掀開(kāi)智慧治水新篇章
——5G在水文監(jiān)測(cè)和水生態(tài)治理中的應(yīng)用探討

□張蕓

地球上約有3/4的面積覆蓋著水，全球水的總體積約有13億8600萬(wàn)km3，但人類真正能夠直接利用的水資源，僅是江河湖泊以及地下水中的部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)可用水量不足4.5萬(wàn)km3。隨著全球水資源短缺日益加劇，世界各地紛紛運(yùn)用信息化手段，保護(hù)水資源、治理水環(huán)境。傳統(tǒng)的治水方式已無(wú)法解決現(xiàn)代環(huán)保所面臨的一系列新問(wèn)題，科學(xué)技術(shù)日新月異，5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，現(xiàn)通過(guò)傳統(tǒng)治水和5G智慧治水方式的對(duì)比、5G技術(shù)在現(xiàn)代治水中的實(shí)用性、5G智慧治水發(fā)展前景分析，探討治水新技術(shù)，為新時(shí)期治水提供技術(shù)參考。

1.5G智慧治水與傳統(tǒng)治水對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)治水短板

1.1.1 采樣監(jiān)測(cè)受限

有些水源地處偏僻的野外，路途遙遠(yuǎn)，交通不便，工作人員采集水樣、進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常困難，監(jiān)控管理成本高昂。

1.1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效性、利用率有待提高

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)部署和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)不夠全面，信息采集間隔長(zhǎng)，缺少實(shí)時(shí)性，無(wú)法較為準(zhǔn)確的反映出水體的動(dòng)態(tài)變化情況，由于分析模型單一，采集的數(shù)據(jù)未能充分發(fā)揮作用，缺乏多參數(shù)的綜合分析評(píng)估手段。

1.1.3 管理效率急需提升

采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備分處管理，數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)，導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)成本高。很多水源與多個(gè)管理單位大范圍交織在一起，關(guān)系復(fù)雜，權(quán)責(zé)不清，配套監(jiān)管系統(tǒng)各自為政，從監(jiān)測(cè)、預(yù)警到治理無(wú)法聯(lián)動(dòng)，反而相互掣肘，影響治水力度，阻礙對(duì)水資源的保護(hù)。

1.2 5G智慧治水優(yōu)勢(shì)

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)逐漸成熟，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)必將引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革，加速推進(jìn)各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、低時(shí)延、高密度等特性，使得廣域環(huán)境下的VR/AR、高清視頻、海量連接成為可能，在當(dāng)前全球水環(huán)境治理的大背景下，運(yùn)用5G新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，立足水文監(jiān)測(cè)和水生態(tài)治理領(lǐng)域，打造出智慧治水新模式，從而實(shí)現(xiàn)了智慧治水里程碑式的變革，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.2.1 全天候、多維度、大范圍的立體化水質(zhì)監(jiān)控

傳統(tǒng)治水方案監(jiān)測(cè)手段單一，只有水質(zhì)數(shù)據(jù)，缺乏實(shí)體環(huán)境的立體情況，5G智慧治水方案提供低成本、易部署、免維護(hù)的微型在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳高清實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)全方位立體化監(jiān)測(cè)。

1.2.2 智能化信息平臺(tái)支撐下快速準(zhǔn)確的水情預(yù)測(cè)

傳統(tǒng)治水方案數(shù)據(jù)利用率低，大量珍貴數(shù)據(jù)沒(méi)有被挖掘內(nèi)在價(jià)值，5G智慧治水方案提供融合的智慧治水平臺(tái)，提供AI智能化分析工具，實(shí)現(xiàn)有效地預(yù)警和預(yù)測(cè)，強(qiáng)力輔助治水科學(xué)決策。

1.2.3 多環(huán)節(jié)聯(lián)動(dòng)、全民參與、合力治水

傳統(tǒng)治水方案各級(jí)管理系統(tǒng)隔離，缺乏自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程和接口打通工具，各種治水環(huán)節(jié)有所沖突。5G智慧治水方案提供功能豐富、高效的管理信息平臺(tái)，依據(jù)各地頒布的政策法規(guī)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)調(diào)度、多地區(qū)聯(lián)動(dòng)，使各行業(yè)管理部門形成合力，有效地治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水，提升水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)五水共治，將傳統(tǒng)治水提升到更高層次，對(duì)水環(huán)境智能化治理意義非凡。

2.5G智慧治水實(shí)用性分析

2.1 5G低時(shí)延—賦能智慧治水更快速的遠(yuǎn)程控制

在智慧治水業(yè)務(wù)中引入5G新技術(shù)，快速將遠(yuǎn)程控制變成現(xiàn)實(shí)。相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大大降低，可達(dá)毫秒（ms）級(jí)別，這對(duì)于很多實(shí)時(shí)應(yīng)用影響巨大。在智慧治水業(yè)務(wù)中，很多基于云AR/VR的遠(yuǎn)程控制服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求極高，同時(shí)需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，在4G網(wǎng)絡(luò)條件下很難實(shí)現(xiàn)，但5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大帶寬的特性改變了這一現(xiàn)狀，使這項(xiàng)服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)。

