張 濤 黃 銳 王 妍
(水利部海委水利信息網(wǎng)絡(luò)中心,天津 300170)
2017年2月,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、水利部、國(guó)家林業(yè)和草原局聯(lián)合印發(fā)了《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》(以下簡(jiǎn)稱《總體方案》),在分析評(píng)價(jià)永定河現(xiàn)狀及存在主要問(wèn)題的基礎(chǔ)上,從水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復(fù)、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設(shè)、水環(huán)境治理與保護(hù)、水資源監(jiān)控體系建設(shè)和流域綜合管理與協(xié)同治理機(jī)制等方面,提出了重點(diǎn)治理措施,根據(jù)流域水資源自然條件和生態(tài)狀況,按照有限目標(biāo)、突出重點(diǎn)的原則,堅(jiān)持“治理、恢復(fù)、涵養(yǎng)、提升”相結(jié)合,統(tǒng)籌山水林田湖生命共同體,突出水和林兩個(gè)生態(tài)要素,把保障河湖生態(tài)用水放在突出位置,加大節(jié)水力度,遏制地下水超采,提升水源涵養(yǎng)能力,合理配置外調(diào)水,創(chuàng)新協(xié)同管理機(jī)制,集中利用5~10年時(shí)間,逐步恢復(fù)永定河生態(tài)系統(tǒng),將永定河打造為貫穿京津冀晉的綠色生態(tài)河流廊道,逐步將永定河恢復(fù)為“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”,促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)以及區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)[1]。
同年,《智慧永定河技術(shù)方案》啟動(dòng)編制,對(duì)永定河流域水利信息化進(jìn)行頂層設(shè)計(jì),緊密結(jié)合永定河綜合治理和生態(tài)修復(fù)工作需要,銜接《總體方案》中各項(xiàng)治理措施和海委、兩省兩市(山西省、河北省、北京市、天津市)、永定河投資公司的信息化工作。本研究重點(diǎn)以智慧化視角,從透徹感知、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用、保障體系等層面探討新一代新信息技術(shù)與永定河流域核心管理工作的融合應(yīng)用[2],以期為河流綜合治理與生態(tài)修復(fù)提供人物交互、科學(xué)分析、決策支持等提供支撐,從而實(shí)現(xiàn)《總體方案》信息化層面的有利補(bǔ)充和深化提升。
《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出,要推進(jìn)“六河五湖”生態(tài)治理與修復(fù)。永定河是“六河五湖”中的重要河流之一,是京津冀區(qū)域重要水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道,先行開(kāi)展永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù),打造綠色生態(tài)河流廊道,是京津冀協(xié)同發(fā)展在生態(tài)領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)突破的著力點(diǎn),對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的引領(lǐng)示范作用。
永定河山區(qū)水資源總量26.61億m3,人均水資源量276m3,僅為全國(guó)人均水資源量的9.8%。近年來(lái),受氣候及下墊面變化影響,水資源量呈明顯衰減趨勢(shì),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,地表水開(kāi)發(fā)利用率達(dá)到89%,遠(yuǎn)超國(guó)際公認(rèn)40%的合理開(kāi)發(fā)利用紅線;山區(qū)淺層地下水實(shí)際開(kāi)采量占可開(kāi)采量的94%,開(kāi)采總量接近上限。目前,正在逐步深入實(shí)施永定河生態(tài)水量調(diào)度和節(jié)水措施,這些措施是保障永定河生態(tài)水量、改善流域水生態(tài)環(huán)境的重要手段,急需全面監(jiān)控、精密計(jì)算、智能決策的技術(shù)手段。
永定河是京津冀區(qū)域重要的防洪安全屏障。作為全國(guó)四大防洪江河之一,實(shí)施防洪薄弱環(huán)節(jié)治理,消除防洪隱患,對(duì)京津冀協(xié)同發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要意義。需通過(guò)防汛抗旱基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)體系、水工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系信息集成,掌握流域內(nèi)防汛抗旱減災(zāi)、水工程安全運(yùn)行基本情況,基于全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型,實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度、旱情預(yù)測(cè)預(yù)警、蓄滯洪區(qū)安全運(yùn)用以及水工程運(yùn)行的安全管控,逐步實(shí)現(xiàn)永定河流域內(nèi)水安全保障業(yè)務(wù)的智慧化。
永定河現(xiàn)狀水功能區(qū)主要污染物COD、氨氮年均入河量分別超過(guò)納污能力1.5倍、7.6倍,41個(gè)水功能區(qū)中只有11個(gè)達(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率僅26.8%,水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類的河長(zhǎng)占總河長(zhǎng)的52%以上。需要通過(guò)加強(qiáng)污染監(jiān)控,掌握污染特點(diǎn)與規(guī)律,構(gòu)建模型分析納污能力,提出限排方案,強(qiáng)化污染控制;針對(duì)突發(fā)水污染事件,匯集多源數(shù)據(jù)并構(gòu)建模型組,提供全過(guò)程輔助支持技術(shù)手段。
