張 濤 黃 銳 王 妍

(水利部海委水利信息網(wǎng)絡中心，天津 300170)

2017年2月，國家發(fā)展和改革委員會、水利部、國家林業(yè)和草原局聯(lián)合印發(fā)了《永定河綜合治理與生態(tài)修復總體方案》(以下簡稱《總體方案》)，在分析評價永定河現(xiàn)狀及存在主要問題的基礎上，從水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設、水環(huán)境治理與保護、水資源監(jiān)控體系建設和流域綜合管理與協(xié)同治理機制等方面，提出了重點治理措施，根據(jù)流域水資源自然條件和生態(tài)狀況，按照有限目標、突出重點的原則，堅持“治理、恢復、涵養(yǎng)、提升”相結(jié)合，統(tǒng)籌山水林田湖生命共同體，突出水和林兩個生態(tài)要素，把保障河湖生態(tài)用水放在突出位置，加大節(jié)水力度，遏制地下水超采，提升水源涵養(yǎng)能力，合理配置外調(diào)水，創(chuàng)新協(xié)同管理機制，集中利用5～10年時間，逐步恢復永定河生態(tài)系統(tǒng)，將永定河打造為貫穿京津冀晉的綠色生態(tài)河流廊道，逐步將永定河恢復為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，促進流域經(jīng)濟社會發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級以及區(qū)域生態(tài)文明建設[1]。

同年，《智慧永定河技術方案》啟動編制，對永定河流域水利信息化進行頂層設計，緊密結(jié)合永定河綜合治理和生態(tài)修復工作需要，銜接《總體方案》中各項治理措施和海委、兩省兩市(山西省、河北省、北京市、天津市)、永定河投資公司的信息化工作。本研究重點以智慧化視角，從透徹感知、網(wǎng)絡互聯(lián)、支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務應用、保障體系等層面探討新一代新信息技術與永定河流域核心管理工作的融合應用[2]，以期為河流綜合治理與生態(tài)修復提供人物交互、科學分析、決策支持等提供支撐，從而實現(xiàn)《總體方案》信息化層面的有利補充和深化提升。

1 現(xiàn)狀與需求

《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出，要推進“六河五湖”生態(tài)治理與修復。永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀區(qū)域重要水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道，先行開展永定河綜合治理與生態(tài)修復，打造綠色生態(tài)河流廊道，是京津冀協(xié)同發(fā)展在生態(tài)領域率先實現(xiàn)突破的著力點，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的引領示范作用。

1.1 水資源

永定河山區(qū)水資源總量26.61億m3，人均水資源量276m3，僅為全國人均水資源量的9.8%。近年來，受氣候及下墊面變化影響，水資源量呈明顯衰減趨勢，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，地表水開發(fā)利用率達到89%，遠超國際公認40%的合理開發(fā)利用紅線；山區(qū)淺層地下水實際開采量占可開采量的94%，開采總量接近上限。目前，正在逐步深入實施永定河生態(tài)水量調(diào)度和節(jié)水措施，這些措施是保障永定河生態(tài)水量、改善流域水生態(tài)環(huán)境的重要手段，急需全面監(jiān)控、精密計算、智能決策的技術手段。

1.2 水安全

永定河是京津冀區(qū)域重要的防洪安全屏障。作為全國四大防洪江河之一，實施防洪薄弱環(huán)節(jié)治理，消除防洪隱患，對京津冀協(xié)同發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實施具有重要意義。需通過防汛抗旱基礎監(jiān)測體系、水工程運行監(jiān)測體系信息集成，掌握流域內(nèi)防汛抗旱減災、水工程安全運行基本情況，基于全面的基礎數(shù)據(jù)建立相關模型，實現(xiàn)流域內(nèi)水庫群聯(lián)合調(diào)度、旱情預測預警、蓄滯洪區(qū)安全運用以及水工程運行的安全管控，逐步實現(xiàn)永定河流域內(nèi)水安全保障業(yè)務的智慧化。

1.3 水環(huán)境

永定河現(xiàn)狀水功能區(qū)主要污染物COD、氨氮年均入河量分別超過納污能力1.5倍、7.6倍，41個水功能區(qū)中只有11個達標，達標率僅26.8%，水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類的河長占總河長的52%以上。需要通過加強污染監(jiān)控，掌握污染特點與規(guī)律，構(gòu)建模型分析納污能力，提出限排方案，強化污染控制；針對突發(fā)水污染事件，匯集多源數(shù)據(jù)并構(gòu)建模型組，提供全過程輔助支持技術手段。

