劉高宇 周宏偉

摘要：隨著水利工程和業(yè)務(wù)的發(fā)展水利數(shù)據(jù)體量爆發(fā)式增長(zhǎng)，利用新信息技術(shù)對(duì)水利大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并加以利用成為水利現(xiàn)代化體系的重要體現(xiàn)。該文從水利大數(shù)據(jù)的采集以及分析方法展開介紹水利大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，圍繞水利現(xiàn)代化體系的總體框架和核心技術(shù)進(jìn)行了闡述分析。

關(guān)鍵詞：水利現(xiàn)代化;水利大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)挖掘;信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）29-0031-02

1引言

中華人民共和國(guó)成立以來，我國(guó)對(duì)水利工程的建設(shè)和管理取得了舉世矚目的成就，各類水利工程總量躍居世界第一，無論從設(shè)施數(shù)量、保障程度，還是工程技術(shù)水平和國(guó)際影響力都已躋身世界水利大國(guó)行列，具備了向水利現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了重大貢獻(xiàn)。

水利工程體量增長(zhǎng)的同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)量的井噴式增長(zhǎng)，隨著科技進(jìn)步水利信息的采集技術(shù)不斷提高，可靠、智能、專業(yè)的信息采集設(shè)備打造出日益完善的水利信息一體化監(jiān)測(cè)體系，水利數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到大數(shù)據(jù)量級(jí)。傳統(tǒng)水利信息化技術(shù)對(duì)海量水利數(shù)據(jù)的管理和利用已無法滿足水利現(xiàn)代化進(jìn)程的需求，無法充分挖掘和發(fā)揮水利數(shù)據(jù)的價(jià)值。蔣云鐘、冶運(yùn)濤、趙紅莉等人總結(jié)了水利大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀，提出了水利大數(shù)據(jù)的技術(shù)體系[1];李肇桀、張旺、王亦寧對(duì)2035年水利現(xiàn)代化建設(shè)的遠(yuǎn)景目標(biāo)進(jìn)行了展望，研判了水利現(xiàn)代化建設(shè)的總體目標(biāo)和實(shí)施步驟[2];孫世友、魚京善等人分析了水利十大業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求結(jié)合新信息技術(shù)提出了基于智慧大腦的水利現(xiàn)代化體系[3]。張波、陳武奮、江顯群利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新信息技術(shù)構(gòu)建了智慧灌區(qū)管理體系并成功應(yīng)用于灌區(qū)管理系統(tǒng)[4]。新一代信息技術(shù)應(yīng)用于水利建設(shè)深度挖掘水利大數(shù)據(jù)，優(yōu)化水利業(yè)務(wù)體系加快水利現(xiàn)代化進(jìn)程已經(jīng)成為水利建設(shè)工作的主流方向。

2水利大數(shù)據(jù)概述

水利工程數(shù)據(jù)空間跨度大，數(shù)量規(guī)模大、各類型數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜[5]，使用傳統(tǒng)信息化技術(shù)對(duì)水利工程數(shù)據(jù)進(jìn)行管理必然不能夠發(fā)揮大數(shù)據(jù)在決策輔助中的巨大優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，從而制約了水利業(yè)務(wù)的監(jiān)管、調(diào)度、預(yù)警等水平的提高。水利大數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)來源主要分為三類：一是來自自然界的江河湖泊等水系數(shù)據(jù)，二是來自工程建設(shè)的水利設(shè)施工況數(shù)據(jù)，三是來自人工管理活動(dòng)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。目前針對(duì)這些水利信息的采集主要利用地面監(jiān)測(cè)、遙感技術(shù)和模型模擬等技術(shù)手段。利用自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建以各類型傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的地面監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境的變化并將其轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行回傳存儲(chǔ)，各級(jí)管理機(jī)構(gòu)以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)分層次進(jìn)行水務(wù)管理，有效支撐水利工程的運(yùn)行監(jiān)管以及在防汛抗旱、水資源管理等方面提供決策依據(jù);衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)具有空間上的宏觀性和連續(xù)性、時(shí)間上的周期性等特點(diǎn)[6]，在流域科學(xué)研究和綜合治理等方面舉足輕重，目前已經(jīng)在防災(zāi)減災(zāi)、水土保持、河道與河口變化監(jiān)測(cè)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用;目前，無人機(jī)是航空遙感最常用的平臺(tái)工具，在渠系結(jié)構(gòu)提取、水土保持監(jiān)管、黑臭水體監(jiān)測(cè)、精量灌溉、河流巡查等方面廣泛應(yīng)用;模型模擬也是水利學(xué)科中一項(xiàng)非常重要的方法之一，在研究過程中會(huì)建立諸多模型來擬合工程數(shù)據(jù)分布的關(guān)聯(lián)關(guān)系以達(dá)到預(yù)測(cè)和支持決策的目的。模型輸出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)有著相同的分布和緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以補(bǔ)充原始數(shù)據(jù)集缺失部分，形成一個(gè)完整的水利信息大數(shù)據(jù)集合。依據(jù)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)動(dòng)態(tài)生成時(shí)空連續(xù)、分布相同的序列數(shù)據(jù)集，模型模擬得到的數(shù)據(jù)可以很大程度地豐富和擴(kuò)充監(jiān)測(cè)要素的可用數(shù)據(jù)源。

