基于信息化技術的智慧水利應用及其發(fā)展研究

樊 進 呂 忍 舒 楠

（作者單位：宿遷市水務勘測設計研究有限公司 223800）

“智慧水利”建設是重要的民生工程，也是“智慧城市”的重要組成部分，貫穿于防洪減災、水資源配置、水環(huán)境保護與水管理服務等體系。國內學者目前對于智慧水利的研究主要從地理信息技術、數(shù)據(jù)庫技術、大數(shù)據(jù)和云計算等技術層面展開研究。本文基于智慧水利的研究及應用現(xiàn)狀，從智慧水利的特征、技術支撐、實施路線及存在問題四個方面進行歸納總結，并針對智慧水利的建設提出新思路與展望。

一、智慧水利的研究與應用現(xiàn)狀

在全球信息化的新形勢下，水利工作者借鑒“智慧地球”的理念提出了“智慧水利”的概念，促使數(shù)字水利、水利信息化的快速發(fā)展。目前我國的智慧水利發(fā)展現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.規(guī)劃與技術體系漸趨完善

《國家信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出要推進新型智慧城市建設行動。這些促進智慧城市發(fā)展的政策，從技術和需求上，為智慧水利的發(fā)展奠定了研究基礎。

2.基礎設施初具規(guī)模

在智慧水利發(fā)展的背景下，江蘇省無錫市開展了感知太湖智慧水利試點，建立防汛抗旱指揮智能決策系統(tǒng)、水資源和水環(huán)境管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了水利水務的智能感知、智能調度和智能管理功能；臺州的智慧水務試點建立了以“一個中心、兩個平臺、四大支撐體系”的管理系統(tǒng)；江西省水利廳出臺了《江西省智慧水利建設行動計劃》，依托智慧撫河信息化工程等項目建設積極開展智慧水利建設。

3.水利信息化的發(fā)展

水利信息化初步形成了水利業(yè)務應用、水利信息資源、水利信息化基礎設施、水利網(wǎng)絡安全、水利信息化保障環(huán)境五大體系。同時，依托這些信息化體系的建設，不斷深化水利業(yè)務應用水平，并向基層水利部門拓展。

二、智慧水利的主要特征

智慧水利就是充分利用現(xiàn)代信息技術，對水利數(shù)據(jù)、水利資源進行整合與分析，實現(xiàn)成果的可視性、設施的智能性、災害的預測性，并對水利應用進行實時精準評價，降低了人為誤差。因此，可以將智慧水利的基本特征概括如圖1。

1.感知全面化

透徹的感知能力是實現(xiàn)智慧水利的前提和基礎，通過全方位、全對象、全指標的監(jiān)測，為水利管理部門提供多種類、精細化的數(shù)據(jù)支撐。

2.互聯(lián)泛在化

通過光纖、微波等傳統(tǒng)通信技術和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術實現(xiàn)對感知對象的水利監(jiān)測、預警、分析、預測和決策能力。

3.數(shù)據(jù)規(guī)范化

高效安全的數(shù)據(jù)整合能力是智慧水利的核心。不僅包括對統(tǒng)計年份內的水利數(shù)據(jù)整理，還包括對各分級部門數(shù)據(jù)的整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

4.共享實時化

共享性是智慧水利實現(xiàn)管理與服務高效便捷的基本要求，通過各類數(shù)據(jù)的全參與、全交換，實現(xiàn)對水利數(shù)據(jù)的共用、復用和再生，為智慧水利系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。

5.應用智能化

智能化是智慧水利的核心體現(xiàn)，關鍵在于對新技術的運用程度和深度，比如地理信息技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術，有效地提高水利設施遠距離控制和智能化執(zhí)行能力。

6.服務社會化

社會服務是智慧水利的重要落腳點，通過已建立的智慧水利水務系統(tǒng)將水利數(shù)據(jù)成果圖形化、動態(tài)化，達到通俗易懂、便捷實用的目的。

三、智慧水利應用的技術路線

1.智慧水利的技術支撐

智慧水利的快速發(fā)展促進了水利信息化的進程，而新興技術的出現(xiàn)對智慧水利的發(fā)展同樣起到了關鍵性作用。

（1）跨平臺的BIM技術

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎，建立起三維的建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。 BIM作為全開放的可視化多維數(shù)據(jù)庫，是智慧水利極佳的基礎數(shù)據(jù)平臺，可保證數(shù)據(jù)隨時、隨地、隨需應用。

（2）虛擬化的云計算技術

云計算技術顛覆性地改變了傳統(tǒng)水務行業(yè)的消費模式和服務模式，節(jié)約了水利信息化的投入成本。

（3）海量的大數(shù)據(jù)技術

大數(shù)據(jù)作為互聯(lián)網(wǎng)時代的新產(chǎn)物，在數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析領域具有極強的優(yōu)勢，大大提高了水利數(shù)據(jù)的處理效率。

（4）高效的人工智能技術

圖1 智慧水利的主要特征圖

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學，具有自學習、推理、判斷和自適應能力，在水利設施的建設、運行、檢測、維修等過程中發(fā)揮著關鍵作用。

（5）科學的地理信息技術

地理信息技術，簡稱GIS技術，它是一種能夠對水利信息數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和評價的空間信息系統(tǒng)，形成能夠為水利防汛、防凌等業(yè)務服務的比較完善和高效分布式數(shù)據(jù)存儲、管理體系和影像分析平臺，滿足各種應用系統(tǒng)建設和運行的需要。