1.4 水生態(tài)

目前，永定河上游水源涵養(yǎng)能力差，水土流失依然嚴重，仍有1.5萬km2需要治理，生態(tài)用水被大量擠占，下游平原河道1996年后完全斷流，平均干涸長度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降。需要深度管理與挖掘遙感、視頻、監(jiān)測等不同類型、來源的數(shù)據(jù)，構(gòu)建專業(yè)模型，加強流域水生態(tài)環(huán)境特別是濕地、平原骨干河道、入海河口等敏感區(qū)域以及地下水采補、水土流失等情況的實時監(jiān)測、預測預警，動態(tài)分析模擬變化過程，分析判斷影響因素，實現(xiàn)治理效果綜合評估和智能化決策，同時，通過生態(tài)補償管理業(yè)務應用，為生態(tài)補償管理工作提供支撐。

2 內(nèi) 涵

智慧永定河是永定河流域水利信息化建設和現(xiàn)代化管理相結(jié)合的通俗易懂的一種表達，以永定河水利管理精細化、決策科學化、調(diào)度協(xié)同化、服務社會化為出發(fā)點，永定河綜合治理與生態(tài)修復需求為導向，以水管理單元為對象，應用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧感知、移動互聯(lián)網(wǎng)等最新信息技術，從空間結(jié)構(gòu)、時間過程、特征屬性和客觀規(guī)律4方面對永定河流域進行全息化描述，以面向問題和面向?qū)ο蟮慕M織方式，采用業(yè)務系統(tǒng)、專業(yè)模型和對象參數(shù)相分離的構(gòu)件化方式，實現(xiàn)永定河流域水事活動描述全息化、水利控制工程監(jiān)控自動化和輔助決策科學化，為實現(xiàn)永定河的綜合治理和現(xiàn)代化管理提供技術支撐，實現(xiàn)智慧永定河“透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、廣泛共享、智能應用、泛在服務”[3]的總體目標，是永定河生態(tài)廊道修復和河流現(xiàn)代化管理的重要標志。

智慧永定河=數(shù)字永定河+人工智能(AI，Artificial Intelligence)技術+管理機制創(chuàng)新(MI，Management Innovation)。數(shù)字永定河是以永定河流域為對象，應用遙感(RS)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(DCS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、網(wǎng)絡和多媒體技術、現(xiàn)代通信等科技手段，對永定河流域的資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟等各個復雜系統(tǒng)的數(shù)字化、數(shù)字整合、虛擬仿真的信息集成應用系統(tǒng)，并提供決策支持的可視化表現(xiàn)；人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學，人工智能技術包括機器學習、深度學習、人機交互、自然語言、機器視覺等多個領域在內(nèi)的信息新技術；管理機制創(chuàng)新是運用現(xiàn)代科技手段喚醒傳統(tǒng)水利管理機制，推動數(shù)據(jù)資源和新技術在生態(tài)治理、政府管理、民生服務領域的應用，促進管理機制向生態(tài)型、民生型的智能化轉(zhuǎn)型。

3 總體框架設計

從全局和整體層面進行設計，橫向形成感知層、網(wǎng)絡層、永定河大腦、應用層4個層次，縱向形成網(wǎng)絡安全保障體系、協(xié)同管理體系兩個體系的總體架構(gòu)，見圖1。江河湖泊、水利工程、水利管理活動以及其他各類信息，經(jīng)過水利感知系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡匯聚到永定河云，形成數(shù)據(jù)資源池。通過對池中數(shù)據(jù)進行整理形成數(shù)據(jù)資源目錄，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理與服務環(huán)境，基于標準的應用使能和應用支撐平臺設計，為水利大腦提供業(yè)務支撐、服務支持、服務決策與綜合運維的基礎能力，實現(xiàn)上層智能應用，推動水利領域各類業(yè)務的智慧化運行，服務水的精細管理[4]。

