慧應(yīng)用

智慧應(yīng)用是智慧河流建設(shè)的核心任務(wù)。智慧應(yīng)用主要包括健康診斷系統(tǒng)、健康預(yù)警系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、健康修復(fù)系統(tǒng)等。其中健康診斷系統(tǒng)是智慧應(yīng)用的重要內(nèi)容，對(duì)河流出現(xiàn)的問題，進(jìn)行查病癥，找病因，預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)，并給出相應(yīng)的輔助解決方案，幫助管理者實(shí)現(xiàn)智慧決策。

3 智慧河流的系統(tǒng)框架

參照物聯(lián)網(wǎng)的框架體系，我們提出智慧河流的框架體系，主要包括3個(gè)層次，基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)融合層、應(yīng)用中樞層，見圖3。

圖3 智慧河流技術(shù)框架圖

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋ｋS著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，河流實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)變成可能，國(guó)內(nèi)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在河流方面的探索，使得河流監(jiān)測(cè)技術(shù)走向成熟。美國(guó)Heliosware公司開發(fā)的Em Net系統(tǒng)、澳大利亞信息通信技術(shù)中心研發(fā)的FLECK系統(tǒng)，都實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH值、水壓、電導(dǎo)率和溶氧量監(jiān)測(cè)[10]。無錫市實(shí)施“感知太湖，智慧水利”項(xiàng)目對(duì)推進(jìn)太湖科學(xué)治理、形成一種新的物聯(lián)網(wǎng)水利行業(yè)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、提升無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展和國(guó)內(nèi)引領(lǐng)創(chuàng)新將起到重要的推動(dòng)作用。天津市重點(diǎn)污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的安裝及聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)取得污染物的排放情況[11]?！疤旖蚴形廴驹丛诰€監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理系統(tǒng)”和“天津市污染源在線監(jiān)控信息發(fā)布平臺(tái)”，初步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、管理、存儲(chǔ)、處理和異常排放預(yù)警等功能，為各級(jí)管理部門及時(shí)提供環(huán)境空氣質(zhì)量信息[12]。

數(shù)據(jù)融合層主要包括了一系列的數(shù)據(jù)庫(kù)。包括專家?guī)?、知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)、閾值庫(kù)等。專家?guī)靸?nèi)容包括專家姓名、出生年月、研究領(lǐng)域、所在單位、職稱、相關(guān)處理案例、發(fā)表論文及相關(guān)著作、聯(lián)系方式、工作經(jīng)歷、備注。知識(shí)庫(kù)包括診斷指標(biāo)的數(shù)據(jù)、解決方案信息等。模型庫(kù)包括與軟件有關(guān)的診斷模型、調(diào)度模型、預(yù)警模型。閾值庫(kù)涉及指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、閾值信息。

應(yīng)用中樞層是智慧河流框架體系的核心，是智慧河流的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。該部分包括診斷系統(tǒng)、健康評(píng)價(jià)子系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)等。應(yīng)用中樞層的實(shí)現(xiàn)，有時(shí)需要通過各庫(kù)的聯(lián)合調(diào)用存取、協(xié)調(diào)才能完成。河流健康的診斷、預(yù)警、修復(fù)、調(diào)度等都需要多庫(kù)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行處理，主要是數(shù)據(jù)庫(kù)與圖形庫(kù)之間的聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)庫(kù)與專家?guī)熘g的聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)智慧河流概念的解讀，參考智慧城市，從概念設(shè)計(jì)上將智慧河流劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)融合層、應(yīng)用中樞層、效能展示層4個(gè)部分。從智能基礎(chǔ)設(shè)施、智慧人文、智慧應(yīng)用3個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，建設(shè)智慧河流。構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)融合層、應(yīng)用中樞層的技術(shù)框架。智慧河流需要融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等多種技術(shù)如今，河流物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨成熟，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，而面向大數(shù)據(jù)的云計(jì)算尚面臨諸多挑戰(zhàn)為了最終實(shí)現(xiàn)智慧河流，我們需要在河流大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、處理、分析等方面尋求突破，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套完整的河流大數(shù)據(jù)管理與處理平臺(tái)。

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