水利物聯(lián)感知應(yīng)用分析

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)有水利信息化系統(tǒng)的短板不斷凸顯，當(dāng)前水利信息化的支撐能力已無法滿足及時高效的了解水利信息的最新需求，本文主要對水利物聯(lián)感知的應(yīng)用進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);人工智能;智慧水利;水利物聯(lián)

一、水利感知網(wǎng)的現(xiàn)狀及問題

水利業(yè)務(wù)管理涉及的感知對象包括要素感知和事件感知。要素感知主要包括雨量、水位、水量、水質(zhì)等采集監(jiān)測要素，現(xiàn)階段主要通過設(shè)備監(jiān)測和人工填報方式獲取，信息采集的自動化程度較低，數(shù)據(jù)采集工作量大，時效性低，與智慧水利各項工作的整體需求不相適應(yīng)。事件感知主要包括水旱災(zāi)害、工程險情、河湖四亂、土壤侵蝕等涉及時間、地點、空間范圍、事件現(xiàn)場實況和處理預(yù)案執(zhí)行狀況等事件要素，現(xiàn)階段主要通過人工填報和視頻監(jiān)控方式獲取。

在當(dāng)前的水利管理活動（事件感知）中，取證難、取證滯后問題日益突顯，主要面臨兩大困難：一是水利監(jiān)管區(qū)域分布廣、跨度大、巡查費時費力，而事件問題機動性強，時有發(fā)生;二是許多水利監(jiān)管區(qū)域有河無路，同時受地面二維視角限制存在著大面積的盲區(qū)和死角。當(dāng)前采用的人工填報和視頻監(jiān)控（固定監(jiān)控）已不能滿足機動、實時、高效的智慧水利感知要求。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種信息傳感設(shè)備，采集聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等需要的信息，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)連接，形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與物、物與人、所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接、方便識別、管理和控制。

智慧水利感知網(wǎng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，能夠?qū)λ?、雨量、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總整理，能夠?qū)崿F(xiàn)對水利信息的高效感知，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、監(jiān)控和管理 [2] 。

三、水利物聯(lián)感知應(yīng)用分析

（一）整體分析

智慧水利是為實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)的智慧化而建設(shè)的一套綜合業(yè)務(wù)體系，是通過大數(shù)據(jù)、大地圖、大模型、人工智能等技術(shù)，對水利信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的、動態(tài)的、深層次的分析應(yīng)用，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式實現(xiàn)水利管理和決策的“智慧”。

從水利業(yè)務(wù)的需求分析，當(dāng)前水利感知數(shù)據(jù)主要通過采集感知獲取，可以從感知對象、感知要素、感知技術(shù)等三個方面進(jìn)行說明。感知對象主要包括江河湖泊、水利工程和水利管理活動等三個類別，每類都包括多種感知對象，每個對象需要感知多個要素，每個要素可以通過一種或多種技術(shù)進(jìn)行感知。感知技術(shù)主要包括人工填報、在線監(jiān)測、視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測、應(yīng)急感知等。

在具體建設(shè)中，為避免重復(fù)建設(shè)和提高感知效率，需要統(tǒng)籌感知對象、要素和技術(shù)，在現(xiàn)有水利監(jiān)測站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，重點充實大江大河及其支流、河流水文監(jiān)測站點，補充建設(shè)重要防洪城市水文監(jiān)測設(shè)施和墑情監(jiān)測站點，同時，加強應(yīng)急監(jiān)測能力建設(shè)。

打破“先采集、后業(yè)務(wù)、再指標(biāo)”的建設(shè)常規(guī)，在摸清已有數(shù)據(jù)家底的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前業(yè)務(wù)需求與已有數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行匹配分析，結(jié)合水利業(yè)務(wù)需求，按照各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型、功能應(yīng)用、共享交換、更新方式等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，針對覆蓋不足、要素不全、更新不及時等問題進(jìn)行補充建設(shè)，避免資源投入的低效和浪費。

水利感知網(wǎng)不斷擴大感知范圍、構(gòu)建數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入管理平臺、提高智能感知水平（見圖1）。

1.擴大感知范圍

圍繞水利業(yè)務(wù)需求和水利監(jiān)管要求，針對現(xiàn)有感知體系網(wǎng)絡(luò)布局、設(shè)備功能等，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、無人機、視頻監(jiān)控等技術(shù)手段實施改造，擴大江河湖泊水系、水利工程設(shè)施的監(jiān)測范圍和水利管理活動的動態(tài)感知，補充完善水文、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水土流失、工程管理、山洪災(zāi)害、水利管理活動、水行政執(zhí)法等感知內(nèi)容，提升感知能力和技術(shù)水平。