目前,永定河上游水源涵養(yǎng)能力差,水土流失依然嚴(yán)重,仍有1.5萬(wàn)km2需要治理,生態(tài)用水被大量擠占,下游平原河道1996年后完全斷流,平均干涸長(zhǎng)度140km,局部河段河床沙化,地下水位下降,地面沉降。需要深度管理與挖掘遙感、視頻、監(jiān)測(cè)等不同類型、來(lái)源的數(shù)據(jù),構(gòu)建專業(yè)模型,加強(qiáng)流域水生態(tài)環(huán)境特別是濕地、平原骨干河道、入海河口等敏感區(qū)域以及地下水采補(bǔ)、水土流失等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警,動(dòng)態(tài)分析模擬變化過(guò)程,分析判斷影響因素,實(shí)現(xiàn)治理效果綜合評(píng)估和智能化決策,同時(shí),通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償管理業(yè)務(wù)應(yīng)用,為生態(tài)補(bǔ)償管理工作提供支撐。
智慧永定河是永定河流域水利信息化建設(shè)和現(xiàn)代化管理相結(jié)合的通俗易懂的一種表達(dá),以永定河水利管理精細(xì)化、決策科學(xué)化、調(diào)度協(xié)同化、服務(wù)社會(huì)化為出發(fā)點(diǎn),永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)需求為導(dǎo)向,以水管理單元為對(duì)象,應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧感知、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等最新信息技術(shù),從空間結(jié)構(gòu)、時(shí)間過(guò)程、特征屬性和客觀規(guī)律4方面對(duì)永定河流域進(jìn)行全息化描述,以面向問(wèn)題和面向?qū)ο蟮慕M織方式,采用業(yè)務(wù)系統(tǒng)、專業(yè)模型和對(duì)象參數(shù)相分離的構(gòu)件化方式,實(shí)現(xiàn)永定河流域水事活動(dòng)描述全息化、水利控制工程監(jiān)控自動(dòng)化和輔助決策科學(xué)化,為實(shí)現(xiàn)永定河的綜合治理和現(xiàn)代化管理提供技術(shù)支撐,實(shí)現(xiàn)智慧永定河“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)”[3]的總體目標(biāo),是永定河生態(tài)廊道修復(fù)和河流現(xiàn)代化管理的重要標(biāo)志。
智慧永定河=數(shù)字永定河+人工智能(AI,Artificial Intelligence)技術(shù)+管理機(jī)制創(chuàng)新(MI,Management Innovation)。數(shù)字永定河是以永定河流域?yàn)閷?duì)象,應(yīng)用遙感(RS)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(DCS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)、現(xiàn)代通信等科技手段,對(duì)永定河流域的資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化、數(shù)字整合、虛擬仿真的信息集成應(yīng)用系統(tǒng),并提供決策支持的可視化表現(xiàn);人工智能是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)新的技術(shù)科學(xué),人工智能技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、自然語(yǔ)言、機(jī)器視覺(jué)等多個(gè)領(lǐng)域在內(nèi)的信息新技術(shù);管理機(jī)制創(chuàng)新是運(yùn)用現(xiàn)代科技手段喚醒傳統(tǒng)水利管理機(jī)制,推動(dòng)數(shù)據(jù)資源和新技術(shù)在生態(tài)治理、政府管理、民生服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用,促進(jìn)管理機(jī)制向生態(tài)型、民生型的智能化轉(zhuǎn)型。
從全局和整體層面進(jìn)行設(shè)計(jì),橫向形成感知層、網(wǎng)絡(luò)層、永定河大腦、應(yīng)用層4個(gè)層次,縱向形成網(wǎng)絡(luò)安全保障體系、協(xié)同管理體系兩個(gè)體系的總體架構(gòu),見(jiàn)圖1。江河湖泊、水利工程、水利管理活動(dòng)以及其他各類信息,經(jīng)過(guò)水利感知系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)匯聚到永定河云,形成數(shù)據(jù)資源池。通過(guò)對(duì)池中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理形成數(shù)據(jù)資源目錄,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)環(huán)境,基于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用使能和應(yīng)用支撐平臺(tái)設(shè)計(jì),為水利大腦提供業(yè)務(wù)支撐、服務(wù)支持、服務(wù)決策與綜合運(yùn)維的基礎(chǔ)能力,實(shí)現(xiàn)上層智能應(yīng)用,推動(dòng)水利領(lǐng)域各類業(yè)務(wù)的智慧化運(yùn)行,服務(wù)水的精細(xì)管理[4]。
圍繞永定河流域的水利業(yè)務(wù)需求和水利監(jiān)督工作要求,利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、視頻圖像捕捉、遙感、無(wú)人機(jī)等技術(shù)提升綜合感知能力,建成覆蓋永定河全流域277條河流,包含氣象、水文、工情、墑情、災(zāi)情、水質(zhì)、水生態(tài)、水土保持、地下水以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息在內(nèi)的空天地一體化永定河感知網(wǎng),包括基礎(chǔ)感知網(wǎng)構(gòu)建、動(dòng)態(tài)感知能力提升和購(gòu)置數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)建設(shè)等內(nèi)容,為永定河流域水事活動(dòng)提供基礎(chǔ)、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)源。
