沈宏 焦軍

智慧型流域建設(shè)探討

沈宏 焦軍

一、智慧型流域內(nèi)涵與發(fā)展

“智慧地球”（SmartEarth）這一理念的主要內(nèi)容是把新一代IT技術(shù)充分運用到各行各業(yè)中，即把傳感器裝備到人們生活中的各種物體中，并且連起來，形成“物聯(lián)網(wǎng)”（InternetofThings），并通過云計算（CloudComputing）將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，實現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類社會和物理系統(tǒng)的整合。智慧地球是個嶄新的概念，將大大推進信息化和工業(yè)化的進程，IBM商業(yè)價值研究中心提出了對電力、醫(yī)療、城市、交通、供應(yīng)鏈和銀行等六大行業(yè)的智慧方案，為智慧地球從理念提出到付諸實踐奠定了基礎(chǔ)。

智慧流域是在智慧地球的概念下局部的、更專業(yè)化的智慧系統(tǒng)。所謂智慧流域，是指把新一代IT技術(shù)充分運用于流域綜合管理，把傳感器嵌入和裝備到流域各個角落的自然系統(tǒng)（如降雨、蒸發(fā)、徑流、地下水、植被等觀測地）和人工系統(tǒng)（如水源地、輸水、供水、用水、排水和各類水利工程等各種物體）中，并通過普遍連接形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”，而后通過云存儲和云計算將“流域物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，以水利專業(yè)應(yīng)用平臺為支撐，完成數(shù)字流域與物理流域的無縫集成；通過智慧決策服務(wù)平臺和移動設(shè)備將數(shù)字流域界面友好地展示給決策者、技術(shù)人員和普通民眾，使人們能以更加精細和動態(tài)的方式對流域水利狀態(tài)進行認(rèn)知、設(shè)計、規(guī)劃和管理，從而達到流域的“智慧”狀態(tài)。其核心是利用一種更智慧的方法通過新一代信息技術(shù)來改變政府、企業(yè)和人們相互交互的方式，以便提高交互的明確性、效率、靈活性和響應(yīng)速度。智慧流域具有與智慧地球共同的特征：更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能化。

智慧流域是“數(shù)字流域”與“物理流域”的智能化結(jié)合。數(shù)字流域強調(diào)各種數(shù)據(jù)與地理坐標(biāo)聯(lián)系起來，以圖形或圖像的方式來展示，然后提供三維、航空和地面多視角等多維位置服務(wù)。智慧流域以物體基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施的連接為特色，數(shù)字代表信息和服務(wù)，智慧代表智能與自動化。數(shù)字流域以信息資源的應(yīng)用為中心，智慧流域以自動化智能應(yīng)用為中心。智慧流域不但具有數(shù)字流域特點，更強調(diào)人類與物理流域相互作用，實現(xiàn)流域物理世界中人與水、水與水、人與人之間的便利交流。

二、智慧型流域建設(shè)的意義

智慧型流域有望進一步推動流域現(xiàn)代化、信息化建設(shè)，有望成為全新的流域綜合管理戰(zhàn)略理念。實施智慧型流域可以提高數(shù)據(jù)的完備性和利用效率。目前，水利管理和決策所需的數(shù)據(jù)還不夠完整，并且利用效率很低。通過“智慧流域”建設(shè)，進一步完善數(shù)據(jù)的采集手段和采集點，保證數(shù)據(jù)的完備性和及時性，并通過對數(shù)據(jù)的整合和同化，數(shù)據(jù)的有機整合等，提高數(shù)據(jù)的共享能力，從而充分地利用數(shù)據(jù)，進一步提高數(shù)據(jù)的利用效率，以幫助人們更從更為廣闊細致的角度透視水文循環(huán)的時空變化過程，理解流域水利活動的規(guī)律。

實施智慧型流域有望提高水利管理和決策的水平?！爸腔哿饔颉蹦苤庇^地、全方位地、及時地為水利管理和決策提供所需依據(jù)，同時也能為廣泛參與的人民大眾提供更為生動形象的水利信息查詢閱讀，使人們更為直觀地認(rèn)識身邊的水事活動及更為廣泛地參與到水行政主管部門和技術(shù)部門共同決策中，從而幫助管理人員和決策者提高水利管理和決策的水平。對于提高防汛管理、水資源優(yōu)化調(diào)度、水土保持、水環(huán)境治理、水行政管理等的水平都能起到重要的作用。

三、智慧型流域建設(shè)整體框架

智慧型流域是在新一代IT技術(shù)的支撐下，將流域水利專業(yè)應(yīng)用平臺作為手段，以智能決策支持和人性化的交互服務(wù)為目標(biāo)的高度數(shù)字化、高度仿真、高度智能化的流域。流域運轉(zhuǎn)更加智能化。智慧型流域主要有感知層、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層、專業(yè)應(yīng)用平臺層、智慧決策服務(wù)層組成，如圖1所示。