利用5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將AR/VR、無(wú)人機(jī)/無(wú)人船等技術(shù)融入智慧治水綜合解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域的精確巡測(cè)及對(duì)水質(zhì)/水情的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了更真實(shí)的交互體驗(yàn)，更高效的水域治理。

在該流程中，遠(yuǎn)程控制的操作人員利用AR設(shè)備和虛擬屏幕，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)/無(wú)人船的監(jiān)控巡更、水質(zhì)/水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)。以無(wú)人機(jī)監(jiān)控巡更為例，無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭和5G CPE（Customer Premise Equipment），通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將高清巡更視頻回傳業(yè)務(wù)平臺(tái)，利用云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速計(jì)算能力，進(jìn)行AR顯示；同時(shí)，遠(yuǎn)程控制人員通過(guò)虛擬屏幕下達(dá)預(yù)設(shè)指令，操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行水域巡更，或者通過(guò)設(shè)置巡更路線進(jìn)行自適應(yīng)巡航。AR設(shè)備、無(wú)人機(jī)與智慧治水業(yè)務(wù)平臺(tái)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制流與視頻流的交互，實(shí)現(xiàn)了快速遠(yuǎn)程控制，保證水域治理更加可靠高效。

2.2 5G大帶寬—賦能智慧治水更清晰的視頻監(jiān)控

在智慧治水業(yè)務(wù)中，需要大量的視頻監(jiān)控，包括固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)、移動(dòng)巡檢等。在4G網(wǎng)絡(luò)下，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多路視頻傳輸?shù)拇笃溜@示，但是由于4G自身傳輸速率的限制，無(wú)法呈現(xiàn)4K/8K的高清監(jiān)控視頻，更難以實(shí)現(xiàn)對(duì)畫面質(zhì)量和時(shí)延都要求極高的VR實(shí)時(shí)直播體驗(yàn)，因此4G網(wǎng)絡(luò)下，難以獲得較好的監(jiān)測(cè)效果，視頻識(shí)別因?yàn)椴杉囊曨l清晰度、分辨率問(wèn)題，導(dǎo)致識(shí)別效果不佳。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀。5G的另一大特點(diǎn)就是大帶寬，相對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速率提升10～100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10Gbit/s，輕松地實(shí)現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)回傳，這一特點(diǎn)在“5G智慧治水”業(yè)務(wù)中被充分利用，在監(jiān)測(cè)水域設(shè)置多個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再利用無(wú)人機(jī)/無(wú)人船進(jìn)行移動(dòng)巡檢，保證水域的全天候多維度監(jiān)控。

同時(shí)，5G大帶寬的優(yōu)勢(shì)更好支持智慧治水AR遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)，保障VR實(shí)時(shí)直播巡檢業(yè)務(wù)的執(zhí)行。部署的360度全景4K攝像頭，將拍攝到的高清畫面通過(guò)5G空口，接入5G核心網(wǎng)，再經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)絡(luò)和CDN節(jié)點(diǎn)之間的專線，實(shí)時(shí)傳送視頻信息。用戶在現(xiàn)場(chǎng)佩戴VR眼鏡，沉浸式觀看水源地的4K高清視頻VR直播，其依托5G網(wǎng)絡(luò)充分利用5G網(wǎng)絡(luò)大寬帶等特點(diǎn)，給用戶帶來(lái)沉浸式VR體驗(yàn)，實(shí)時(shí)高清的進(jìn)行水源地的遠(yuǎn)程巡更。

除此之外，結(jié)合4K/8K超清視頻監(jiān)控畫面，進(jìn)行高準(zhǔn)確率的水情預(yù)警自動(dòng)識(shí)別，如圖1所示。基于智慧治水業(yè)務(wù)平臺(tái)的云計(jì)算能力和AI分析能力，采用視頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)站點(diǎn)攝像頭回傳的水情視頻進(jìn)行監(jiān)控識(shí)別，發(fā)現(xiàn)水情問(wèn)題。例如，根據(jù)監(jiān)控視頻識(shí)別出水面有大量漂浮物，水質(zhì)顏色發(fā)生變化等水質(zhì)異常和污染問(wèn)題，根據(jù)識(shí)別結(jié)果生成水情預(yù)警事件；同時(shí)，基于系統(tǒng)采集到的水情預(yù)警數(shù)據(jù)，進(jìn)行AI分類模型訓(xùn)練，利用訓(xùn)練好的分類模型，進(jìn)行預(yù)警的自動(dòng)分類；基于水情預(yù)警分類結(jié)果，自動(dòng)生成水情處理工單，支撐協(xié)調(diào)相關(guān)責(zé)任主體進(jìn)行水情事件處理，以保證水域治理的高效、智能。

