智慧太湖建設(shè)總體目標(biāo)與關(guān)鍵內(nèi)容

戴 甦，張 敏

（水利部太湖流域管理局， 上海 200434）

0 引言

太湖流域地處長江三角洲尾閭，地跨江蘇、浙江、上海、安徽等三省一市，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、大中城市最密集、人口最集中的地區(qū)之一，流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求流域管理工作必須不斷實(shí)現(xiàn)信息化和現(xiàn)代化。 為進(jìn)一步加強(qiáng)流域管理和治理的水平，水利部太湖流域管理局（以下簡稱太湖局）在 2013 年就提出建設(shè)智慧太湖的設(shè)想[1]，是國內(nèi)最早提出智慧化建設(shè)的流域。

近幾年來，太湖流域水利信息化工作按照“突出重點(diǎn)、平臺共享”[2]的要求，以完善基礎(chǔ)設(shè)施，整合系統(tǒng)資源，推進(jìn)信息共享，深化業(yè)務(wù)應(yīng)用為重點(diǎn)，對智慧太湖建設(shè)進(jìn)行了不斷探索。同時依托國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、水資源監(jiān)控能力建設(shè)等重要項(xiàng)目，不斷推進(jìn)信息技術(shù)成果應(yīng)用，不斷完善流域防洪、水資源、改善水生態(tài)的現(xiàn)代化調(diào)度管理體系建設(shè)，為保障流域防洪和供水安全，改善水生態(tài)提供有力的技術(shù)支撐。但是，按照智慧流域建設(shè)的更高要求，目前還存在著實(shí)時感知體系不夠全面，信息資源融合共享有待進(jìn)一步深化，新技術(shù)應(yīng)用有待提高等方面的問題。因此，智慧太湖建設(shè)需要按照建設(shè)現(xiàn)代水治理體系的要求，結(jié)合流域治理和管理的需要，對信息資源進(jìn)行充分整合，推進(jìn)新一代信息技術(shù)在流域管理服務(wù)核心領(lǐng)域的應(yīng)用和融合[3]，進(jìn)一步優(yōu)化和完善智慧太湖建設(shè)的總體框架和關(guān)鍵內(nèi)容。

1 智慧太湖建設(shè)目標(biāo)和任務(wù)

2017 年，太湖局在前期流域水利信息化的基礎(chǔ)上，組織編制了《智慧太湖頂層設(shè)計(jì)》[4]，進(jìn)一步明確了智慧太湖建設(shè)的目標(biāo)、總體架構(gòu)、主要建設(shè)內(nèi)容和保障措施等。提出通過先進(jìn)的傳感和監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類水信息的全面實(shí)時感知；建成整合的太湖流域多業(yè)務(wù)融合通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面互聯(lián)和信息實(shí)時共享；通過先進(jìn)的控制方法及決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高度智能的調(diào)度和業(yè)務(wù)協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)“實(shí)時感知水信息、準(zhǔn)確把握水問題、精細(xì)調(diào)度水工程、科學(xué)管護(hù)水資源、有力保障水安全”的智慧太湖建設(shè)目標(biāo)，為形成與流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相適應(yīng)、與涉水行業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)的流域綜合治理和管理格局提供強(qiáng)大的支撐。

到 2020 年，完成智慧太湖整體框架建設(shè)，依托智慧化的技術(shù)手段和管理模式，實(shí)現(xiàn)對流域水信息的實(shí)時感知、全面互聯(lián)和充分共享，以及對流域水問題和水規(guī)律的準(zhǔn)確定位、系統(tǒng)分析、科學(xué)研判。通過及時準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警和科學(xué)高效的會商調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)對流域水資源的優(yōu)化配置，節(jié)約保護(hù)和高效利用，進(jìn)一步提高流域水安全的保障水平。

在 2025 年前后，構(gòu)建起完善的智慧太湖管理體制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)太湖局與區(qū)域水利、環(huán)保、氣象、農(nóng)林漁業(yè)等部門之間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，信息資源共享，業(yè)務(wù)流程對接。建成太湖流域大數(shù)據(jù)平臺、水利知識學(xué)習(xí)中心和業(yè)務(wù)智能（BI）平臺，推進(jìn)新一代信息技術(shù)在流域管理核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域的充分應(yīng)用與融合，重構(gòu)流域防汛抗旱、水資源管理與調(diào)度、水土保持、行政管理與公共服務(wù)等核心業(yè)務(wù)體系，全面提升水利為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展服務(wù)的能力和水平。