感知層：該層是智慧流域的神經(jīng)末梢和人性化交互界面。包含兩方面的感知內(nèi)容，一方面通過傳感器、射頻標(biāo)簽和監(jiān)測探頭能夠?qū)崟r獲取天然水循環(huán)信息和社會水循環(huán)信息，將其裝備到水利設(shè)施中還可以實時采集大壩變形參數(shù)、堤岸安全系數(shù)和管網(wǎng)壓力系數(shù)等信息，實現(xiàn)對物理流域的數(shù)字化采集和傳輸，將物理世界中正在發(fā)生的水利事件通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層傳遞給流域?qū)I(yè)應(yīng)用平臺層進行仿真、模擬和優(yōu)化。另一方面，流域管理和決策人員以及廣大的參與者可以通過手機、個人電腦等移動終端設(shè)備從智慧決策服務(wù)層獲取需要了解的水文、水利、水環(huán)境、水工程的整體狀態(tài)，人性化的感知流域的存在及其運動變化過程，更好地理解人類活動對自然狀態(tài)的影響，以便實現(xiàn)人與水的充分感知、充分交流。

基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層：該層是智慧型流域系統(tǒng)內(nèi)信息輸入、信息交換和人機交互的通訊技術(shù)保障。如果說感知層是神經(jīng)元，那么基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層就是神經(jīng)網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為智慧型流域系統(tǒng)的互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)。

圖1　智慧型流域整體框架

專業(yè)應(yīng)用平臺層：該層是綜合應(yīng)用各類數(shù)據(jù)采集信息、構(gòu)建面向流域水利專業(yè)的虛擬仿真模型。主要包括基于多源耦合的氣象水文信息模擬平臺、二元水循環(huán)及伴生過程數(shù)值模擬平臺、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺、流域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺、流域洪水演變分析平臺等，相當(dāng)于智慧型流域系統(tǒng)水利專業(yè)的計算器。

智慧決策服務(wù)層：該層主要目的是通過智慧決策為決策者提供基于一定規(guī)劃目標(biāo)的均勻非劣的備選方案，并協(xié)助決策者對不同備選方案的優(yōu)劣進行客觀比較，從而使決策者能夠做出正確的決策。通過智慧服務(wù)界面友好的與決策者、技術(shù)人員和廣大民眾進行溝通對話，為流域治理提供專業(yè)決策支持和信息服務(wù)。智慧決策服務(wù)層通過與決策者對話，輸入決策者的設(shè)想、偏好，根據(jù)一定的規(guī)則自動生成備選方案，然后調(diào)用專業(yè)應(yīng)用平臺層對備選方案進行模擬運行，再將結(jié)果返回給決策者，協(xié)助決策者進行客觀認(rèn)識和取舍，然后進一步優(yōu)化決策思路、決策方法，進行下一輪的備選方案生成、模擬、優(yōu)化、評估和再評估，直至生成滿意的方案。該層生成備選方案的規(guī)劃目標(biāo)主要有防汛抗旱、水資源保護、水資源調(diào)度、水利工程規(guī)劃、水土保持、水生態(tài)修復(fù)、水資源配置、水環(huán)境評價等水事行為。

四、建設(shè)內(nèi)容

1.防洪減災(zāi)智慧系統(tǒng)

當(dāng)流域可能發(fā)生特大洪水時，根據(jù)衛(wèi)星傳感器傳送的云層信息，采用區(qū)域氣候模式預(yù)測可能的降雨量，將其作為輸入條件，利用云計算和云存儲技術(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)上模型所利用的下墊面條件，啟動陸面過程模型和數(shù)據(jù)同化技術(shù)對整個流域的洪水進行實時計算，將模型計算結(jié)果、洪水淹沒過程和制定的防洪預(yù)案與調(diào)度方案以及可撤離路線通過可視化手段展現(xiàn)在三維虛擬場景中，然后通過網(wǎng)絡(luò)將這些信息以文字、圖片、視頻圖像、語音等多種方式實時發(fā)送到流域內(nèi)居民的終端設(shè)備中。

2.抗御干旱智慧系統(tǒng)

智慧流域能夠利用由無線傳感器組成的天地一體化系統(tǒng)，對降水、風(fēng)速、溫濕度、蒸發(fā)、土壤墑情等信息全天候連續(xù)不斷地進行智能監(jiān)測和采集，實現(xiàn)對干旱的發(fā)生過程、危害程度進行定量監(jiān)測，對干旱造成的各類損失進行評估，對未來的影響范圍、持續(xù)時間、強度變化等預(yù)報預(yù)警。同時對干旱區(qū)范圍內(nèi)的水庫進行實時監(jiān)測，計算水庫可能的存儲水量，由此制定水庫聯(lián)合調(diào)度方案，以應(yīng)對干旱所帶來的水危機。

3.污染治理智慧系統(tǒng)