（1）擴大河流湖泊監(jiān)測范圍。對已建人工測站數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行改造，在現(xiàn)有水文監(jiān)測站網(wǎng)基礎(chǔ)上，補充水位、流量等多要素線上監(jiān)測;對水面面積常年在1km2以上的湖泊進(jìn)行全面監(jiān)測;加強對河道采砂重點水域、河湖管理敏感河段的常規(guī)監(jiān)測。擴大重點防洪區(qū)域、中小型水庫的多要素監(jiān)測，全面提升防汛抗旱預(yù)警預(yù)報水平和江河湖泊日常監(jiān)管能力。對建有水利工程的江河生態(tài)流量、國家重要水功能區(qū)、水土保持重點治理區(qū)等進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測。

（2）擴大水資源管理全面感知網(wǎng)絡(luò)。在水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目、國家地下水監(jiān)測工程等項目的基礎(chǔ)上，對重要水源地、取水用戶、水庫取水口、界河流斷面進(jìn)行水量監(jiān)測，加強支撐水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的信息監(jiān)測。結(jié)合現(xiàn)有生態(tài)基流感知監(jiān)測站，采用衛(wèi)星、無人機等遙感影像，完善對生態(tài)基流的全要素監(jiān)測，提升對河道生態(tài)基流、電站泄放流量等的智能感知能力。

（3）擴大水利工程設(shè)施監(jiān)測感知網(wǎng)。對水庫、重要堤防、重要閘壩（節(jié)制閘）、規(guī)模以上泵站、大中型灌區(qū)、引調(diào)水等水利工程進(jìn)行全面監(jiān)測;補充和提升水庫、堤防（一級、二級）、重點水閘、淤地壩等水利工程安全及運行監(jiān)測。

（4）提升水利管理活動的動態(tài)感知能力。全面提升水利核心業(yè)務(wù)管理活動重要事件、行為過程的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)解析等動態(tài)感知能力，滿足主要水利業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)內(nèi)容的各方面要求。

2.構(gòu)建統(tǒng)一的感知平臺，提供統(tǒng)一的感知服務(wù)

隨著水利由信息化向智慧化過渡，水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求由單一業(yè)務(wù)領(lǐng)域，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻I(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)需求，傳統(tǒng)的分業(yè)務(wù)領(lǐng)域建設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)的模式已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展需要，需要建立水利系統(tǒng)綜合的數(shù)據(jù)匯聚管理平臺。

按照水利感知要素劃分，需要建立視頻信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、遙感影像、無人設(shè)備、工控設(shè)施等統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯集、管理和服務(wù)平臺。

3.推進(jìn)先進(jìn)物聯(lián)技術(shù)在水利感知網(wǎng)的應(yīng)用，提升水利智能感知水平

水利業(yè)務(wù)的感知能力，受當(dāng)時技術(shù)和條件等制約，仍然存在空白和不足，隨著感知技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，感知監(jiān)測站網(wǎng)形式、站網(wǎng)布局需要進(jìn)一步優(yōu)化，需要因地制宜地采用高清視頻、無人機、衛(wèi)星遙感、人工智能等新型監(jiān)測手段的應(yīng)用，推進(jìn)感知終端的智能升級，強化5G、北斗通訊、衛(wèi)星遙感、無人機（船）、AI、NB-IoT、LoRa等新一代物聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，全面提升水利智能感知能力和技術(shù)水平。

（二）業(yè)務(wù)感知分析

通過對水利業(yè)務(wù)監(jiān)測和管理需求進(jìn)行分類分析，整理出對點狀數(shù)據(jù)、線狀數(shù)據(jù)和面狀數(shù)據(jù)的感知需求，收集歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建智慧水利物聯(lián)感知體系。

1.洪水

歷史數(shù)據(jù)方面，深度挖掘水文整編、歷史洪澇災(zāi)害、蓄滯洪區(qū)歷史運用、歷史暴雨圖集、歷史氣象等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起長序列、完整的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)資源共享，為洪水業(yè)務(wù)的預(yù)測預(yù)報、洪水調(diào)度以及災(zāi)情分析等提供模型參數(shù)率定、歷史比對分析等支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，通過采集實時雨水情況、工程視頻等點上監(jiān)測數(shù)據(jù)，河道地形、河湖岸線等線狀測繪數(shù)據(jù)，洪水淹沒范圍、城市內(nèi)澇影響區(qū)域、蓄滯洪區(qū)情況、流域區(qū)域蓄水情況等面上數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和資源共享，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)分級管理和按需調(diào)用。

2.干旱

歷史數(shù)據(jù)方面，匯集整理歷史氣象、歷史雨水情、歷史旱情等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，形成完整的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)資源共享，為干旱業(yè)務(wù)的抗旱形勢分析、旱情校核等提供歷史比對分析等支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，利用氣象、水文、遙感等技術(shù)手段廣泛收集氣象臺站、河道來水、水庫蓄水、土壤墑情等點上監(jiān)測數(shù)據(jù)，區(qū)域氣象產(chǎn)品和農(nóng)情、水體干涸、河道斷流等遙感監(jiān)測以及作物、飲水困難統(tǒng)計等面上數(shù)據(jù)。旱情遙感監(jiān)測方法具有監(jiān)測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實時性強和業(yè)務(wù)應(yīng)用性好等特性[3]，對旱情分析評估和掌握旱情形勢具有重要意義。