4 分項設計

4.1 感知網(wǎng)設計

圍繞永定河流域的水利業(yè)務需求和水利監(jiān)督工作要求，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、視頻圖像捕捉、遙感、無人機等技術提升綜合感知能力，建成覆蓋永定河全流域277條河流，包含氣象、水文、工情、墑情、災情、水質(zhì)、水生態(tài)、水土保持、地下水以及社會經(jīng)濟信息在內(nèi)的空天地一體化永定河感知網(wǎng)，包括基礎感知網(wǎng)構(gòu)建、動態(tài)感知能力提升和購置數(shù)據(jù)匯集平臺建設等內(nèi)容，為永定河流域水事活動提供基礎、準確、可靠的數(shù)據(jù)源。

4.2 永定河大腦設計

按照水利信息資源整合“五統(tǒng)一”的總體要求，永定河水利大腦由“一云一池三平臺”構(gòu)成，包括永定河云、數(shù)據(jù)資源池、信息資源平臺、應用支撐平臺和智慧使能平臺。

永定河云整合各類基礎計算、存儲、網(wǎng)絡、機房環(huán)境等資源，通過云管平臺提供云IaaS(基礎設施即服務)能力，為用戶提供彈性、可定義、按需分配、特性豐富的云化資源。

數(shù)據(jù)資源池主要存儲空間、基礎、監(jiān)測、業(yè)務、多媒體、元數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)資源，并提供數(shù)據(jù)資源交換共享服務,提供云DaaS(數(shù)據(jù)即服務)能力。

信息資源交換服務平臺、應用支撐平臺和智慧使能平臺共同組成支撐層，提供云PaaS(平臺即服務)和部分云SaaS(軟件即服務)能力，實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡等資源的彈性分配，統(tǒng)一運維，實現(xiàn)永定河流域水利行業(yè)、其他行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的歸集、治理、共享和開放[5]。

4.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)設計

數(shù)據(jù)架構(gòu)是描述數(shù)據(jù)在永定河相關單位內(nèi)部及之間全生命周期管理的流程、參與流程的功能組件以及它們之間的相互關系。圍繞業(yè)務應用數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)應用的流程逐級流轉(zhuǎn)(見圖2)。通過數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)監(jiān)控、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)標準，保障了數(shù)據(jù)生命力?；谟蓝ê釉茢?shù)據(jù)中心和分布式計算、存儲和管理技術，支撐大數(shù)據(jù)管理和應用。水利業(yè)務應用數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)資源池的全域數(shù)據(jù)采集、標準規(guī)范數(shù)據(jù)架構(gòu)、深度萃取數(shù)據(jù)價值、統(tǒng)一數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理和統(tǒng)一主題式服務，形成對業(yè)務應用和管理決策過程的支持。

圖2 智慧永定河數(shù)據(jù)架構(gòu)

4.4 基礎設施云架構(gòu)設計

智慧永定河基礎設施云采用“三中心、四節(jié)點”的總體架構(gòu)(見圖3)，包括海委主中心、主中心同城異址的備份中心和永定河投資公司運營中心3個中心，并在北京、天津、河北、山西4省市水利部門分別建設子節(jié)點。借助統(tǒng)一的云管理平臺，構(gòu)建計算資源池、存儲資源池和備份資源池，實現(xiàn)資源統(tǒng)一管理和按需服務。同時，可以與公有云或各節(jié)點本地政務云相結(jié)合，構(gòu)建混合云架構(gòu)，實現(xiàn)私有云、公有云及政務云的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運維。

圖3 智慧永定河基礎設施云架構(gòu)

4.5 網(wǎng)絡架構(gòu)設計

智慧永定河網(wǎng)絡設計采用層次性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，按流域/省市級、地市級、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級4級網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)流域內(nèi)自上而下各部門網(wǎng)的互聯(lián)互通，并實現(xiàn)流域內(nèi)各省市政府網(wǎng)絡互通。

充分利用通信專網(wǎng)資源,結(jié)合租用公網(wǎng)鏈路，在現(xiàn)有永定河流域網(wǎng)絡的基礎上，通過光纖、4G/5G、衛(wèi)星傳輸?shù)扔芯€、無線、近距離、中距離、遠距離各種不同的方式進行組網(wǎng)，主要包括水利業(yè)務網(wǎng)和水利工控網(wǎng)。水利業(yè)務網(wǎng)分為業(yè)務骨干網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)、城域網(wǎng)、部門網(wǎng)、感知通信網(wǎng)和應急通信網(wǎng)，并與水利工控網(wǎng)物理隔離，僅在生產(chǎn)管理區(qū)單向連接。智慧永定河網(wǎng)絡架構(gòu)見圖4。