智慧型流域系統(tǒng)通過遙感傳感器和地面觀測設(shè)施對河流、湖泊、水庫、飲用水水源地、地下水觀測點、近岸海域等流域內(nèi)的現(xiàn)場水質(zhì)進行連續(xù)自動監(jiān)測，客觀地記錄水質(zhì)狀況，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化，進而實現(xiàn)對水域或下游進行水質(zhì)污染預(yù)報，達到掌握水質(zhì)和污染物通量，防治水污染事故的目的。水質(zhì)量測傳感器將感知的水質(zhì)參數(shù)傳遞給環(huán)境管理部門進行水質(zhì)評價，并裝置報警傳感器。在某種污染物濃度超過閾值時，由水質(zhì)量測傳感器自動與報警傳感器和控制供水傳感器相連，通過流域物聯(lián)網(wǎng)，啟動報警裝置并自動關(guān)閉供水管網(wǎng)，

4.水資源管理智慧系統(tǒng)

智慧流域通過取用水戶的取水和排水?dāng)?shù)據(jù)、行政分區(qū)的入境水量和出境水量數(shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)等的互相智能校核，為實行“總量控制，定額管理”提供支撐，實現(xiàn)對水資源的科學(xué)調(diào)配和精細管理。在準(zhǔn)確掌握水資源狀況的基礎(chǔ)上實現(xiàn)社會水循環(huán)過程與天然水循環(huán)過程的合理匹配，為實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置、高效利用和科學(xué)保護，實現(xiàn)社會—經(jīng)濟—自然的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

五、技術(shù)保障

1.射頻識別技術(shù)（R FID）

通過對流域中的水工建筑物、水文測站、量測設(shè)備等裝備射頻標(biāo)簽，實現(xiàn)自動獲取水工建筑物的特征數(shù)據(jù)和水文測站信息，它和傳感器感知的水工建筑物運行數(shù)據(jù)和水文測站的實時水情信息通過“流域物聯(lián)網(wǎng)”經(jīng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送至信息處理中心的專業(yè)應(yīng)用平臺層。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

通過裝備和嵌入到流域中的各類集成化的微型傳感器共同協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集各種流域環(huán)境或監(jiān)測對象信息，然后將這些信息以無線方式發(fā)送出去，從而實現(xiàn)物理流域、數(shù)字流域和人性化交互式流域的連通。

3.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織能力，在流域中的具體應(yīng)用就是將感應(yīng)器嵌入和裝備到水質(zhì)監(jiān)測斷面、供水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、大壩、水文測站等各種物體或設(shè)施中通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”。

4.云計算與云存儲

通過云計算，可將流域模擬程序拆分成無數(shù)個較小的子程序，通過網(wǎng)絡(luò)交由分布式計算機所組成的龐大系統(tǒng)計算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶，整個計算過程只需要幾秒就能完成。這意味著對局部河段或者流域干流的高精度的三維模擬從理想變成現(xiàn)實。通過云存儲技術(shù)，流域中海量的原型觀測、實驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型計算的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)以及流域管理的自然、社會、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)的存儲將不再受制于硬盤空間。

5.流域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺

流域虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究以構(gòu)建流域三維仿真模擬系統(tǒng)為目標(biāo)，融合流域內(nèi)各種數(shù)字信息而建成系統(tǒng)平臺，形成流域及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一數(shù)字化體系，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感和交互性要求。在虛擬仿真系統(tǒng)支撐下，將全流域水循環(huán)及其伴生過程進行模擬，并將其結(jié)果通過復(fù)雜實體建模集成于三維流域環(huán)境中，直觀地展現(xiàn)水循環(huán)、泥沙沖淤及污染物遷移過程的動態(tài)變化。

6.探討性建議

智慧型流域建設(shè)是個復(fù)雜開放的巨系統(tǒng)工程，覆蓋面極廣，影響因素眾多，需要總體規(guī)劃、分步實施：

（1）在現(xiàn)有測站的基礎(chǔ)上統(tǒng)一規(guī)劃流域站網(wǎng)系統(tǒng)，建立降雨、蒸發(fā)、徑流、水質(zhì)、溫度、土壤墑情、水源地、輸水、供水、用水、排水、水利工程等信息采集傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建流域物聯(lián)網(wǎng)。

（2）分步實施防洪減災(zāi)智慧系統(tǒng)、抗御干旱智慧系統(tǒng)、污染治理智慧系統(tǒng)和水資源管理智慧系統(tǒng)，整合流域物聯(lián)網(wǎng)信息和專業(yè)應(yīng)用平臺資源。

（3）建設(shè)流域智慧決策中樞，全面整合各目標(biāo)水利管理智慧系統(tǒng)，提供智慧化的決策機制，協(xié)調(diào)流域社會、經(jīng)濟、資源和水利發(fā)展關(guān)系。

要真正實現(xiàn)智慧流域的建設(shè)，就需要加大研發(fā)力度，提高傳感器監(jiān)測要素全面性以及數(shù)據(jù)的采集精度，進一步開發(fā)可靠的智慧化系統(tǒng)支持

（作者單位：中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司230601）