基于“空天地一體”的智慧水務(wù)平臺(tái)

雷代銀,黃慶令,韓 君,楊嵐斐,羅朝傳,唐金慧

(1.成都萬江港利科技股份有限公司,成都 610015;2.四川大學(xué)-萬江科技人工智能與涉水專業(yè)算法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,成都 610065)

1 研究背景

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“綠水青山既是自然財(cái)富、生態(tài)財(cái)富,又是社會(huì)財(cái)富、經(jīng)濟(jì)財(cái)富”[1]?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出,深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),建立健全環(huán)境治理體系,推進(jìn)精準(zhǔn)、科學(xué)、依法、系統(tǒng)治污,協(xié)同推進(jìn)減污降碳,不斷改善水環(huán)境質(zhì)量[2]。隨著國(guó)家全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快,強(qiáng)化水環(huán)境信息化建設(shè),實(shí)施精準(zhǔn)治理,建立河湖動(dòng)態(tài)監(jiān)管機(jī)制是新時(shí)期國(guó)家開展水環(huán)境管理的具體要求,是打贏水污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要任務(wù)[3]。歷經(jīng)多年保護(hù)治理,很多河、湖及流域已經(jīng)基本建立了水環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理體系。然而,目前的管理體系中仍然存在監(jiān)測(cè)和環(huán)境感知體系不完善、環(huán)境綜合監(jiān)管現(xiàn)代化程度不高、智能化綜合決策能力薄弱等問題,難以支撐科學(xué)精準(zhǔn)決策管理需求。

本文利用“空天地一體”技術(shù),對(duì)智慧水務(wù)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管,形成多元時(shí)空動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù);利用Hadoop+分布式多模數(shù)據(jù)庫技術(shù),為智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算及深度挖掘提供基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)全時(shí)空多元數(shù)據(jù)信息互聯(lián)共享;形成支撐水質(zhì)安全智能監(jiān)測(cè)與評(píng)估的智能決策“超級(jí)大腦”;建立基于大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的水環(huán)境管理模式,實(shí)現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)分布的自適應(yīng)時(shí)空網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),開發(fā)面向政府決策、企業(yè)監(jiān)督和公眾參與的可視化、智能化的智慧水務(wù)決策分析平臺(tái),提供防汛抗旱、城市內(nèi)澇、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水量調(diào)度、河湖長(zhǎng)管理、智能決策等應(yīng)用功能。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 “空天地一體”的環(huán)境感知系統(tǒng)

基于“空天地一體”的環(huán)境感知系統(tǒng)(如圖1所示)是智慧水務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分,運(yùn)用先進(jìn)的傳感設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建涵蓋水資源、水安全、水生態(tài)領(lǐng)域的信息采集、傳輸、處理、存儲(chǔ),對(duì)雨情、水情、工情、水量、水質(zhì)、圖像、生態(tài)等信息進(jìn)行匯集,為水環(huán)境、水生態(tài)、水政監(jiān)管提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 “空天地一體”的環(huán)境感知系統(tǒng)

整合流域現(xiàn)有監(jiān)測(cè)資源,補(bǔ)齊流域生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境感知系統(tǒng)短板,形成覆蓋湖體、水庫、入湖河流、地下水、濕地、調(diào)蓄帶、土壤、岸線、農(nóng)田等多要素的環(huán)境感知體系,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集、匯聚、存儲(chǔ)、清洗和處理。其中,通過國(guó)土監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、光譜成像衛(wèi)星、全天候雷達(dá)衛(wèi)星、地球同步軌道衛(wèi)星傳回的圖片信息對(duì)大范圍水資源情況進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)分析,彌補(bǔ)普通監(jiān)測(cè)手段無法達(dá)到的效果,補(bǔ)布點(diǎn)密集度不夠、地域遼闊不具備布點(diǎn)條件等就無法獲取宏觀信息的短板。系統(tǒng)化、全方位、多層次、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映目標(biāo)流域生態(tài)環(huán)境狀況,形成支撐流域管理決策的全時(shí)空動(dòng)態(tài)多元大數(shù)據(jù)。

2.2 分布式智慧水務(wù)共享數(shù)據(jù)中心

基于Hadoop+分布式多模(關(guān)系、文檔、鍵值)數(shù)據(jù)庫的分布式計(jì)算與存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)(如圖2所示),為智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)資源提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算以及深度數(shù)據(jù)挖掘分析處理的基礎(chǔ)運(yùn)行支撐環(huán)境和工具。建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)異構(gòu)多源、分散多樣的各類數(shù)據(jù)的采集匯聚,提供批量采集和基于流處理的準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集能力;實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚到平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中治理、管控等,最終形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)及相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主題庫;創(chuàng)建智慧水務(wù)數(shù)據(jù)資源全視圖,分別為數(shù)據(jù)的供需方提供數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄管理和數(shù)據(jù)服務(wù)目錄管理等功能。搭建統(tǒng)一的智慧水務(wù)數(shù)據(jù)與服務(wù)集成平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)為各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供共享交換服務(wù),對(duì)外與關(guān)聯(lián)各單位的共享交換(如圖3所示)。

圖2 數(shù)據(jù)中心分布式計(jì)算與存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)

圖3 各單位數(shù)據(jù)信息化協(xié)同關(guān)系

2.3 一體化智慧水務(wù)決策分析平臺(tái)

智慧水務(wù)決策分析平臺(tái)主要包含水務(wù)主管部門關(guān)注的防汛抗旱、城市內(nèi)澇、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水量調(diào)度、河湖長(zhǎng)管理、智能決策等應(yīng)用功能(如圖4所示)。

圖4 智慧水務(wù)決策分析平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)

水務(wù)平臺(tái)接入徑流預(yù)報(bào)模型通過建設(shè)水文氣象監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降水、水位,并通過流域水文氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);對(duì)城市內(nèi)澇易發(fā)點(diǎn)的水位、視頻等信息進(jìn)行集中監(jiān)控管理,及時(shí)掌握城市內(nèi)澇區(qū)域水位、流量、視頻等信息及內(nèi)澇具體受災(zāi)情況,記錄歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的數(shù)據(jù),分析未來的走勢(shì);系統(tǒng)可接入衛(wèi)星云圖、雷達(dá)拼圖、水文遙感信息和水情信息等多種水文氣象信息,綜合展示出轄區(qū)內(nèi)的水文氣象,為城市防洪決策指揮調(diào)度提供輔助支撐。同時(shí),平臺(tái)可根據(jù)氣象降水預(yù)報(bào),結(jié)合流域DEM高程數(shù)據(jù),可查看小流域范圍的地表徑流,站點(diǎn)的預(yù)報(bào)降水、土壤含水量、預(yù)報(bào)流量、洪水等級(jí)、實(shí)測(cè)水位等。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段的智慧水務(wù)更加關(guān)注智慧與水務(wù)相結(jié)合,利用新一代信息技術(shù)優(yōu)化水資源可持續(xù)利用,構(gòu)建一個(gè)在區(qū)域、流域、地方不同尺度上集水資源、農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展與水環(huán)境需求為一體的水資源網(wǎng)絡(luò)。本文通過“空天地一體”水務(wù)信息的感知、傳輸、處理、存儲(chǔ)、管理、服務(wù)、應(yīng)用等環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)防汛抗旱、城市內(nèi)澇、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水量調(diào)度、河湖長(zhǎng)管理、智能決策等應(yīng)用功能,助力智慧水務(wù)長(zhǎng)效發(fā)展。