水利大數(shù)據(jù)的價(jià)值體現(xiàn)在它能夠覆蓋水利工程和水務(wù)管理全流程數(shù)據(jù)鏈，并且蘊(yùn)含了數(shù)據(jù)流之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對(duì)水利大數(shù)據(jù)的分析對(duì)其關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行挖掘，提取隱藏?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未知的數(shù)據(jù)，以達(dá)到輔助決策的作用為管理人員提供有意義的管理建議。并且能夠根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查錯(cuò)，找到不符合整體趨勢(shì)的異常數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)的合法性。

3水利現(xiàn)代化體系框架與核心技術(shù)

3.1水利現(xiàn)代化體系框架

水利現(xiàn)代化總體框架按照功能層次主要分為感知層、傳輸層、決策層和應(yīng)用層四部分。感知層利用傳感器等組成多層次、全過程、全要素的立體大感知網(wǎng)絡(luò)體系直接和間接的監(jiān)測(cè)水利工程信息為上層網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);傳輸層通過建設(shè)因特網(wǎng)、局域網(wǎng)、移動(dòng)通信等網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路連接各水利機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水利信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享;決策層使用數(shù)據(jù)挖掘、模擬分析等方式對(duì)底層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理做出相應(yīng)的評(píng)估、預(yù)測(cè)、決策等輔助功能;應(yīng)用層面向特定的水利活動(dòng)需求打造定制化的應(yīng)用服務(wù)覆蓋水利業(yè)務(wù)全過程。

水利現(xiàn)代化需要眾多學(xué)科的通力協(xié)力，不僅依靠水利學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也依賴以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)，以及氣象學(xué)、管理學(xué)、土木工程學(xué)等學(xué)科的技術(shù)攻關(guān)，來為水利工程的運(yùn)行和監(jiān)管提供信息監(jiān)測(cè)分析、情景預(yù)測(cè)、科學(xué)調(diào)度功能，打造立體感知、互聯(lián)共享、多源數(shù)據(jù)深度挖掘、水利管控業(yè)務(wù)深度融合、覆蓋自然水循環(huán)全過程、全方位、全要素“五化”為核心的智慧管控模式。

3.2水利現(xiàn)代化核心技術(shù)

水利現(xiàn)代化是自動(dòng)化、信息化和智能化技術(shù)的融合與發(fā)展，在新興信息技術(shù)的引入下，建設(shè)多維立體化大感知體系，互聯(lián)互通大網(wǎng)絡(luò)通路、分析與決策的大數(shù)據(jù)中心體系和業(yè)務(wù)融合的大應(yīng)用體系，其技術(shù)框架如圖2所示。