按照水利信息資源整合“五統(tǒng)一”的總體要求,永定河水利大腦由“一云一池三平臺(tái)”構(gòu)成,包括永定河云、數(shù)據(jù)資源池、信息資源平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)和智慧使能平臺(tái)。
永定河云整合各類基礎(chǔ)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房環(huán)境等資源,通過(guò)云管平臺(tái)提供云IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))能力,為用戶提供彈性、可定義、按需分配、特性豐富的云化資源。
數(shù)據(jù)資源池主要存儲(chǔ)空間、基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)、多媒體、元數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)資源,并提供數(shù)據(jù)資源交換共享服務(wù),提供云DaaS(數(shù)據(jù)即服務(wù))能力。
信息資源交換服務(wù)平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)和智慧使能平臺(tái)共同組成支撐層,提供云PaaS(平臺(tái)即服務(wù))和部分云SaaS(軟件即服務(wù))能力,實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源的彈性分配,統(tǒng)一運(yùn)維,實(shí)現(xiàn)永定河流域水利行業(yè)、其他行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的歸集、治理、共享和開(kāi)放[5]。
數(shù)據(jù)架構(gòu)是描述數(shù)據(jù)在永定河相關(guān)單位內(nèi)部及之間全生命周期管理的流程、參與流程的功能組件以及它們之間的相互關(guān)系。圍繞業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù),按照數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)應(yīng)用的流程逐級(jí)流轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖2)。通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)監(jiān)控、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),保障了數(shù)據(jù)生命力?;谟蓝ê釉茢?shù)據(jù)中心和分布式計(jì)算、存儲(chǔ)和管理技術(shù),支撐大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用。水利業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)資源池的全域數(shù)據(jù)采集、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)架構(gòu)、深度萃取數(shù)據(jù)價(jià)值、統(tǒng)一數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理和統(tǒng)一主題式服務(wù),形成對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理決策過(guò)程的支持。
圖2 智慧永定河數(shù)據(jù)架構(gòu)
智慧永定河基礎(chǔ)設(shè)施云采用“三中心、四節(jié)點(diǎn)”的總體架構(gòu)(見(jiàn)圖3),包括海委主中心、主中心同城異址的備份中心和永定河投資公司運(yùn)營(yíng)中心3個(gè)中心,并在北京、天津、河北、山西4省市水利部門(mén)分別建設(shè)子節(jié)點(diǎn)。借助統(tǒng)一的云管理平臺(tái),構(gòu)建計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池和備份資源池,實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一管理和按需服務(wù)。同時(shí),可以與公有云或各節(jié)點(diǎn)本地政務(wù)云相結(jié)合,構(gòu)建混合云架構(gòu),實(shí)現(xiàn)私有云、公有云及政務(wù)云的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運(yùn)維。
圖3 智慧永定河基礎(chǔ)設(shè)施云架構(gòu)
智慧永定河網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用層次性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),按流域/省市級(jí)、地市級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)4級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)自上而下各部門(mén)網(wǎng)的互聯(lián)互通,并實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)各省市政府網(wǎng)絡(luò)互通。
充分利用通信專網(wǎng)資源,結(jié)合租用公網(wǎng)鏈路,在現(xiàn)有永定河流域網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過(guò)光纖、4G/5G、衛(wèi)星傳輸?shù)扔芯€、無(wú)線、近距離、中距離、遠(yuǎn)距離各種不同的方式進(jìn)行組網(wǎng),主要包括水利業(yè)務(wù)網(wǎng)和水利工控網(wǎng)。水利業(yè)務(wù)網(wǎng)分為業(yè)務(wù)骨干網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)、城域網(wǎng)、部門(mén)網(wǎng)、感知通信網(wǎng)和應(yīng)急通信網(wǎng),并與水利工控網(wǎng)物理隔離,僅在生產(chǎn)管理區(qū)單向連接。智慧永定河網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖4。
圖4 智慧永定河網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