圖4 智慧永定河網(wǎng)絡架構(gòu)

4.6 業(yè)務架構(gòu)設計

圍繞永定河綜合治理與生態(tài)修復目標，以強監(jiān)管為主導思想，遵循“分工明確、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務協(xié)同”的思路，構(gòu)建以綜合監(jiān)管為核心，支撐永定河流域水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設、水環(huán)境治理與保護等重點治理措施，兼顧政務服務、公共服務等工作內(nèi)容，服務于“監(jiān)控分析、決策處置、反饋評估”全過程的業(yè)務架構(gòu)(見圖5)。

圖5 智慧永定河業(yè)務架構(gòu)

通過綜合監(jiān)管，改進單一業(yè)務方向的管理模式，對永定河流域狀況進行全方位在線監(jiān)控，綜合運用多源信息，及時識別問題并啟動相關業(yè)務深入分析處理，全面強化監(jiān)管力度；同時，統(tǒng)籌各項工作內(nèi)容，加強業(yè)務協(xié)同，對各業(yè)務提出的需求、方案等進行綜合分析和協(xié)調(diào)處置，落實監(jiān)管責任，提升監(jiān)管效能。

在綜合監(jiān)管的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過水資源管理、水生態(tài)修復、水環(huán)境保護、水安全保障等業(yè)務，積極應對永定河流域在水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災害等方面存在的具體問題。同時，在政務服務和公共服務方面，通過資源整合挖掘和流程優(yōu)化完善等方式，擴大服務范圍，完善服務內(nèi)容，改進服務模式，提升流域管理能力與公共服務水平[5]。

4.7 網(wǎng)絡安全體系設計

構(gòu)建覆蓋智慧水利綜合感知、分析處理和智能應用全過程的網(wǎng)絡安全防護體系，主要任務包括永定河大腦、移動互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡邊界、園區(qū)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工控網(wǎng)等主要防護對象的網(wǎng)絡安全防御能力提升；建設并完善覆蓋海委、兩省兩市及永定河投資公司、關鍵信息基礎設施運行管理單位的水利統(tǒng)一身份認證服務、統(tǒng)一密碼服務，建設3級以上信息系統(tǒng)異地數(shù)據(jù)備份，關鍵信息基礎設施實現(xiàn)應用級容災備份；建設網(wǎng)絡安全數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，綜合獲取多方威脅情報數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建集中安全管理控制平臺，實現(xiàn)智能預警、主動防御、高效處置的網(wǎng)絡安全能力，保障各類水利業(yè)務安全運行。

4.8 協(xié)同管理機制設計

協(xié)同管理機制包括建設與運維協(xié)同管理、數(shù)據(jù)資源協(xié)同管理在內(nèi)的多方協(xié)同管理機制，并構(gòu)建永定河智慧程度評估指標體系，包含永定河信息感知度、網(wǎng)絡連通率、智慧永定河大腦服務程度、業(yè)務應用覆蓋率、安全保障度、管理有效性等因素，用于分析智慧永定河建設程度，確定優(yōu)勢環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地開展下階段工作，優(yōu)化項目建設內(nèi)容和建設進度安排，促進智慧永定河建設深入推進。

5 結(jié) 語

智慧永定河是助力實現(xiàn)永定河綜合治理與生態(tài)修復目標的重要支撐，也是推動永定河流域綜合管理與協(xié)同治理機制創(chuàng)新的信息化手段。通過從“數(shù)字永定河”到“智慧永定河”的轉(zhuǎn)變，水利信息化支撐著永定河流域水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設、水環(huán)境治理與保護等各項業(yè)務工作，智慧永定河也將成為永定河流域涉水管理單位管理手段提檔升級的重要依據(jù)。下一步，還需要根據(jù)永定河綜合治理與生態(tài)修復具體項目的實施，將應用設計進行深化和落地，力促永定河流域從傳統(tǒng)流域治理向流域綜合治理能力現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變。