2 智慧太湖總體框架

“十二五”以來，我國各省市和流域機(jī)構(gòu)相繼開展了水利信息化的探索，廣東省水利廳 2017 年提出“互聯(lián)網(wǎng) + 現(xiàn)代水利”行動計(jì)劃[5]，以促進(jìn)信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合。太湖局在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于太湖流域信息化建設(shè)基礎(chǔ)，結(jié)合水利部正在推進(jìn)的智慧流域建設(shè)試點(diǎn)和《智慧水利總體方案》編制工作要求，深入分析太湖智慧化“透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、廣泛共享、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)”[6]的發(fā)展需求，圍繞智慧太湖發(fā)展目標(biāo)及建設(shè)任務(wù)，依據(jù)“創(chuàng)新機(jī)制、合力推進(jìn)，總體規(guī)劃、分步實(shí)施，平臺支撐、深化應(yīng)用，創(chuàng)新引領(lǐng)、服務(wù)轉(zhuǎn)型”的建設(shè)原則，提出智慧太湖建設(shè)方案，框架如圖 1 所示。

圖 1 智慧太湖總體架構(gòu)

總體架構(gòu)設(shè)計(jì)從全流域?qū)用娉霭l(fā)，充分考慮流域與區(qū)域業(yè)務(wù)協(xié)同需求，保障智慧太湖建設(shè)成果與水利部、太湖流域片?。ㄊ校┧到y(tǒng)、相關(guān)行業(yè)部門的對接，體現(xiàn)整體性和協(xié)調(diào)性，形成“四橫兩縱”的總體框架。其中，“四橫”包含動態(tài)感知監(jiān)測、太湖大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)支撐 3 個平臺及智能應(yīng)用系統(tǒng)，“兩縱”包含基礎(chǔ)設(shè)施、安全保障 2 個體系。

通過建設(shè)全要素動態(tài)感知水利監(jiān)測平臺作為主要數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)流域水信息的全面感知；利用太湖大數(shù)據(jù)平臺與國家水利大數(shù)據(jù)中心和三省一市的政務(wù)云水利區(qū)域共享交換水利數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)支撐平臺主要負(fù)責(zé)為智能應(yīng)用系統(tǒng)提供環(huán)境支持，實(shí)現(xiàn)水利應(yīng)用的快速開發(fā)與迭代；智能應(yīng)用系統(tǒng)為流域水利工程管理、水資源管理與保護(hù)、防汛抗旱等提供全面支撐和技術(shù)保障；基礎(chǔ)設(shè)施和安全保障體系作為建立智慧太湖的基礎(chǔ)和前提，貫穿所有的平臺與應(yīng)用，在整個框架體系中起到支撐作用，保障智慧太湖的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 智慧太湖建設(shè)主要內(nèi)容

3.1 全要素動態(tài)感知監(jiān)測平臺

動態(tài)感知監(jiān)測平臺包含水文要素、河道基礎(chǔ)資料、水利工程、水資源、水土保持、應(yīng)急等 6 個監(jiān)測方面，監(jiān)測平臺體系如圖 2 所示。依靠衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、無人船、氣象雷達(dá)、機(jī)載毫米波InSAR 系統(tǒng)等現(xiàn)代監(jiān)測手段，結(jié)合地面監(jiān)測、人工巡測等傳統(tǒng)手段，太湖流域?qū)⒅鸩浇⑵鹂仗斓匾惑w化的監(jiān)測體系。形成對水文、河道、水利工程、水資源、水土保持、應(yīng)急情況的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測監(jiān)控和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)有的流域監(jiān)測站網(wǎng)進(jìn)行升級改造，增加數(shù)據(jù)類型和采樣頻次，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站點(diǎn)自動化、智能化管理，為建設(shè)太湖大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)支撐等平臺，實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖 2 智慧太湖全要素動態(tài)感知監(jiān)測平臺示意圖

3.2 太湖大數(shù)據(jù)平臺

目前，大數(shù)據(jù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)大量新的技術(shù)，成為大數(shù)據(jù)獲取、存儲、處理分析的有效手段，能夠?qū)⒋笠?guī)模數(shù)據(jù)中隱藏的信息與知識挖掘出來，提高行業(yè)運(yùn)行效率[7]。依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)服務(wù)、應(yīng)用支撐建設(shè)基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能中深度、監(jiān)督、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立太湖大數(shù)據(jù)平臺，對水利進(jìn)行網(wǎng)格化處理，建立包含河湖管理、水利工程、水土保持等數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的太湖流域水利數(shù)據(jù)中心，形成完善的太湖流域水利數(shù)據(jù)資源體系[8]，平臺架構(gòu)如圖 3 所示。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，建立數(shù)據(jù)交換共享平臺，形成與流域內(nèi)氣象、交通、環(huán)保等行業(yè)的數(shù)據(jù)交換與共享，同時大數(shù)據(jù)平臺還應(yīng)具備數(shù)據(jù)資源、目錄管理等基礎(chǔ)服務(wù)功能。

