5G賦能智慧水文建設分析與建議

□張蕓

李國英部長在2022年全國水利工作會議上，提出對物理流域全要素和水利治理管理全過程進行數(shù)字化映射、智能化模擬。這是利國利民適應新時期水利發(fā)展的需要，也是一項利用5G等先進技術(shù)構(gòu)建智慧水利的系統(tǒng)工程。水文，作為水利行業(yè)的重要基礎工作，是智慧水利的重要組成部分，也是政府數(shù)字化、智能化建設的基礎內(nèi)容之一。通過分析5G技術(shù)現(xiàn)狀及智慧水文建設情況，著眼于5G技術(shù)應用于水文行業(yè)的優(yōu)勢，為構(gòu)建智慧水利體系、推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1.5G技術(shù)現(xiàn)狀與突出優(yōu)勢

5G技術(shù)是為了應對新時期不斷出現(xiàn)的各種新應用而開發(fā)，其能與各行各業(yè)終端建立深入對接，滿足不同業(yè)務多樣化要求，同時適應移動數(shù)據(jù)流量快迅增加、海量設備互相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，構(gòu)建起數(shù)字化治理社會的基石。

5G的突出優(yōu)勢在于大寬帶、大連接、低時延。大寬帶主要體現(xiàn)在超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等方面，對帶寬有極高的要求，其中關(guān)鍵的性能指標包括500Mbps用戶體驗速率、數(shù)十Gb?ps峰值速率、每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度、500km/h以上的移動性等。大連接對連接密度有極高的要求，同時呈現(xiàn)場景多樣性和差異化，如智慧水文應用要求網(wǎng)絡支持海量連接的小數(shù)據(jù)包，視頻監(jiān)控不僅部署密度高，還要求終端和網(wǎng)絡支持高速率。低時延包括智能駕駛控制、無人機控制等應用，實時監(jiān)控要求毫秒級的時延，高可靠性也是其基本要求。

目前我國網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)演進到了5G時代，具備使用最新的5G網(wǎng)絡基礎技術(shù)以及人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、圖像識別等前沿技術(shù)，共同建立智慧水文體系，可在多個維度，多個尺度，大范圍內(nèi)對水情、水環(huán)境進行全面準確的感知、監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進行分析處理，同時協(xié)調(diào)各個環(huán)節(jié)的治水力量，形成治水合力，科學地進行水情預警、水生態(tài)保護與修復。

2.智慧水文體系構(gòu)成與建設情況

智慧水文是水文物聯(lián)網(wǎng)的智慧版，是利用現(xiàn)代信息技術(shù)，來提高水文管理和服務水平，包含有水情預測系統(tǒng)、預警防洪系統(tǒng)、水量監(jiān)測系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。要實現(xiàn)智慧水文，需多個系統(tǒng)間互聯(lián)互通，相關(guān)數(shù)據(jù)共享，通過數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān)測設備實時感知流量、水質(zhì)的運行狀態(tài)，并將海量水文信息進行及時分析處理，做出相應處理結(jié)果，輔助決策，以更加精細和動態(tài)的方式管理水文行業(yè)，從而達到“智慧”的狀態(tài)。智慧水文建設，就是要形成水文物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，智能化管理水文系統(tǒng)，增強信息快速感知的能力，并提供智能分析判斷、科學高效決策的技術(shù)支撐，有效解決目前水文行業(yè)的短板，從而保障國家水安全。

我國智慧水文經(jīng)歷了數(shù)字化、智能化、智慧化發(fā)展階段：數(shù)字化是基礎水文系統(tǒng)建設，主要實現(xiàn)傳統(tǒng)水文采集、監(jiān)測、檔案等環(huán)節(jié)數(shù)字化改造。比如利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造采集技術(shù)，實現(xiàn)由人工采集到在線監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集，使感知方式更快捷、數(shù)據(jù)收集更準確。智能化是在數(shù)字化基礎上，完成相關(guān)的信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建設，基于精準的數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各系統(tǒng)的整合與集成，構(gòu)建水文模型及水質(zhì)模型等應用模塊，通過數(shù)據(jù)融合形成信息共享平臺。智慧化是隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)不斷融入傳統(tǒng)行業(yè)，利用實時數(shù)據(jù)構(gòu)建實時水文模型，利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，整合不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)湖，通過各類應用模塊實現(xiàn)智慧決策的實時綜合調(diào)度平臺。

目前，全國各地的水利部門正加速推進“智慧水利”項目進程，智慧水文作為信息技術(shù)與水文管理結(jié)合的先進模式，正面臨行業(yè)發(fā)展的黃金期。