3.2.1大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析是水利現(xiàn)代化體系的核心環(huán)節(jié)，根據(jù)水利工程和業(yè)務(wù)的流程特點(diǎn)其分析層次可以分為四個(gè)層次：一是規(guī)律解析，從水利業(yè)務(wù)歷史數(shù)據(jù)的歷史變化中挖掘規(guī)律，選擇影響數(shù)據(jù)變化的決定性因素;二是態(tài)勢(shì)研判，研判實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的業(yè)務(wù)狀態(tài)，為管理人員提供可靠的研判結(jié)果，對(duì)特定的狀態(tài)變化和應(yīng)急事件進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警預(yù)告;三是趨勢(shì)預(yù)測(cè)，根據(jù)水利大數(shù)據(jù)中業(yè)務(wù)流程的歷史數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵特征利用專業(yè)模型分析出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，按照該趨勢(shì)對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè);四是決策優(yōu)化，綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的規(guī)律、態(tài)勢(shì)和趨勢(shì)進(jìn)行整體分析，制定出一系列應(yīng)對(duì)方案供管理人員選擇，以達(dá)到輔助處理水利應(yīng)急事件的目的。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展形成了多種可靠的技術(shù)方法，目前被廣泛應(yīng)用的主要有統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三大類。其中以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等為代表的新興分析方法已經(jīng)在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用，在水資源和水環(huán)境領(lǐng)域發(fā)展迅速。結(jié)合水務(wù)云平臺(tái)建設(shè)打通各級(jí)水務(wù)部門的數(shù)據(jù)資源，搭建深度數(shù)據(jù)共享的大互聯(lián)平臺(tái)，以平臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)運(yùn)用云計(jì)算手段構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。龐大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算極其考驗(yàn)硬件基礎(chǔ)設(shè)施能力，為避免各級(jí)管理機(jī)構(gòu)硬件基礎(chǔ)設(shè)施的差異，采用云計(jì)算是最好的選擇，利用云端強(qiáng)大的運(yùn)算能力模擬和運(yùn)算各類調(diào)度模型、趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型等業(yè)務(wù)模型，各級(jí)管理機(jī)構(gòu)調(diào)用云端模型庫(kù)輔助各項(xiàng)業(yè)務(wù)的調(diào)度和預(yù)測(cè)。

3.2.2可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是水利現(xiàn)代化體系的最終呈現(xiàn)方式，通過可視化技術(shù)將原始數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)，使水利工作者能夠高效準(zhǔn)確的了解水利活動(dòng)的過程。水利現(xiàn)代化體系中的可視化技術(shù)在傳統(tǒng)科學(xué)可視化和信息可視化的基礎(chǔ)上，針對(duì)大數(shù)據(jù)的多維特性發(fā)展三維可視化技術(shù)，通過對(duì)水利大數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真以達(dá)到直觀展示水利工程信息，攫取知識(shí)的目標(biāo)?？梢暬夹g(shù)作為直接與水利管理人員進(jìn)行交互的重要環(huán)節(jié)，在水利現(xiàn)代化體系中發(fā)揮越來越重要的作用。

傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)的可視化利用圖表等二維形式實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的展示和查詢等場(chǎng)景，但是二維場(chǎng)景對(duì)于復(fù)雜的水利工程業(yè)務(wù)管理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。隨著工業(yè)4.0概念的深入，三維可視化技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)的仿真模擬已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。通過無人機(jī)采集的激光點(diǎn)云和傾斜攝影獲取高精度的地理信息，然后利用三維可視化技術(shù)對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行建模把現(xiàn)實(shí)世界的水利工程在計(jì)算機(jī)中精確的模擬重現(xiàn)。三維可視化技術(shù)基于水利大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，通過對(duì)計(jì)算機(jī)圖文信號(hào)的處理向管理者多畫面展示現(xiàn)場(chǎng)情況，呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的分析結(jié)果，及時(shí)為管理者提供決策建議。在信息化系統(tǒng)中立體直觀的呈現(xiàn)工程模型，可靠準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)更新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠極大地提高管理效率，為防汛抗旱、水土保持、資源調(diào)度等水務(wù)管理活動(dòng)提供重要保障和支撐。

4總結(jié)

傳統(tǒng)信息化方法對(duì)于體量龐大的水利數(shù)據(jù)的管理和利用程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水利現(xiàn)代化發(fā)展的需求，基于大數(shù)據(jù)的水利現(xiàn)代化框架結(jié)合水務(wù)管理流實(shí)踐深度融合了新一代傳感互聯(lián)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)水務(wù)管理的智能化，能夠不斷推進(jìn)水治理體系和治理能力的現(xiàn)代化。

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