智慧水庫探討

趙平

摘要：究水庫安全管理信息化與人類智慧，定義智慧水庫概念;設(shè)計基于云平臺的智慧水庫6層架構(gòu)，闡述各層內(nèi)容及相互關(guān)系;分析智慧水庫中信息感知、互聯(lián)和系統(tǒng)智能化等關(guān)鍵問題，采用新型智能傳感器、信息感知方式多樣化、水庫物聯(lián)網(wǎng)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理、信息標(biāo)準(zhǔn)化、信息融合、業(yè)務(wù)協(xié)同和人工智能等方法和技術(shù)解決問題，為智慧水庫研究與建設(shè)提供技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：智慧水庫;互聯(lián)網(wǎng)+;水庫管理;一體化;信息化

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水庫安全管理工作已逐步采用自動化和計算機等技術(shù)，建立水情自動測報、洪水預(yù)報與調(diào)度、工程安全監(jiān)測、工程安全分析與預(yù)警、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)視、下游洪水演進(jìn)與風(fēng)險分析、辦公自動化等系統(tǒng)，實現(xiàn)管理工作部分自動化，減少安全管理工作量。但這些系統(tǒng)在信息感知、互聯(lián)和智能化程度等方面還存在不足，不能完全承擔(dān)水庫安全管理工作，與期望還有一定差距。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，特別是人工智能技術(shù)的進(jìn)步，采用信息透徹感知、全面互聯(lián)及決策高度智能的智慧水庫平臺承擔(dān)水庫安全管理工作已成為可能，這也是水庫安全管理信息化的必經(jīng)之路。

1智慧水庫概念

2008年11月IBM提出智慧地球概念。近年來，智慧城市、智慧水利、智慧水務(wù)等概念相繼被提出。人類智慧是人類所具有的、基于神經(jīng)器官的高級綜合能力，包含感知、知識、記憶、理解、聯(lián)想、情感、邏輯、辨別、計算、分析、判斷、文化、中庸、包容、決定、表達(dá)等多種能力。智慧讓人可以深刻地理解人、事、物、社會、宇宙、現(xiàn)狀、過去、將來，擁有思考、分析、探求真理的能力。水庫安全管理工作包括大壩建設(shè)、管理及險壩處理等。應(yīng)用信息化手段開展這些工作，主要涉及信息采集、識別、傳輸、存儲、展示、安全分析、預(yù)測、預(yù)警、決策支持等。智慧水庫應(yīng)用新一代信息技術(shù)，透徹感知水庫信息，促進(jìn)水庫信息全面互聯(lián)與深度融合，實現(xiàn)水庫安全管理高度智能化。水庫信息分為業(yè)務(wù)和事務(wù)等信息，業(yè)務(wù)信息包括水庫基礎(chǔ)、BIM（建筑信息模型）、工程建設(shè)、注冊登記、調(diào)度規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案、水情、工情、閘門監(jiān)控、視頻、水質(zhì)、氣象、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、分析與預(yù)警、決策支持等信息;事務(wù)信息包括公文、會議、采購、資產(chǎn)、人力資源、培訓(xùn)、考核、精細(xì)化（元素化）管理等信息。信息全面互聯(lián)與深度融合是通過網(wǎng)絡(luò)、云平臺、信息標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)交換等實現(xiàn)的。水庫管理智能化體現(xiàn)在洪水預(yù)報、工程安全分析、水庫調(diào)度、水資源管理、辦公自動化等系統(tǒng)具有高度智能及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的運行管理方式。