3.智慧水文建立的必要性與可能性

在當前推進水利高質(zhì)量發(fā)展，綜合治理水災害、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的嚴峻形勢下，傳統(tǒng)水文監(jiān)控所面臨的一些問題逐步顯露，主要表現(xiàn)在：人員、儀器設備、軟件存貯現(xiàn)狀與工作要求、發(fā)展不匹配、監(jiān)測能力不達標、監(jiān)測網(wǎng)絡不完善、現(xiàn)有管理機構(gòu)存在交叉、難以實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理等諸多弱項。

首先現(xiàn)有的水文監(jiān)測方式不能全面、實時反映水情、水量、水質(zhì)狀況及變化趨勢，需要完善監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡，精準監(jiān)測所有水體斷面，客觀分析上下游水情、水量、水質(zhì)的動態(tài)變化情況，預防水環(huán)境污染和各種突發(fā)事件，保障水域安全。另一方面，針對飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測缺少實時性，對于飲用水源水質(zhì)的指標覆蓋不足，需要增加飲用水源的水質(zhì)自動監(jiān)測的覆蓋面；而針對水污染源的來源也缺乏必要的分析手段，對于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源追溯、解析缺少必要的監(jiān)測設備；由于現(xiàn)有的分析方法單一，缺少綜合分析評估的手段，監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能充分發(fā)揮作用。其次我國目前水環(huán)境監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，現(xiàn)場手持式設備只能監(jiān)測少量項目，大部分項目還是采樣后進行實驗室內(nèi)監(jiān)測，僅有極少部分監(jiān)測點能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，主要監(jiān)測過程為采集水樣簡單處理后放在保存器中，帶回實驗室進行室內(nèi)物理化學實驗?，F(xiàn)行的傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要采用人工操作，監(jiān)測時間長，費時費力，數(shù)據(jù)處理慢，人工方法獲取的實驗結(jié)果不能及時、準確的反映水質(zhì)不斷變化的動態(tài)數(shù)據(jù)，并存在對水質(zhì)污染進行跟蹤和高密度監(jiān)測能力較弱等缺陷。部分水源地處偏僻的野外，路途遙遠，交通不便，工作人員采集水樣、進行監(jiān)測非常困難，監(jiān)控管理成本高昂；采用的監(jiān)測設備分處管理，數(shù)據(jù)分散存儲，導致運行維護成本高；很多水源與多個管理單位大范圍交織在一起，權(quán)責不清，配套監(jiān)管系統(tǒng)各自為政，從監(jiān)測、預警到治理無法聯(lián)動，反而相互掣肘，影響治水力度，阻礙保護水資源。

近年來，智慧水利建設、水利基礎設施和管網(wǎng)漏損建設等方面政策頻頻出臺，水利行業(yè)信息化創(chuàng)新及轉(zhuǎn)型發(fā)展成為趨勢。中央《十四五規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中提到，要加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等同各產(chǎn)業(yè)深度融合，推動先進制造業(yè)集群發(fā)展，針對傳統(tǒng)水文站網(wǎng)覆蓋面不全面，監(jiān)控不及時，分析模型單一等情況，智慧水文的發(fā)展能非常準確的解決這一系列問題，而我國現(xiàn)有的5G技術(shù)使這一切成為可能。

4.5G賦能智慧水文應用案例

智慧水文建設涉及大數(shù)據(jù)、云計算及移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，而隨著5G時代的開啟，5G+智能+水文的結(jié)合充分激發(fā)了行業(yè)活力，如5G+智能綜合儀表平臺、5G+大數(shù)據(jù)應用等等，用戶通過5G+智能綜合儀表系統(tǒng)，不僅可以實時收集遠端各監(jiān)測儀表運行數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)水文維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，及時為用戶推送監(jiān)測異常情況，讓技術(shù)人員清楚問題所在，及時完成修繕工作。

水文行業(yè)結(jié)合5G技術(shù)在水文中的應用以水環(huán)境監(jiān)測預系統(tǒng)為例：

雄安新區(qū)管理委員會、河北電信聯(lián)合在白洋淀水域?qū)嵤┝?G智慧治水試點工作，為保護白洋淀水環(huán)境，安裝設置了水環(huán)境監(jiān)測預系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于雄安5G示范網(wǎng)絡，部署了水環(huán)境多參數(shù)智能監(jiān)測終端、AR智能終端、無人機、多路高清視頻源，進行水源地現(xiàn)場的高密度、高頻率、立體化監(jiān)控；并將海量的多維度數(shù)據(jù)聚合在一體化平臺上，智能建模處理后形成全流域穩(wěn)態(tài)、動態(tài)水環(huán)境分析模型，以及水源污染趨勢分析預測模型，及時為污染預防和治理提供科學依據(jù)；同時集成遠程指揮調(diào)度、視頻會議等其他信息系統(tǒng)，實現(xiàn)快速響應、全聯(lián)動治理水環(huán)境。水環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)的基本業(yè)務流程見圖1。