2.3 5G大連接—賦能智慧治水更海量的設(shè)備接入

在智慧治水業(yè)務(wù)中引入5G新技術(shù)，支持海量的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備接入，在智慧治水中實(shí)現(xiàn)高密度、高頻率的水情信息采集。5G相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)而言，連接設(shè)備密度增加了10～100倍，在智慧治水業(yè)務(wù)中，涉及了包括地表水、城市二次供水在內(nèi)的多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端、洪澇水位監(jiān)測(cè)終端、流速監(jiān)測(cè)終端、無(wú)人機(jī)/無(wú)人船、高清監(jiān)控?cái)z像頭等各類監(jiān)測(cè)終端。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，保證了這些終端設(shè)備能夠順利的接入智慧治水業(yè)務(wù)平臺(tái)；同時(shí)也保證了更多種類、更海量的其他與業(yè)務(wù)相關(guān)終端可以接入網(wǎng)絡(luò)，各終端與云平臺(tái)之間能夠進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，完成對(duì)水環(huán)境大范圍、高密度、高頻率的水情信息收集感知。

在5G智慧治水方案架構(gòu)中，采用IoT公共基礎(chǔ)平臺(tái)，上承應(yīng)用，下連設(shè)備，匯聚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)；基于采集的海量水情信息，輔助工具、用戶、第三方系統(tǒng)，為終端設(shè)備提供有機(jī)的關(guān)聯(lián)與共享，推動(dòng)更多的治水應(yīng)用得以落地，實(shí)現(xiàn)了更好效果的水域治理。

2.4 5G云化微服務(wù)—賦能智慧治水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交換

智慧治水系統(tǒng)解決方案采用云化微服務(wù)的架構(gòu)，B/S的應(yīng)用模式，以保障系統(tǒng)軟件的跨平臺(tái)性和安全性；同時(shí)具備與國(guó)家水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四層次體系結(jié)構(gòu)，分別為水信息數(shù)據(jù)采集層、通訊傳輸層、數(shù)據(jù)接入層、智慧治水系統(tǒng)平臺(tái)層。總體框架按照設(shè)計(jì)方案中系統(tǒng)框架的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從縱向和橫向2個(gè)緯度搭建縱向具有層次性、橫向具有良好擴(kuò)展性的框架結(jié)構(gòu)。

智慧治水通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端NB/3G/4G/5G通訊模組接入到無(wú)線基站，通過(guò)無(wú)線基站傳輸數(shù)據(jù)到核心網(wǎng)，進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)到智慧治水系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，通過(guò)智慧治水系統(tǒng)提供治水的業(yè)務(wù)服務(wù)，展示數(shù)據(jù)給用戶。水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端與智慧治水系統(tǒng)平臺(tái)之間通過(guò)mod bus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以及restful接口完成集成對(duì)接。

3.5G智慧治水前景分析

聯(lián)合國(guó)已將水資源保護(hù)和水環(huán)境治理定為可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，在聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的水質(zhì)報(bào)告中（UNEP《Water Quality Outlook》）強(qiáng)調(diào)“對(duì)任何政府來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)和管理水質(zhì)都是根本，據(jù)估計(jì)投入在治水和衛(wèi)生設(shè)施上的每1美元會(huì)帶來(lái)3～34美元的回報(bào)”，號(hào)召全球政府重視水資源問(wèn)題和加大治水建設(shè)的投入。

我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，高度重視水環(huán)境問(wèn)題?！熬盼濉睂?duì)污染嚴(yán)重的“三河三湖”實(shí)施重點(diǎn)治理；“十二五”明確將節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，全面推行“河長(zhǎng)制”；國(guó)務(wù)院辦公廳2015年8月12日印發(fā)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》(以下簡(jiǎn)稱《方案》)以及發(fā)布治水的“水十條”計(jì)劃（《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》）；將持續(xù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污染控制和污水治理等領(lǐng)域投資超2萬(wàn)億元，規(guī)劃到2020年初步建成陸海統(tǒng)籌、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施全覆蓋，污水治理率達(dá)到95%。

無(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，水資源、水環(huán)境都是人類發(fā)展的重要支撐，保護(hù)水資源、治理水環(huán)境已成為全球生態(tài)發(fā)展的共識(shí)，智慧治水是智慧生態(tài)發(fā)展的重要一環(huán)，5G智慧治水提高了水資源保護(hù)和水環(huán)境治理的效率，有力推動(dòng)了環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展，在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷成熟以及商用進(jìn)程的逐步推進(jìn)下，必將引領(lǐng)全球新一輪的產(chǎn)業(yè)變革。

4.結(jié)論

推廣應(yīng)用5G技術(shù)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，中國(guó)將領(lǐng)跑5G的研究與建設(shè)，5G將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供至少10倍于4G的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，開(kāi)啟萬(wàn)物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代。5G將全面構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，從線上到線下、從消費(fèi)到生產(chǎn)、從平臺(tái)到生態(tài)，推動(dòng)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展邁上新臺(tái)階。隨著全球水資源短缺的日益加劇，水資源的保護(hù)治理已經(jīng)常態(tài)化，為了更好地實(shí)現(xiàn)綠水青山這一目標(biāo)，5G智慧治水必將大有可為、大有作為。