圍繞永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)目標(biāo),以強(qiáng)監(jiān)管為主導(dǎo)思想,遵循“分工明確、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同”的思路,構(gòu)建以綜合監(jiān)管為核心,支撐永定河流域水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復(fù)、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設(shè)、水環(huán)境治理與保護(hù)等重點(diǎn)治理措施,兼顧政務(wù)服務(wù)、公共服務(wù)等工作內(nèi)容,服務(wù)于“監(jiān)控分析、決策處置、反饋評(píng)估”全過(guò)程的業(yè)務(wù)架構(gòu)(見(jiàn)圖5)。
圖5 智慧永定河業(yè)務(wù)架構(gòu)
通過(guò)綜合監(jiān)管,改進(jìn)單一業(yè)務(wù)方向的管理模式,對(duì)永定河流域狀況進(jìn)行全方位在線監(jiān)控,綜合運(yùn)用多源信息,及時(shí)識(shí)別問(wèn)題并啟動(dòng)相關(guān)業(yè)務(wù)深入分析處理,全面強(qiáng)化監(jiān)管力度;同時(shí),統(tǒng)籌各項(xiàng)工作內(nèi)容,加強(qiáng)業(yè)務(wù)協(xié)同,對(duì)各業(yè)務(wù)提出的需求、方案等進(jìn)行綜合分析和協(xié)調(diào)處置,落實(shí)監(jiān)管責(zé)任,提升監(jiān)管效能。
在綜合監(jiān)管的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下,通過(guò)水資源管理、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境保護(hù)、水安全保障等業(yè)務(wù),積極應(yīng)對(duì)永定河流域在水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害等方面存在的具體問(wèn)題。同時(shí),在政務(wù)服務(wù)和公共服務(wù)方面,通過(guò)資源整合挖掘和流程優(yōu)化完善等方式,擴(kuò)大服務(wù)范圍,完善服務(wù)內(nèi)容,改進(jìn)服務(wù)模式,提升流域管理能力與公共服務(wù)水平[5]。
構(gòu)建覆蓋智慧水利綜合感知、分析處理和智能應(yīng)用全過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系,主要任務(wù)包括永定河大腦、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)邊界、園區(qū)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工控網(wǎng)等主要防護(hù)對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)安全防御能力提升;建設(shè)并完善覆蓋海委、兩省兩市及永定河投資公司、關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行管理單位的水利統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)、統(tǒng)一密碼服務(wù),建設(shè)3級(jí)以上信息系統(tǒng)異地?cái)?shù)據(jù)備份,關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級(jí)容災(zāi)備份;建設(shè)網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),綜合獲取多方威脅情報(bào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,構(gòu)建集中安全管理控制平臺(tái),實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警、主動(dòng)防御、高效處置的網(wǎng)絡(luò)安全能力,保障各類水利業(yè)務(wù)安全運(yùn)行。
協(xié)同管理機(jī)制包括建設(shè)與運(yùn)維協(xié)同管理、數(shù)據(jù)資源協(xié)同管理在內(nèi)的多方協(xié)同管理機(jī)制,并構(gòu)建永定河智慧程度評(píng)估指標(biāo)體系,包含永定河信息感知度、網(wǎng)絡(luò)連通率、智慧永定河大腦服務(wù)程度、業(yè)務(wù)應(yīng)用覆蓋率、安全保障度、管理有效性等因素,用于分析智慧永定河建設(shè)程度,確定優(yōu)勢(shì)環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié),有針對(duì)性地開(kāi)展下階段工作,優(yōu)化項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)進(jìn)度安排,促進(jìn)智慧永定河建設(shè)深入推進(jìn)。
智慧永定河是助力實(shí)現(xiàn)永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的重要支撐,也是推動(dòng)永定河流域綜合管理與協(xié)同治理機(jī)制創(chuàng)新的信息化手段。通過(guò)從“數(shù)字永定河”到“智慧永定河”的轉(zhuǎn)變,水利信息化支撐著永定河流域水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復(fù)、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設(shè)、水環(huán)境治理與保護(hù)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作,智慧永定河也將成為永定河流域涉水管理單位管理手段提檔升級(jí)的重要依據(jù)。下一步,還需要根據(jù)永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)具體項(xiàng)目的實(shí)施,將應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行深化和落地,力促永定河流域從傳統(tǒng)流域治理向流域綜合治理能力現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變。