（6）實時的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

基于對自然災害監(jiān)測及預警的高度重視，實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為智慧水利中不可或缺的部分，通過先進技術，及時掌握氣象情況，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時預報災情，減少災害損失。

（7）仿真的虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術即VR技術，通過借助計算機及傳感器技術，開創(chuàng)了嶄新的人機交互手段，是一種體現(xiàn)虛擬世界的仿真系統(tǒng)。依托VR技術，可以構建出虛擬的水利環(huán)境，實現(xiàn)水數(shù)據(jù)的信息化、智能化、可視化，是一種綜合性的高科技技術。

2.智慧水利的實施路線

依托智慧水利的技術基礎，構建智慧水利系統(tǒng)平臺的實施路線，如圖2所示。設備感知層是基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、采集；數(shù)據(jù)傳輸層是工具，對收集后的數(shù)據(jù)進行分類整合；平臺層是手段，對處理后的數(shù)據(jù)進行分析計算，使數(shù)據(jù)成果化；業(yè)務應用層是交互，實現(xiàn)智慧水利的共享功能，最終目標是為相關部門提供如防汛預測、水利設施監(jiān)測、決策支持等服務。

圖2 智慧水利系統(tǒng)技術路線圖

四、智慧水利面臨的問題

目前，國內智慧水利還處于一個初步發(fā)展的階段，與智慧社會、智慧城市的需求依舊存在較大差距，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.感知能力不夠透徹

目前，各類水利設施的監(jiān)測遠未做到全面感知。例如，水庫安全監(jiān)測方面，僅有73% 的大型水庫建立了工程安全監(jiān)測設施和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，多數(shù)中型水庫和幾乎所有小型水庫都沒有安全監(jiān)測設施，大部分小型水庫甚至沒有水情監(jiān)測報汛設備。同時，感知技術手段也存在較大差距，自動化水平不高。

2.“全面互聯(lián)”不夠全面

據(jù)統(tǒng)計，還有13%的區(qū)縣級水利部門未連接到水利業(yè)務網(wǎng)，僅有6個省區(qū)水利業(yè)務網(wǎng)通達到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級水利單位，導致水利信息系統(tǒng)無法實現(xiàn)“三級部署（水利部、流域機構、省級）、五級應用（水利部、流域機構、省級、市級、縣級）”。數(shù)據(jù)庫的不連通，導致無法實現(xiàn)地域間的數(shù)據(jù)整合、分析，很難做到水資源的聯(lián)合管理和洪澇災情的聯(lián)合整治，容易形成信息孤島。

3.智能應用不足

由于智慧水利的發(fā)展總體上還處于初級階段。對于新一代高新技術，如大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實等尚未得到廣泛應用，水利管理系統(tǒng)的智能化尚未充分體現(xiàn)。

4.數(shù)據(jù)分析技術不夠先進

目前，水利工程存在數(shù)據(jù)多、種類雜、體量大的特點，而數(shù)據(jù)分析技術難以全部適用，缺乏針對性，或者說缺乏統(tǒng)一性，導致數(shù)據(jù)的分析結果誤差較大，實際應用效果不佳。如水文系統(tǒng)，是地球上最大、最復雜的動態(tài)系統(tǒng)，其子系統(tǒng)同樣復雜，包括大氣層—海洋系統(tǒng)、河流系統(tǒng)、冰川系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)等。

5.泛在服務欠缺

作為民生工程的水利行業(yè)，業(yè)務應用多，但缺乏公共服務產(chǎn)品，系統(tǒng)應用不夠人性化，操作不便，精度較差。

6.認識不到位

智慧水利作為新興的信息技術產(chǎn)物，對于很多基層水利單位來說，存在解讀不徹底、目標不清晰、任務不明確、實施不到位等問題。

五、智慧水利建設的新思路與展望

基于對智慧水利的發(fā)展現(xiàn)狀、技術特點、實施路線和存在問題的分析，提出對智慧水利建設的新思路與展望。

1.明確智慧水利的目標和任務

結合智慧水利的特征，明確智慧水利的建設目標及任務：（1）完善智慧水利建設的實施方案，積極開展智慧水利、智慧水務試點工作；（2）進行前期調研與需求分析工作，為智慧水利的開展提供現(xiàn)實支撐；（3）開展智慧水利關鍵技術研究；（4）構建智慧水利建設總體框架；（5）建立智慧水利評價指標體系。

2.加強新興技術的應用深度

積極開展高新技術在水利業(yè)務方面的研究，尤其是大數(shù)據(jù)技術，是水利信息化建設的技術基礎，加強大數(shù)據(jù)基礎設施、大數(shù)據(jù)管理與應用平臺、云數(shù)據(jù)庫和物聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建，對智慧水利的長遠發(fā)展起到至關重要的作用。

3.建立規(guī)范的信息服務系統(tǒng)

從智慧水利的總體框架出發(fā)，建設智慧水利云平臺，加強水利信息資源建設，提高水利成果共享服務，提升水利設施和智慧平臺的服務質量。

4.開展智慧水利到基層的技術服務體系

智慧水利是復雜的系統(tǒng)工程，對于技術薄弱的水利基層單位，需要加強人才培養(yǎng)，加大資金管理，完善運營模式，規(guī)范運行制度，開展技術創(chuàng)新，建立起一套完整的基層技術服務體系。

六、結語

智慧水利是智慧城市的重要組成部分，加強智慧水利的建設不僅是水利工程的發(fā)展方向，更是社會發(fā)展的需求。通過信息化技術的支撐，建立完善的智慧水利管理與服務系統(tǒng)，為水利部門、公眾提供良好的智慧服務■