3.水利工程安全運行

歷史數(shù)據(jù)方面，匯集整理水利工程設(shè)計、施工、驗收、運行管理、歷史險情、安全鑒定、除險加固等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起全生命周期的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)共享，為水利工程的安全鑒定、監(jiān)測預(yù)警、隱患排查等業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)方面，收集整理工程安全監(jiān)測、水情監(jiān)測、運行監(jiān)測、視頻監(jiān)控、經(jīng)營管理、巡護(hù)方案、調(diào)度方案、應(yīng)急預(yù)案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便評估和分析工程安全運行和安全生產(chǎn)狀況。

4.水資源開發(fā)利用

歷史數(shù)據(jù)方面，需要匯集整理水資源調(diào)查評價信息、水資源綜合規(guī)劃、水資源保護(hù)綜合規(guī)劃、中小河流水能資源開發(fā)規(guī)劃以及水資源公報年報等歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起完整的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)共享，為水資源開發(fā)利用業(yè)務(wù)的江河流域水量分配調(diào)度、重點工程水量調(diào)度等提供模型調(diào)算、歷史比對分析等支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，收集取水用戶取水量上報數(shù)據(jù)、省界、市界、縣界水量斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)、水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水源地水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及跨行政區(qū)江河流域水量分配方案、重點江河湖泊以及重點工程水量調(diào)度方案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測評價水資源開發(fā)利用狀況。

5.城鄉(xiāng)供水

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理農(nóng)村供水工程規(guī)劃、計劃、建設(shè)、運行管理、城市水源規(guī)劃等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起較完整的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)共享，為城鄉(xiāng)供水業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，收集城市集中式飲用水水源地監(jiān)測、農(nóng)村飲用水工程運行監(jiān)測等數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測評價城鄉(xiāng)供水安全狀況。

6.節(jié)水

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理歷年的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、萬元工業(yè)增加值用水量、省市用水總量、節(jié)水型社會試點、節(jié)水宣教、法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，為節(jié)水業(yè)務(wù)的監(jiān)督管理等提供歷史比對分析和資料參考等支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，需要收集國家重點監(jiān)控用水單位監(jiān)測數(shù)據(jù)、灌區(qū)渠首取水量監(jiān)測數(shù)據(jù)、用水計劃管理等，以及節(jié)水定額標(biāo)準(zhǔn)、用水紅線指標(biāo)、用水戶信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便及時統(tǒng)計分析用水情況，為節(jié)水監(jiān)管提供客觀可靠的數(shù)據(jù)。

7.江河湖泊

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理已發(fā)生的違法采砂案件處理數(shù)據(jù)、涉河湖違法違規(guī)項目管理數(shù)據(jù)以及河湖歷史遙感影像、水下地形、大斷面測繪等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，形成系列數(shù)據(jù)，為江河湖泊業(yè)務(wù)提供歷史比對分析和典型案例查詢等支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，需要收集河湖水域岸線高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、采砂重點河段和敏感水域視頻監(jiān)控、水文站網(wǎng)監(jiān)測以及河長湖長巡河巡湖填報、社會公眾涉河湖輿情等數(shù)據(jù)，以便監(jiān)控和分析江河湖泊管理狀況。

8.水土流失

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集分散保管在各級水土保持部門的多樣化數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立完整的歷史數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)共享，為水土流失業(yè)務(wù)提供歷史比對分析等數(shù)據(jù)支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，需要收集水土流失地面站網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、淤地壩安全運行監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)建設(shè)活動數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)等，以便實時、定量和全面掌握天然和人為水土流失情況。

9.水利監(jiān)督

歷史數(shù)據(jù)方面，收集整理已發(fā)生的水利項目稽查、水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督、水利安全生產(chǎn)監(jiān)管、水利行業(yè)督查暗訪等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，為水利監(jiān)督業(yè)務(wù)提供歷史比對分析等數(shù)據(jù)支撐。

實時數(shù)據(jù)方面，需要收集河湖、水資源、水工程、水土保持等方面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和監(jiān)督檢查問題數(shù)據(jù)，以及遙感影像和相關(guān)的站網(wǎng)監(jiān)測、視頻監(jiān)控和輿情數(shù)據(jù)，構(gòu)建監(jiān)督監(jiān)測數(shù)據(jù)體系。

四、結(jié)束語

在江河湖泊、水利工程、水利管理活動等智慧化建設(shè)過程中，運用衛(wèi)星遙感、無人機（船）、AI視頻、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，整合現(xiàn)有水利感知網(wǎng)，形成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入管理平臺，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資源共享。充分挖掘水利數(shù)據(jù)資源的使用價值，對推動我國水利業(yè)務(wù)的信息化、智能化具有重要意義。

作者單位：陳琦睿? ? 長安大學(xué)信息工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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