2智慧水庫關(guān)鍵問題

2.1信息感知

信息感知關(guān)鍵是信息全面性、感知自動化和系統(tǒng)可靠性。目前，水庫一般采集水情、工情、視頻、閘門控制等信息，較少采集水質(zhì)、氣象、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟等信息，信息感知不全面。水情、視頻、閘門等信息采集基本實現(xiàn)自動化;工情信息采集部分實現(xiàn)自動化;其它信息感知很少實現(xiàn)自動化，主要依靠人工采集，工作量大，實時性差。部分信息采集自動化系統(tǒng)可靠性差，系統(tǒng)安裝一兩年后故障頻發(fā)，造成信息大量缺失，信息感知的連續(xù)性得不到保證。采用新型智能傳感器、信息感知方式多樣化、水庫物聯(lián)網(wǎng)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理等方法和技術(shù)，可有效解決信息感知問題。新型智能傳感器具有智能化、小型化/微型化、低功耗、易安裝、低故障率、免維護(hù)等特點。采用新型智能傳感器，信息采集更加便捷、準(zhǔn)確，易于實現(xiàn)自動化，可采集的信息類型更多，系統(tǒng)更加可靠。信息不僅可以通過傳感器獲取，也可通過其它途徑獲取。例如：通過購買，實時或定期獲取遙感影像，用于水庫保護(hù)范圍和生態(tài)的管理;通過網(wǎng)絡(luò)機器人，從互聯(lián)網(wǎng)獲取水庫周邊工程及企業(yè)建設(shè)信息、社會經(jīng)濟信息、水利科技技術(shù)、水庫突發(fā)事件和管理經(jīng)驗等Web數(shù)據(jù)，用于水庫生態(tài)管理和應(yīng)急搶險與救助等;游客和水庫樞紐附近居民通過移動終端提交險情信息。水庫物聯(lián)網(wǎng)（水庫通）在統(tǒng)一的信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，由互聯(lián)網(wǎng)，4G，5G，光纖網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi基站，無線網(wǎng)橋，ZigBee，NFC，RFID等多網(wǎng)絡(luò)融合而成。水庫物聯(lián)網(wǎng)覆蓋水庫樞紐和管理場所，實現(xiàn)傳感器、存儲、計算、控制、終端等設(shè)備之間的互聯(lián)互通。水庫物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，可以使設(shè)備更加方便、快捷地接入系統(tǒng)，為信息采集自動化提供信息傳輸保障。現(xiàn)實世界中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)僅占數(shù)據(jù)總量的5%左右，其余為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。水庫安全管理中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括文檔、圖像、視頻、遙感影像、Web數(shù)據(jù)等，圖像和視頻數(shù)據(jù)處理有助于盡早發(fā)現(xiàn)工程安全隱患;Web數(shù)據(jù)處理為水庫安全管理提供多維度、多視角的信息，使水庫成為地理和社會環(huán)境中有機組成部分，而不是一個孤立實體。

2.2系統(tǒng)智能化

系統(tǒng)高度智能化是智慧水庫的重點和難點?，F(xiàn)有信息系統(tǒng)智能化程度不高，特別是與水庫安全管理密切相關(guān)的信息系統(tǒng)，存在準(zhǔn)確性差、功能弱、須人工干預(yù)等問題。例如：洪水預(yù)報系統(tǒng)需要人工調(diào)整模型參數(shù)，預(yù)報精度不高，很少能達(dá)到85%;工程安全分析與預(yù)警系統(tǒng)需要人工參與，分析結(jié)果須經(jīng)過專家審核才能發(fā)布;下游洪水演進(jìn)與風(fēng)險分析系統(tǒng)計算時間長，一般僅對特定的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水演進(jìn)，且需提前計算出結(jié)果。采用模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可使系統(tǒng)高度智能化，具有主動學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。洪水預(yù)報系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理衛(wèi)星云圖，獲取面雨量。結(jié)合站點雨量預(yù)報來水，采用智能計算技術(shù)，應(yīng)用場次洪水自動調(diào)整模型參數(shù)，可提高預(yù)報精度。工程安全分析與預(yù)警系統(tǒng)采用模式識別技術(shù)，對斷面圖進(jìn)行處理，根據(jù)圖層，自動生成網(wǎng)格。滲流有限元和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算時，根據(jù)全面感知的信息，判斷水庫當(dāng)前運行條件，自動確定工況。采用人工智能技術(shù)，能夠靈活運用專家知識和經(jīng)驗，分析結(jié)果更加可靠，可直接發(fā)布。下游洪水演進(jìn)與風(fēng)險分析系統(tǒng)采用云計算技術(shù)進(jìn)行洪水演進(jìn)，大幅縮短計算時間，可隨時對任意下泄流量進(jìn)行即時洪水演進(jìn)，計算淹沒范圍和損失，使下游洪水演進(jìn)與風(fēng)險分析系統(tǒng)更貼近水庫安全管理需要，更具有實用價值。系統(tǒng)智能化程度提高，使系統(tǒng)驅(qū)動方式由人工驅(qū)動轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)/事件驅(qū)動。系統(tǒng)不需要人工干預(yù)，水庫管理人員也無需時常關(guān)注運行情況，僅需根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成相關(guān)管理工作。結(jié)語水庫及水庫群的管理是水利管理部門的核心業(yè)務(wù)，鑒于水庫群信息種類多，數(shù)量大的特點，智慧水庫一體化管理平臺通過靈活運用WebGIS技術(shù)，充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)在展示上的優(yōu)勢，將水庫的主要信息元素化后集中在一張地圖上展示，達(dá)到提升用戶體驗的目的。另外，系統(tǒng)緊密結(jié)合水庫管理單位的業(yè)務(wù)實際需求，從功能設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲和管理、性能需求、安全需求等方面做了詳細(xì)設(shè)計，形成了一套既滿足業(yè)務(wù)需求又具備高性能特點的體系架構(gòu)，很好解決了水庫及水庫群管理的主要問題，為智慧水庫的建設(shè)發(fā)揮積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]許曄，郭鐵成.IBM“智慧地球”戰(zhàn)略的實施及對我國的影響[J].中國科技論壇，2014（3）：148-153.

[2]劉輝.水利工程智慧之路探討———從通用IT到知識自動化到數(shù)據(jù)智能[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2017（12）.