3.3 業(yè)務(wù)支撐平臺

業(yè)務(wù)支撐平臺包含太湖流域水利知識學(xué)習(xí)中心、業(yè)務(wù)智能平臺、流域水利一張圖、高清視頻實(shí)時監(jiān)控識別平臺、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維系統(tǒng) 5 個部分，具體架構(gòu)如圖 4 所示。建設(shè)水利知識學(xué)習(xí)中心和業(yè)務(wù)智能平臺，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和虛擬仿真技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過建立水利模型庫，實(shí)現(xiàn)對工程、水利災(zāi)害和水資源調(diào)度模型的參數(shù)檢驗(yàn)和仿真模擬及預(yù)警預(yù)測等功能，為用戶提供開放的可定制工具，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的個性化定制。建立全流域多尺度、時空的水利“一張圖”服務(wù)，包含太湖流域水資源管理、水土保持、遙感數(shù)據(jù)、河湖管理等多個專業(yè)圖層。建立高清視頻實(shí)時監(jiān)控識別平臺，利用視頻識別和智能算法實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、自動識別、參數(shù)自動檢測、系統(tǒng)自動告警，以視頻分析和識別為手段獲取更加直觀、豐富、及時的信息。

3.4 智能應(yīng)用系統(tǒng)

流域智能應(yīng)用系統(tǒng)包含綜合信息服務(wù)、水文綜合業(yè)務(wù)管理、水資源管理（節(jié)水）、水資源保護(hù)、水政監(jiān)察、防汛抗旱、水土保持等 7 個系統(tǒng)，如圖 5 所示。利用三維仿真、AR/VR、深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，形成滿足水利業(yè)務(wù)、政務(wù)和服務(wù)需求的流域級應(yīng)用系統(tǒng)體系，進(jìn)一步提升流域水資源管理與保護(hù)、防汛抗旱、水政監(jiān)察、水土保持等方面的業(yè)務(wù)能力。

圖 3 智慧太湖大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

圖 4 智慧太湖業(yè)務(wù)支撐平臺架構(gòu)

圖 5 智能應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

3.5 基礎(chǔ)設(shè)施體系

基礎(chǔ)設(shè)施體系包含網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房、計(jì)算與存儲、會商環(huán)境等 4 個方面，主要提供信息傳輸、基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲、指揮調(diào)度與視頻會商等基礎(chǔ)服務(wù)，是智慧太湖建立與發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。建立太湖水利云，通過融合流域內(nèi)三省一市的政務(wù)云水利區(qū)域，以公共云為補(bǔ)充，構(gòu)建融合云平臺，將云存儲、云計(jì)算等連接到一起。通過太湖水利云的智能調(diào)度分發(fā)，提供更可靠、快速、易用的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，保障數(shù)據(jù)安全，實(shí)現(xiàn)無縫切換，并對云服務(wù)進(jìn)行自動化運(yùn)維管理。

3.6 安全保障體系

從物理、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用和管理等安全方面分別對太湖流域信息化安全進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)，建立全方位的態(tài)勢感知網(wǎng)絡(luò)安全保障體系。水利重要信息系統(tǒng)和關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)能力應(yīng)達(dá)到國家等級保護(hù)制度的相關(guān)要求，為智慧太湖平臺安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供保障。

4 結(jié)語

全要素動態(tài)感知監(jiān)測、太湖大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)支撐等平臺和智能化的水利應(yīng)用體系，以及自主可控的基礎(chǔ)設(shè)施和安全保障體系是智慧太湖建設(shè)的核心內(nèi)容?，F(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，為智慧太湖建設(shè)提供了有效的技術(shù)支撐，同時也使“四橫兩縱”的智慧太湖框架體系更加集成高效。下階段，還需進(jìn)一步加強(qiáng)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)在智慧太湖建設(shè)中的應(yīng)用，研究智慧太湖關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)體系，完善智慧太湖建設(shè)的詳細(xì)技術(shù)方案。

總之，智慧太湖建設(shè)將為實(shí)現(xiàn)流域與區(qū)域管理提供現(xiàn)代化的管理手段和措施。在完善流域監(jiān)測平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)太湖流域管理局部門之間，流域機(jī)構(gòu)與區(qū)域水利部門之間，流域內(nèi)水利與氣象、國土、環(huán)保等部門之間的信息基礎(chǔ)設(shè)施共建，信息資源共享，業(yè)務(wù)流程協(xié)同，構(gòu)建流域防汛抗旱、水資源管理與保護(hù)等基本的智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，打造隨時隨地、便捷高效的工作模式，實(shí)現(xiàn)管理流程的再造，顯著提高流域治理與管理的信息化工作水平和協(xié)同能力。