圖1 水環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)的基本業(yè)務流程

當雄安水環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)硬件設施到位后，技術(shù)人員在白洋淀布設監(jiān)測點：一是白洋淀浮標定點采集水質(zhì)和水位，樓宇水箱定點加掛飲用水監(jiān)測儀；二是巡檢船或無人船多功能水質(zhì)檢測儀游動采集白洋淀水域動態(tài)水質(zhì)和水位信息；三是無人機吊裝輕載水質(zhì)檢測設備補充采集交通不便水域信息。預警系統(tǒng)連接無人機、高清攝像頭和全景攝像頭等視頻物聯(lián)網(wǎng)終端設備，利用5G網(wǎng)絡實時直播現(xiàn)場實景，可根據(jù)要求切換監(jiān)控畫面。

通過水環(huán)境多參數(shù)智能監(jiān)測終端、AR智能終端、無人機、多路高清視頻源，各種水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上報到水質(zhì)監(jiān)測云平臺，并通過大屏幕展示，全域水質(zhì)情況可一目了然，其中包括：水質(zhì)環(huán)境（常規(guī)溫度、電導率、濁度、PH、溶解氧、氨氮、化學需氧量、有機含碳量）、供水環(huán)境（電導率、濁度、pH、ORP、余氯）、水務環(huán)境（流速、流量、水位）、節(jié)水環(huán)境（水表計量、水壓監(jiān)測）。

通過幾年運行，雄安新區(qū)白洋淀水環(huán)境預警系統(tǒng)效果顯著，不但減少了人力及人工失誤，而且及時、準確、高效的將監(jiān)測成果回傳指揮中心，從而使水文應急指揮中心及時掌握第一手資料，清晰了解前線防洪排澇、水環(huán)境污染現(xiàn)狀，對出現(xiàn)的險情搶早、搶小，及時處置，確保了人民生命財產(chǎn)安全，減少經(jīng)濟損失，達到了預期目的。

5.智慧水文建設建議

5.1 智慧水文建設要與時代發(fā)展相適應

智慧水文建設在信息時代已成為水文現(xiàn)代化發(fā)展的新航向，其建設和發(fā)展應立足新時代中國特色社會主義國情，與各地水文實踐相結(jié)合，落實國家創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，解決水災害、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境實際難題，如改進水文測報技術(shù)和手段，積極推進測雨雷達試點應用，實現(xiàn)超高時空分辨率短臨暴雨預警，完成水庫、堤防、水閘、蓄滯洪區(qū)基礎數(shù)據(jù)整合集成，建設雨水情測報和大壩安全監(jiān)測平臺等措施。我們不僅要關(guān)注智能化技術(shù)處理，更要著眼于新時期建設大局，著眼于人與自然和諧共生，推進水文一體化智慧運營、智慧管理、智慧服務。

5.2 智慧水文建設要多方參與，建立健全管理體制

智慧水文建設既是物聯(lián)網(wǎng)人工智能在水文領域的延展，又是水文行業(yè)主動擁抱大數(shù)據(jù)、云計算，以支撐實際運行管理的工作平臺。未來智慧水文事業(yè)的建設，需要克服標準規(guī)范缺失、信息孤島突出、數(shù)據(jù)運營困難、專業(yè)人才匱乏等瓶頸，建立健全高效的水文管理體制，實現(xiàn)資源共享和信息安全雙贏，智慧水文也需要依靠各級水利管理部門、廣大人民群眾的多方參與，利用科學新技術(shù)來實現(xiàn)水情預測、水環(huán)境保護，使決策更科學，管理更協(xié)調(diào)。

5.3 智慧水文建設要加強基礎數(shù)據(jù)疊加分析和深度融合

當前建設智慧水文的核心問題，是積累有效的“海量數(shù)據(jù)”，通過信息收集并處理，將有效信息進行匯總，利用數(shù)據(jù)建模，分析實時水量、水情、水質(zhì)信息數(shù)據(jù)，在此基礎上，提供運行決策方案與執(zhí)行手段，構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)的水文信息綜合智慧平臺，繼而達到預報預警預演預案的功能。

習近平總書記強調(diào)，保護江河湖泊，事關(guān)人民群眾福祉，事關(guān)中華民族長遠發(fā)展。我國河湖水系縱橫交錯，保護治理并非易事，必須依托現(xiàn)代信息技術(shù)，變革治理理念和治理手段，堅持數(shù)字賦能。隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)不斷融入傳統(tǒng)行業(yè)，5G賦能水文所能帶來的驚喜令人期待，智慧水文的發(fā)展必將如火如荼，必將在建設數(shù)字孿生流域中發(fā)揮重要作用，同時也會成為提升國家水安全保障能力的重要支撐?！?/p>